Hướng dẫn thí nghiệm các nguồn năng lượng thay thế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ThS HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS HỒ SỸ MÃO HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG THAY THẾ HÀ NỘI - 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ThS HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS HỒ SỸ MÃO HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG THAY THẾ HÀ NỘI - 2017 LỜI NĨI ĐẦU Cuốn “Hướng dẫn thí nghiệm nguồn lượng thay thế” xuất nhằm phục vụ giảng dạy mơn học Thí nghiệm nguồn lượng thay sử dụng làm tài liệu tham khảo cho môn học thuộc lĩnh vực lượng tái tạo Cấu trúc sách gồm chương, chia làm phần với nội dung trình bày theo hướng tiếp cận phương pháp nghiên cứu đại giới, bao gồm: Phần 1-Năng lượng gió Phần 2- Năng lượng mặt trời Cuốn sách tác giả ThS Hồ Ngọc Dung, ThS.Hồ Sỹ Mão biên soạn thông qua môn Thủy điện lượng tái tạo Trong trình biên soạn, tác giả nhân ủng hộ, góp ý thiết thực quý báu TS Nguyễn Viết Ngư giảng viên Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đồng nghiệp môn Thủy điện lượng tái tạo Đây tài liệu xuất lần đầu nên tránh khỏi khiếm khuyết, mong góp ý bạn đọc để nâng cao chất lượng lần tái sau Các tác giả i MỤC LỤC PHẦN NĂNG LƢỢNG GIÓ CHƢƠNG LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH TUABIN GIÓ 1.1 Năng lượng gió yếu tố ảnh hưởng đến lượng gió 1.1.1 Năng lượng luồng gió 1.1.2 Tốc độ gió 1.1.3 Mật độ khơng khí 1.1.4 Diện tích qt cánh tuabin gió 1.2 Biến đổi động dịng khí thành thơng qua tuabin gió 1.2.1 Các mặt cắt khí động lực: lực nâng lực cản khí động lực 1.2.2 Nguyên lý vận hành roto tuabin gió 10 1.2.3 Cơng suất thu từ tuabin gió 10 1.3 Giới thiệu tuabin gió 13 1.3.1 Cấu tạo tuabin gió 13 1.3.2 Thơng số đặc trưng tuabin gió 14 1.3.3 Đường đặc tính tuabin gió 16 1.3.4 Đánh giá hiệu suất làm việc tuabin gió 17 CHƢƠNG HƢỚNG DẪN THÍ NGHIỆM TUABIN GIĨ WG/EV 21 2.1 Tuabin gió WG/EV vận hành trời 21 2.1.1 Giới thiệu chung 21 2.1.2 Định vị tuabin gió 21 2.1.3 Lắp ráp rotor 22 2.1.4 Thiết bị điều chỉnh nạp điện 23 2.2 Máy phát phong WG/EV vận hành nhà 23 2.2.1 Thiết bị phận 23 2.2.2 Điều khiển hệ thống 24 2.3 Giới thiệu thiết bị 28 2.3.1 Máy phát điện không chổi than 28 2.3.2 Thiết bị tích trữ lượng 28 2.4 Bộ nghịch lưu DC/AC 29 CHƢƠNG BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TUABIN GIĨ WG/EV 31 3.1 Bài thí nghiệm 1: Đặc tính cơng suất đầu với tần số động 31 3.2 Bài thí nghiệm 2: Đo thơng số gió nơi lắp đặt máy phát phong 32 3.3 Bài thí nghiệm 3: Đo thơng số dịng điện máy phát với thiết bị đo 33 3.4 Bài thí nghiệm 4: Đánh giá thơng số dịng điện hệ thống thay đổi phụ tải 35 3.5 Bài thí nghiệm 5: Đánh giá cơng suất tuabin gió phương pháp đường đặc tính cơng suất 36 3.6 Bài thí nghiệm 6: Đánh giá cơng suất lớn sử dụng tuabin gió 38 3.7 Bài thí nghiệm 7: Đánh giá tổng cơng suất có luồng gió 38 3.8 Bài thí nghiệm 8: Đánh giá hiệu suất lớn theo lý thuyết tuabin gió hiệu suất thực 39 3.9 Bài thí nghiệm 9: Đánh giá lượng lớn thu từ gió nơi lắp đặt biết 39 PHẦN II NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 41 ii CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 41 4.1 Bức xạ mặt trời 41 4.1.1 Giới thiệu 41 4.1.2 Bức xạ mặt trời 41 4.1.3 Góc 46 4.2 Đánh giá lượng mặt trời 47 4.2.1 Giới thiệu 47 4.2.2 Bức xạ trực tiếp tức thời bề mặt 47 4.2.3 Bức xạ toàn phần tức thời bề mặt 48 4.2.4 Năng lượng trực tiếp tới bề mặt 49 4.3 Lý thuyết pin quang điện 50 4.3.1 Vật liệu bán dẫn 50 4.3.2 Hiệu ứng quang điện 52 4.3.3 Pin quang điện 55 4.3.4 Kết nối điện module 55 4.3.5 Đường đặc tính pin quang điện 57 4.3.6 Điện phát từ hệ thống quang điện 59 4.3.7 Mối quan hệ bề mặt hiệu suất 60 CHƢƠNG HƢỚNG DẪN THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN