Nghiên cứu thiết kế hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ dùng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Header Page of 166 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống lượng gió công suất nhỏ dùng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu Footer Page of 166 Header Page of 166 LỜI NÓI ĐẦU Như biết việc phát minh điện thỏa mãn nhu cầu lượng người đưa văn minh nhân loại tiến bước dài Có nhiều cách để sản xuất điện : thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử Việc nghiên cứu tìm nguồn lượng trở thành nghiên cứu mũi nhọn nhiều quốc gia, đặc biệt nước phát triển Trong công tìm nguồn lượng người đạt thành công định : đời trung tâm phát điện dùng lượng gió lượng mặt trời với công suất lên đến hàng ngàn megaoat Tuy nhiên, nguồn lượng tương đối phụ thuộc vào tự nhiên Trong năm gần hoạt động nghiên cứu tái tạo nói chung lượng phong điện nói riêng nước ta triển khai mạnh mẽ Vì phải nghiên cứu ứng dụng nguồn lượng vô tận cách tốt hiệu Với đồ án “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống lượng gió công suất nhỏ dùng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu“, em mong muốn đóng góp phần việc đẩy mạnh nghiên cứu nguồn lượng gió nước ta Nội dung đồ án gồm chương : Chương Gió nguồn lượng gió Chương Các thiết bị hệ thống gió - điện công suất nhỏ Chương Máy phát đồng nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ Chương Thiết kế hệ thống điện gió nhỏ phục vụ đời sống Footer Page of 166 Header Page of 166 Chương GIÓ VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 SỰ HÌNH THÀNH CỦA GIÓ Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng làm cho bầu khí quyển, nước không khí nóng không Một nửa bề mặt Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận xạ Mặt Trời thêm vào xạ Mặt Trời vùng gần xích đạo nhiều cực, có khác nhiệt độ khác áp suất mà không khí xích đạo cực không khí mặt ban ngày mặt ban đêm Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn góp phần vào việc làm xoáy không khí trục quay Trái Đất nghiêng (so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất tạo thành quay quanh Mặt Trời) nên tạo thành dòng không khí theo mùa Bản đồ vận tốc gió theo mùa bị ảnh hưởng hiệu ứng Coriolis tạo thành từ quay quanh trục Trái Đất nên không khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành gió xoáy có chiều xoáy khác Bắc bán cầu Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ Bắc bán cầu không khí di chuyển vào vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu chiều hướng ngược lại Ngoài yếu tố có tính toàn cầu trên, gió bị ảnh hưởng địa hình địa phương Do nước đất có nhiệt dung khác nên ban ngày đất nóng lên nhanh nước, tạo nên khác biệt áp suất có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội nhanh nước hiệu ứng xảy theo chiều ngược lại Footer Page of 166 Header Page of 166 1.2 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TRONG ĐỜI SỐNG 1.2.1 Năng lượng gió – nguồn lượng vô tận Năng lượng gió giới Cuối kỷ 20 đầu kỷ 21 vấn đề nguồn lượng cung cấp cần phải xem xét lại: nguồn lượng hóa thạch cạn dần, đồng thời vấn đề gây ô nhiễm môi trường việc đốt nhiên liệu hóa thạch trở nên trầm trọng Vấn đề lượng quan tâm nhiều lựa chọn cho ngành lượng thay tương lai Nguồn lượng quan tâm lượng gió, lượng mặt trời, lượng địa nhiệt, lượng sóng biển, lượng thủy triều… Tất loại lượng góp phần lớn vào việc cải tạo sống nhân loại cải thiện môi trường Các hệ thống lượng xem lựa chọn thay cho hệ thống cung cấp từ lưới điện quốc gia vùng nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi mặt kinh tế, đó, lượng gió xem nguồn lượng dễ khai thác với công nghệ đơn giản chi phí đầu tư vận hành tương đối thấp Theo tính toán nhà nghiên cứu, lượng từ mặt trời trái đất vào khoảng 173.000 tỉ KW lượng từ gió ước tính khoảng 3.500 tỉ KW Trên toàn bề mặt hành tinh chúng ta, lượng khai thác từ gió lớn lượng toàn dòng sông trái đất từ 10 đến 20 lần Năng lượng gió khai thác ứng dụng từ lâu dùng để chạy bơm nước, thuyền buồm Các cối xay gió xuất từ kỷ thứ 12 Từ đến việc nghiên cứu phát triển công nghệ sử dụng lượng gió ngày phát triển với tốc độ ngày nhanh số lượng lẫn chất lượng Theo thống kê, đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt nhà máy phát điện tua-bin gió giới 39.294 MW, gấp lần Footer Page of 166 Header Page of 166 tổng công suất lắp đặt nhà máy điện Việt Nam Giá trị tăng 26% so với năm 2002 Như việc sử dụng lượng gió khoa học chứng minh khẳng định thực tế phát triển với tốc độ nhanh tua-bin gió lắp đặt giới Sự phát triển theo thời gian làm cho giá thành điện phát từ tua-bin gió giảm từ 6,15 UScent/kWh (năm 1995) xuống 4,6 UScent/kWh (năm 1999) đến năm 2005 dự kiến 3,91 UScent/kWh Giá thành lắp đặt tua-bin gió trung bình vào khoảng 1000 USD/kW Với giá thành điện sản xuất từ tua-bin gió ngày rẻ, kỹ thuật ngày tin cậy, số nước phát triển triển khai nhiều dự án lượng gió, số bật nước Ấn Độ, Trung Quốc,… Tình hình phát triển điện gió Việt Nam Ngày nay, trước tình hình nguồn lượng truyền thống (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than,…) giới ngày khan hiếm, việc khai thác sử dụng nguồn lượng (ngoài lượng nguyên tử) lượng mặt trời, lượng gió… đề tài chương trình lớn quốc gia Việt Nam vùng có tiềm năng lượng gió mức thấp, nhiên số vùng thuộc hải đảo ven biển miền Trung lại có tốc độ gió cao, phù hợp với việc tận dụng để phát điện Tốc độ gió cần thiết trục tua-bin (có cao độ khoảng 40 – 60m) phù hợp cho việc vận hành thương mại vào khoảng - 7m/giây Tốc độ gió trung bình Việt Nam độ cao cách mặt đất 30m theo đánh giá khoảng - m/giây vùng bờ biển Ở vài đảo độc lập số đạt 9m/s, phù hợp để phát triển việc tận dụng loại lượng Từ năm 80 trở lại nhiều nhà khoa học với công trình, đề tài nghiên cứu khoa học tập trung nghiên cứu, khai thác nguồn lượng gió để phát điện Tuy nhiên, nghiên cứu dừng lại ứng dụng có công suất thấp (từ vài trăm đến 1.000W) Các nghiên cứu nhằm cung Footer Page of 166 Header Page of 166 cấp điện cho hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, hải đảo, nơi mà lưới điện Quốc gia chưa vươn tới Định hướng đề cập đến kế hoạch phát triển nguồn điện đến năm 2010 Tổng Công ty Điện Lực Việt Nam (EVN) Gần đây, số dự án nhà máy điện gió quy mô công nghiệp nghiên cứu triển khai nhà máy điện gió có công suất 750 kW lắp đặt huyện đảo Thanh niên Bạch Long Vĩ – Hải Phòng vào năm 2003, dự án nhà máy điện gió Cửa Tùng huyện Vĩnh Linh - Quảng Trị nghiên cứu lập dự án khả thi với công suất dự kiến lên đến 10-2050MW Có thể thấy gió nguồn lượng kinh tế thiên nhiên ban tặng Tuổi thọ tua-bin phát điện lên đến 20-30 năm; số tua-bin gió phát điện xây dựng cách 50 năm hoạt động tốt Việc khai thác tốt nguồn lượng giúp đa dạng hóa nguồn phát điện, giảm bớt gánh nặng cho lưới điện vốn dựa nguồn lượng truyền thống Vấn đề làm để quy hoạch sử dụng nguồn lượng cách phù hợp 1.2.2 Thiết bị sử dụng lượng gió Lưới điện sử dụng lượng gió Gần đây, nhà khoa học Mỹ đề xuất giải pháp nối liền nhà máy lượng gió vùng khác mạng đường dây truyền tải, làm cho việc cung cấp điện đạt hiệu cao Để khắc phục tình trạng thiếu lượng toàn cầu, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường, từ lâu người tăng cường khai thác lượng gió Năng lượng gió có nhiều lợi để tạo nguồn điện rẻ Nhưng vấn đề lớn mà nhà máy điện sử dụng lượng gió gặp phải thực tế lúc có gió, mà nguồn điện không ổn định Footer Page of 166 Header Page of 166 Hình 1.1 Trạm lượng gió Tuy nhiên, người ta khắc phục nhược điểm cách kết nối nhà máy điện sử dụng lượng gió hệ thống đường dây truyền tải Năng lượng gió nhiều nơi bổ trợ cho nhau, tạo nguồn điện trì ổn định Theo nghiên cứu hai nhà khoa học Mỹ Cristina Archer Mark Jacobson, có nhà máy lượng gió nối liền trở lên đảm bảo việc cung cấp nguồn điện liên tục Một điều thuận lợi giả pháp giúp giảm bớt thất thoát trình phân phối điện Thay sử dụng nhiều hệ thống đường dây nối liền nhà máy với nơi tiêu thụ, điện sau nối mạng tập trung điểm chuyển tới thành phố hệ thống đường dây Hiện Mỹ vài nước khác bắt đầu kết nối nhà máy điện sử dụng lượng gió Những nhà máy kỳ vọng trở thành nơi sản xuất nguồn lượng rẻ nhất, giúp giảm đáng kể nguồn Footer Page of 166 Header Page of 166 điện phải sản xuất từ nhà máy điện đốt than đá, từ giảm phát thải khí nhà kính vào bầu khí Trái đất Cối xay gió gia Ở vùng xa hệ thống điện, người ta hoàn toàn làm chủ cối xay gió nhà, miễn nhà không gần tòa nhà cao tầng hay nhiều cối Thực tế, thị trường tua-bin gió nhỏ tăng 14% năm 2007 Một số tua-bin dành cho tàu thuyền, số khác cung cấp cho chủ nhà, người sống xa hệ thống điện Tóm lại, Trái Đất đủ gió để sản xuất điện đáp ứng nhu cầu nhân loại Đó nghiên cứu công bố Energy Economics Còn theo Viện Năng lượng gió Đức, thị trường lượng gió toàn cầu đạt tới số 107.000 MW/năm vào 2017, tăng lần so với lượng điện 20.000 MW sản xuất hàng năm 1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.3.1 Các xu đầu tư nguồn lượng Chúng ta sống nhiều nguồn lượng vô tận – mặt trời, gió, đại dương, thực vật, nguyên tử, lõi Trái đất – câu hỏi công nghệ tính kinh tế khai thác chúng giới hạn trí tưởng tượng * Gió cao: Ý tưởng: Những turbin gió truyền thống ngừng gió lặng Các bong bóng hay rotor làm quay turbine chắn gió mạnh, chắn độ cao 1000 – 1500 foot (khoảng 300 - 450m ).Công ty Magenn Power có trụ sở Ottawa hy vọng tung thị trường loại turbine thương mại độ cao lớn - khí cầu nhỏ bơm đầy khí heli có đường kính 60 foot ( khoảng 18m) vào năm 2010 Footer Page of 166 Header Page of 166 Thực tế: Theo tính toán, nguồn phong cao cung cấp lượng cho toàn địa cầu có tiềm khai khác 100 lần Nhưng người ta chờ xem vượt qua rào cản công nghệ để khai thác nguồn lượng cách kinh tế hay không * Nhiên liệu xanh : Ý tưởng: Để có dạng nhiên liệu sinh học nguồn gốc từ dầu thực vật đòi hỏi phải có trình canh tác xử lý công phu Người ta thay đổi cấu trúc gen loại tảo để tận dụng lượng tinh dầu mà chúng liên tục tiết sau lọc thành nhiên liệu thay Hai công ty Synthetic Genomics, J Craig Venter - nhà kinh doanh, nhà nghiên cứu gen người - điều hành, Sapphire Energy, Bill Gates tài trợ, tiến hành thử nghiệm loại tảo để sản xuất loại "nhiên liệu sinh học" vốn tiền thân dầu hỏa, xăng máy bay dầu diesel Thực tế: Nhiên liệu từ tảo có chưa sản xuất cách kinh tế Tuy nhiên, nhiều công ty đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này, phải kể đến công ty hàng không dầu khí hùng mạnh Chính phủ Mỹ đồng ý chi 50 triệu USD cho nghiên cứu nhiên liệu từ tảo năm * Sóng hệ mới: Ý tưởng: Năng lượng sinh từ dao động sóng chuyển hóa để vận hành máy phát điện Ít có ba mươi công ty phát triển công nghệ thu lượng từ sóng Công ty Pelamis Wave Power Scotland phát minh công cụ vận hành "nông trại sóng" thương mại thức vào hoạt động vào năm 2008 khơi bờ biển Bồ Đào Nha Mỗi cỗ máy có đường kính khoảng 4m cung cấp đủ điện cho 500 hộ gia đình Thực tế: Dù lượng từ sóng chưa có tính cạnh tranh theo nghiên cứu Viện Greentech Media/Prometheus, thị trường lượng đại Footer Page of 166 Header Page 10 of 166 dương loại đạt giá trị 500 triệu USD năm vòng năm tới, công suất tăng lên 100 lần, đạt tỷ watt * Năng lượng nhiệt hạch: Ý tưởng: Nhiệt hạch hạt nhân - phản ứng nguyên tử cung cấp lượng cho - sử dụng để tạo lượng Công ty theo đuổi ý tưởng: Năm 2010, hệ thống tạo tia laser cực mạnh mang tên National Ignition Facility Mỹ chiếu tập trung 192 tia laser vào cap-xun siêu nhỏ chứa đầy khí hy-đrô để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch mà người ta dự đoán sinh nhiều lượng số lượng mà tiêu thụ - bước tiến quan trọng tiến trình nghiên cứu lượng nhiệt hạch Thực tế: Các nhà khoa học theo đuổi mục tiêu suốt 50 năm nay, riêng phủ Mỹ chi 20 tỷ USD cho nghiên cứu nhiệt hạch Dù vậy, thí nghiệm sử dụng lượng nhiệt hạch thực 15 năm tới * Địa nhiệt sâu: Ý tưởng: Những nhà máy địa nhiệt truyền thống khai thác sức nóng gần bề mặt đất Các hệ thống địa nhiệt cải tiến (EGS) ngày bơm nước lạnh vào sâu lòng đất 3km để đạt độ siêu sôi Và hệ thống hoạt động nơi Hàng chục dự án R&D EGS thực khắp giới Công ty Geodynamics Úc dự kiến vào đầu năm 2010, nhà máy thử nghiệm công suất Megawatt, xếp vào hàng lớn giới, đưa vào hoạt động Thực tế: Theo Bộ Năng lượng Mỹ, với tiến công nghệ có, EGS trở thành nguồn lượng quan trọng, kinh tế bền vững Footer Page 10 of 166 Header Page 49 of 166 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NHỎ PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG 4.1 CẤU TRÚC CHUNG Hình 4.1 Cấu trúc chung hệ thống gió điện công suất nhỏ Do tốc độ gió luôn thay đổi nên lưới điện không mang lại đặc tính kỹ thuật yêu cầu sử dụng, thời điểm gió có gió bão, cánh quạt tuabin không quay, nghĩa máy phát không hoạt động dẫn đến phụ tải điện Do đó, hệ thống để sử dụng cho tải dân dụng, quy mô nhỏ nạp ắc quy với chất lượng không cao Hệ thống bao gồm phần chính: - Blade : cánh quạt tuabin, hấp thụ động gió thành quay máy phát - PMSG : máy phát đồng nam châm vĩnh cửu - Converter : chỉnh lưu điốt biến đổi AC – DC cho hệ thống nạp ắc quy 48 Footer Page 49 of 166 Header Page 50 of 166 - Battery : ắc quy lưu điện - Inverter : nghịch lưu biến đổi DC – AC cung cấp cho tải Ở đây, việc cấp điện cho thiết bị tiêu thụ hoàn toàn liên tục có cố nguồn cấp điện Phân tích sơ đồ sau: Gió làm quay cánh quạt, máy phát điện hoạt động lượng điện tạo lúc không cung cấp điện trực tiếp cho thiết bị, mà chúng biến đổi thành dòng điện chiều nhờ Converter, điện áp đầu Converter 12 VDC tương ứng với điện áp ắc quy Trong mạch thể cung cấp điện từ ắc quy từ Converter đến inverter để biến đổi thành điện áp đầu phù hợp với thiết bị sử dụng Như vậy, thấy cố nguồn điện hệ thống cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà thời gian trễ Điều làm cho thời gian máy phát trạng thái không hoạt động ngắn, thiết bị sử dụng điện an toàn, ổn định 4.2 THIẾT KẾ KỸ THUẬT 4.2.1 Đặt vấn đề Hiện có nhiều phương pháp thiết kế kỹ thuật vấn đề chuyển đổi động gió thành điện sử dụng cho thiết bị sử dụng điện nhà máy hay trang trại, hộ gia đình Tuy nhiên, sử dụng nhiều phương án biến đổi điện từ máy phát xoay chiều sang điện áp chiều chỉnh lưu thành điện áp xoay chiều phù hợp 49 Footer Page 50 of 166 Header Page 51 of 166 4.2.2 Mô hình đề xuất Hình 4.2 Mô hình đề xuất thiết kế kỹ thuật cho hệ thống 50 Footer Page 51 of 166 Header Page 52 of 166 * Giải thích sơ đồ: Gió làm quay máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu sinh điện năng, đóng cầu dao điện áp xoay chiều pha đưa vào cuộn sơ cấp biến áp TR1 biến đổi từ điện áp 380V sang điện áp 12V Dòng điện xoay chiều 12VAC từ cuộn thứ cấp máy biến áp TR1 chỉnh lưu nhờ cầu chỉnh lưu pha ốt thành dòng 12VDC cấp điện cho ắc quy biến tần Bộ biến tần sử dụng IC 4047 để biến đổi điện áp 12VDC thành điện áp 12VAC, tần số 50Hz, sau điện áp 12VAC/50Hz đưa vào cuộn sơ cấp biến áp TR2 biến đổi thành điện áp 230VAC/50Hz cung cấp cho tải tiêu thụ Khi điện lưới, để sử dụng lượng điện hệ thống phải thực chuyển mạch cầu dao CD 4.2.3 Tính toán phụ tải chung hộ gia đình Điển hình hộ gia đình có thiết bị sử dụng điện tivi, tủ lạnh, điều hòa, quạt Danh sách thiết bị công suất chúng để tính chọn thiết bị hệ thống phong điện công suất nhỏ liệt kê bảng sau: Bảng 4.1 Danh sách thiết bị công suất chúng Tên thiết bị Số lượng Công suất(W) Tivi 200 Tủ lạnh 150 Quạt 250 Bóng đèn loại 200 Máy bơm 100 Điều hòa 2000 51 Footer Page 52 of 166 Header Page 53 of 166 Công suất tổng ∑P = 2900 W Điện áp dùng gia đình điện áp 220V/50Hz - Tính dòng điện định mức : Iđm = (4.1) Chọn hệ số cosφ = 0,8 Với Tủ lạnh, quạt, máy bơm điều hòa sử dụng động xoay chiều nên ta tính dòng mở máy dòng tải : - Dòng mở máy : Imm = kmm.Iđm (4.2) Iqt = 1,3.Iđm (4.3) - Dòng tải : Kết cho bảng 4.2 Bảng 4.2 Kết tính toán dòng điện cho thiết bị Dòng khởi động (A) Dòng tải (A) Tivi Dòng định mức (A) 0,56 Tủ lạnh 0,85 4,25 1,105 Quạt 0,35 1,75 0,46 Bóng đèn loại Máy bơm 0,227 0,57 2,85 0,71 Điều hòa 11,37 56,85 14,78 Tên thiết bị 4.2.4 Lựa chọn thiết bị 4.2.4.1 Chọn hệ thống thu nhận biến đổi gió * Cánh quạt hứng gió : 52 Footer Page 53 of 166 Header Page 54 of 166 Động lớn mà cánh tua bin nhận 0.593 lần động mà gió sinh Năng lượng gió phân chia làm phần tương tác với cánh tuabin, động làm quay tuabin áp suất tác dụng lên bề mặt cánh tua bin, thiết kế cánh quạt quay tuabin phải hướng tới tiêu thu động nhiều từ gió, giảm bớt lượng áp suất tác dụng lên bề mặt * Máy phát : Thông thường, công suất định mức máy phát tính toán điều kiện tiêu chuẩn Trong thực tế, điều kiện vận hành thiết bị không với điều kiện tiêu chuẩn Vì công suất khả dụng thường thấp công suất định mức Các điều kiện ảnh hưởng đến công suất khả dụng máy là: - Nhiệt độ môi trường - Sự thay đổi chế độ làm mát máy phát - Sự lão hóa chất cách điện, làm cho nhiệt độ chịu đựng máy phải giảm xuống - Những giới hạn động sơ cấp kéo - Những giới hạn thiết bị lắp phía sau nó: máy cắt, máy biến áp, đường dây Do công suất tải tiêu thụ 2900W nên chọn máy phát đồng nam châm vĩnh cửu pha có công suất 3kW 4.2.4.2 Chọn ắc quy dự trữ Là lưu trữ điện dạng điện áp chiều (DC) - “Lu” chứa điện Hiện có nhiều loại với chất lượng, tính giá thành khác (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Với loại ắc quy hãng có qui định chặt chẽ cách sử dụng, bảo quản chế độ nạp điện khác Yêu cầu mua sử dụng phải có hiểu biết đầy đủ ắc quy lựa chọn 53 Footer Page 54 of 166 Header Page 55 of 166 Trên thị trường, nên chọn mua loại ắc quy tốt có chất lượng cao Tránh mua loại ắc quy có chất lượng thấp có giá thành rẻ ban đầu mau hư hỏng gây rắc rối khác trình sử dụng nên thực phải trả chi phí cao Chế độ nạp điện : - Việc chọn dòng nạp thích hợp cho ắc quy yếu tố đặc biệt quan trọng Đảm bảo ắc quy vừa bền vừa thực đầy - Thông thường dòng nạp tiêu chuẩn phải ổn định từ 1/10 đến 1/5 dung lượng ắc quy Thời gian tiêu chuẩn để nạp ắc quy thường từ 8-12 - Nếu chọn dòng nạp nhỏ (so với dung lượng) ắc quy lâu đầy nhiên dòng sạc nhỏ ắc quy bền no thực - Ngược lại chọn dòng nạp lớn (so với dung lượng) ắc quy chóng đầy nhanh bị hỏng tượng đầy thường giả tạo Thậm chí bị nổ nạp mạnh - Khi ắc quy đầy cần phải ngắt nạp chuyển sang chế độ nạp trì khoảng thời gian để ắc quy thực đầy - Đặc biệt với số loại ắc quy trình sạc cần phải có giám sát nhiệt độ chặt chẽ Tùy theo thời gian sử dụng bị điện dài hay ngắn mà ta chọn dung lượng ắc quy theo công thức sau : (4.4) Trong đó: - P công suất tiêu thụ - watt - T thời gian hoạt động – h - 0,7 hệ số sử dụng 54 Footer Page 55 of 166 Header Page 56 of 166 - U điện áp ắc quy- volt Đối với hệ thống lượng gió công suất 2900 W, dùng nguồn điện 12VDC, dùng phục vụ hộ gia đình nên ta chọn thời gian sử dụng đồng hồ, ta áp dụng công thức để tính dung lượng ắc quy: Dung lượng ắc quy = = 690 Ah Như dung lượng ắc quy lớn, để đáp ứng yêu cầu chọn ắc quy hãng Pinaco sau: Bảng 4.2 Chọn ắc quy cho hệ thống Loại Số lượng Điện Thế (V) Dung Lượng (Ah) N100 12 100 N200 12 200 4.2.4.3 Chọn chỉnh lưu nghịch lưu * Bộ nghịch lưu : Bộ nghịch lưu biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp chiều, nhờ khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào cách chu kỳ để tạo nên đầu xoay chiều Khác với biến tần trực tiếp, việc chuyển mạch thực nhờ lưới xoay chiều, nghịch lưu điều áp chiều, hoạt động chúng phụ thuộc vào loại nguồn tải Trên thị trường có nhiều loại Hồ Điện, Aquasonic, MaxQ, Eltek, Power Master, Incosys, AST có nhiều loại công suất khác giá khác nhau, nhiên nên dùng loại inverter có điện dòng sine chuẩn 55 Footer Page 56 of 166 Header Page 57 of 166 Với thông số: - Công suất tải tiêu thụ 2900 W - Điện áp 220V/50Hz Vậy chọn inverter có đầu vào điện áp chiều với điện áp nạp ắc quy 12 VDC, đầu 220VAC/50Hz Do hiệu suất inverter vào 80% nên chọn công suất inverter cần dùng là: Pinverter = =3635 W Hệ số máy biến áp TR2 : = = 0.052 Dòng thứ cấp I2 = 11,37 A Biên độ dòng sơ cấp I1m = Dòng hiệu dụng sơ cấp I1 = = 218 A = = 154 A Công suất thứ cấp biến áp: S2 = U2.I2 = 230.11,37 = 2615,1 VA Bộ biến tần với thông số: VR1 = 100K; R2 = 390K; R3= 330Ω; R5=R6= 220Ω; D5 1N4007; C1 = 2200 ; C2 = C3= 0,01 ; C4 = 22 ; Zene Diode 240V/20A Dòng sơ cấp biến áp TR2 154A, chọn transistor IGBT loại GA200SA60 với thông số 200A/600V/15kHz 56 Footer Page 57 of 166 Header Page 58 of 166 * IC dùng nghịch lưu IC4047 : Hình 4.3 Các chân IC CD4047 Hình 4.4 Tín hiệu xung điều khiển mở IGBT * Bộ chỉnh lưu : Bộ chỉnh lưu biến đổi điện xoay chiều thành chiều cung cấp cho tải chiều : động điện chiều, kích từ cho máy phát đồng cuộn dây hút khí cụ điện, công nghệ điện hóa: mạ, đúc điện, nạp ắc quy Đây sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dùng ốt Để giảm tiết diện dây quấn ngăn chặn thành phần sóng hài sóng thứ tự không chạy ngược máy phát gây ảnh hưởng đến máy phát phía sơ cấp biến áp đấu tam giác, phía thứ cấp đấu (Δ/Y) 57 Footer Page 58 of 166 Header Page 59 of 166 Điện áp ngược ốt phải chịu : Unm = = 12 = 29,39 V Chọn ốt chịu điện áp ngược ku.Unm = 1,6 29,39 = 47,024 V Vậy chọn ốt MR2000 Un = 50V, Imax = 20 A Tính máy biến áp : Dòng chỉnh lưu định mức Id = 154 A Trị hiệu dụng dòng chảy pha thứ cấp máy biến áp : I2 = Id = 125,7 A Trị hiệu dụng dòng chảy pha phía sơ cấp : I1 = I2 = 125,7 = 3,97 A Công suất biểu kiến máy biến áp : S1 = 3.U1.I1 = 3.380.3,97 = 4525,8 VA S2 = 3.U2.I2 = 3.12.125,7 = 4525,2 VA Vậy STR1 = 4525,5 VA 4.2.4.4 Thiết bị đo, đếm, bảo vệ : * Thiết bị bảo vệ : Trong sơ đồ có thiết bị bảo vệ áp tô mát, cầu dao, cầu chì - Tính chọn áp tô mát : Áp tô mát CB1 chọn theo điều kiện : UđmA ≥ UđmLĐ = 380 V IđmA ≥ Itt = 3,97 A Vậy chọn áp tô mát loại EA53-G Nhật chế tạo có thông số : Bảng 4.3 Chọn áp tô mát CB1 Uđm (V) Iđm(A) IN(kA) 380 10 58 Footer Page 59 of 166 Header Page 60 of 166 Áp tô mát CB2 chọn theo điều kiện : UđmA ≥ UđmLĐ = 230 V IđmA ≥ Itt = 11,37 A Vậy chọn áp tô mát loại EA53-G Nhật chế tạo có thông số : Bảng 4.3 Chọn áp tô mát CB2 Uđm (V) Iđm(A) IN(kA) 380 20 4.3 KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ TRONG HỘ GIA ĐÌNH Ngày nay, nhu cầu sử dụng điện lớn tình trạng thường xuyên bị cắt điện tải Trước thực tế xúc nhà máy thủy điện nhiệt điện nước ta ngày chưa đáp ứng nhu cầu tốc độ phát triển kinh tế xã hội đất nước Đặc biệt năm gần đây, tình hình thời tiết biến động phức tạp liên tục, nguồn nước ngầm bị cạn kiệt, sông ngòi bị trơ đáy vào mùa khô Do đó, để đảm bảo nhu cầu sử dụng điện thực sách sử dụng điện tiết kiệm phủ, hệ thống lượng gió công suất nhỏ dùng hộ gia đình lựa chọn phù hợp với hộ gia đình, trang trại nhà máy, xí nghiệp Khi đưa vào sử dụng hệ thống cần ý : - Trạm phong điện sử dụng động gió làm quay tuabin nên phải ưu tiên đặt nơi có nhiều gió để hiệu suất hoạt động cao - Trạm điện sức gió nên đặt gần nơi tiêu thụ điện, tránh chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện 59 Footer Page 60 of 166 Header Page 61 of 166 - Trạm điện sức gió đặt địa điểm vị trí khác nhau, với giải pháp linh hoạt phong phú Tuy nhiên ta nên đặt trạm nơi có độ cao tự nhiên nhằm làm giảm chi phí xây dựng trụ đỡ mỏm núi, tòa nhà cao tầng - Việc đưa vào sử dụng hệ thống lượng điện gió cần phải quan tâm đến vấn đề an toàn, lúc trời có mưa bão sức gió lớn làm hư hỏng thiết bị gây nguy hiểm cho người dùng Khi có gió bão, cách tốt nên tách cánh quạt rô to máy phát để tránh gây hư hỏng máy phát sức gió lớn làm cho máy phát quay nhanh, dẫn đến tổn hại lớn cho phận bên nhiệt dao động mạnh Việc tách cánh quạt rô to thực khớp bánh tác động tay hay tự động Với nơi xa nguồn điện lưới quốc gia khu vực miền núi, hải đảo, việc truyền tải điện vấn đề khó khăn, nhiên với ứng dụng trạm điện lượng gió công suất nhỏ cho khu vực giải pháp mang tính cấp thiết để đem lại sống đầy đủ cho người dân Với ưu điểm chủ động nguồn điện, nguồn lượng tái tạo, không gây ô nhiễm, chất lượng ngang với chất lượng điện lưới quốc gia Nếu xét tới nguy cạn kiệt lượng hóa thạch tình trạng ô nhiễm môi trường, với tiềm to lớn điện gió Việt Nam, xu hướng sử dụng nguồn lượng tất yếu 60 Footer Page 61 of 166 Header Page 62 of 166 KẾT LUẬN Trong trình thực đồ án em nhận hướng dẫn tận tình, hiệu thầy giáo – TS Nguyễn Tiến Ban thầy cô giáo môn giúp đỡ bạn đồng nghiệp giúp cho em hoàn thành đồ án Trong đồ án em tìm hiểu giải vấn đề sau : - Tìm hiểu gió, nguồn lượng gió ứng dụng chúng sản xuất sinh hoạt - Nghiên cứu cấu trúc chung hệ thống phát điện lượng gió nói chung hệ thống lượng gió sử dụng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu - Thiết kế sơ hệ thống lượng gió công suất nhỏ dùng hộ gia đình Trong thời gian làm đề tài, thân cố gắng nghiên cứu học hỏi vốn kiến thức hạn hẹp, thời gian thực hạn chế nên đồ án tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận góp ý phê bình thầy cô môn bạn đông nghiệp để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Nguyễn Hồng Quân 61 Footer Page 62 of 166 Header Page 63 of 166 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS- TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất xây dựng Cao Xuân Tuyển - Nguyễn Phùng Quang (2007), Điều khiển máy điện dị nguồn kép hệ thống phát điện chạy sức gió với điều khiển dòng thích nghi bền vững sở kỹ thuật Backstepping, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, 1(3),115-120 Nguyễn Bính ( 2000), Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Ngô Hồng Quang - Vũ Văn Tẩm ( 2006), Thiết kế cấp điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (2003), Phân tích giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Bính (1982), Kỹ thuật biến đổi điện năng, Đại học Bách Khoa Hà Nội 62 Footer Page 63 of 166 ... chương : Chương Gió nguồn lượng gió Chương Các thiết bị hệ thống gió - điện công suất nhỏ Chương Máy phát đồng nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ Chương Thiết kế hệ thống điện gió nhỏ phục vụ đời... hiệu Với đồ án “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống lượng gió công suất nhỏ dùng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu , em mong muốn đóng góp phần việc đẩy mạnh nghiên cứu nguồn lượng gió nước ta Nội dung... CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNGGIÓ – ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, lượng gió trở thành nguồn tiềm cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng cho môi trường nhỏ Tổng lượng máy phát