PM/EV 61 5.1 Giới thiệu 61 5.2 Các phận 61 5.3 Phương pháp kết nối hai pin quang điện 62 5.4 Phương thức hoạt động 63 5.5 Quy ước dấu dịng điện 63 5.6 Thiết bị tích trữ lượng (tương tự tuabin gió, mục 2.3.2) 63 5.7 Hệ thống điều phối điện pin quang điện 63 5.7.1 Điều khiển phân phối điện 64 5.7.2 Bộ theo dõi mặt trời 65 5.8 Pin quang điện 68 5.8.1 Giới thiệu chung 68 5.8.2 Các thông số kỹ thuật đường đặc tính module quang điện 68 5.8.3 Sơ đồ mạch điện liên kết tế bào quang điện 68 5.8.4 Mặt cắt pin quang điện 69 5.9 Nhật xạ kế 69 5.9.1 Nguyên lý hoạt động 69 5.9.2 Phương pháp đo 70 CHƢƠNG BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PM/EV 71 6.1 Bài thí nghiệm 1: Xác định đường đặc tính pin quang điện với cấu hình khác 71 6.1.1 Đường đặc tính I-V pin phía 71 6.1.2 Đường đặc tính I-V hai pin mắc nối tiếp 73 6.1.3 Đường đặc tính I-V hai pin mắc song song 74 iii 6.2 Bài thí nghiệm số 2: Đánh giá thơng số dịng điện hệ thống phụ tải thay đổi 75 PHỤ LỤC 77 PHẦN THÍ NGHIỆM TUABIN GIĨ WG/EV 77 PHẦN THÍ NGHIỆM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PM/EV 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các hệ số mấp mô mặt đất Bảng 1.2 Ảnh hưởng phân phối tần suất khác tốc độ gió địa điểm có vận tốc trung bình Bảng 2.1 Thơng số kỹ thuật nghịch lưu DC/AC 29 Bảng 3.1 Tần số - Cơng suất -số vịng quay đồng 31 Bảng 4.1 Hệ số phản xạ bề mặt khác 49 Bảng 4.2 Năng lượng khe trống hiệu suất lý thuyết pin quang điện 51 Bảng 4.3 Số liệu đặc tính pin quang điện silic trường hợp tham khảo 58 Bảng 4.4 Quan hệ hiệu suất diện tích module hệ thống có Pmax = 1kWp 60 Bảng 5.1 Các kiểu kết nối hai pin 62 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật điều tiết Genius 64 Bảng 5.3 Góc nghiêng tối ưu cho panel lắp đặt vĩ độ 20°Bắc 65 Bảng 5.4 Các thông số kỹ thuật pin quang điện 68 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Dao động tức thời tốc độ gió Hình 1.2 Giới thiệu biểu đồ tốc độ gió gần mặt đất (dịng lớp biên) Hình 1.3 Tốc độ gió tăng theo độ cao Hình 1.4 Cơng suất tuabin gió tăng theo độ cao Hình 1.5 Đường suất điển hình đường phân bố Weibull tương ứng thể tần suất (%) vận tốc gió khoảng thời gian biết (ví dụ năm) Hình 1.6 Phân bố tốc độ gió trung bình xu hướng biến đổi theo thời gian Hình 1.7 Đường phân bố lũy tích Weibull Hình 1.8 Mật độ khí với độ cao nhiệt độ Hình 1.9 Kích thước hình học máy phát dùng thí nghiệm WG/EV Hình 1.10 Tác động động lực học dịng khí lên mặt cắt cánh: Hình 1.11 Đặc trưng hình học mặt cắt khí động học Hình 1.12 Hệ số áp lực theo lý thuyết mặt lồi mặt đáy cánh (nét đứt) cho dạng mặt cắt NACA 6210 (a) 6410 (b) ; hai trường hợp dùng  = 0,740 Hình 1.13 Hệ số nâng Cs hế số cản CR mặt cắt đối xứng seri NACA Hình 1.14 Sự hình thành chuyển động tuabin gió 10 Hình 1.15 Phân bố vận tốc áp lực gần cánh cối xay gió 10 Hình 1.16 Ống dịng thuyết động lượng Betz 11 Hình 1.17 Biểu đồ áp lực vận tốc dịng khí qua tuabin gió trục ngang 11 Hình 1.18 Hệ số cơng suất vài tuabin gió theo tỷ số tốc độ chu vi với tốc độ gió 13 Hình 1.19 Máy phát điện gió trục ngang 14 Hình 1.20 Các hình dạng tuabin gió trục ngang 15 Hình 1.21 Lệch hướng tuabin gió trục ngang 16 Hình 1.22 Các loại tháp 16 Hình 1.23 Đường đặc tính cơng suất tuabin gió 17 Hình 1.24 Điện trung bình năm thực tế tuabin loại nhỏ 18 Hình 1.25 Các đường đặc tính cơng suất điện hàng tháng tuabin gió mơ hình AIR403 19 Hình 1.26 Điện trung bình năm tuabin gió 20 Hình 1.27 Đường cong đánh giá AEO tuabin gió cỡ nhỏ Bergey 850 20 vi (1) Nhiệt độ khơng khí, ºC: t  ……; (2) Mật độ khơng khí, kg/m3:   ………; (3) Độ cao ban đầu,m: H o  ………; (4) Độ cao lắp đặt, m: H  TT ……… ; ti vo vi V1 A1 P1 PTB Pmax,i s m/s m/s V A W W W Ghi 10 11 12 13 14 15  Phương pháp tính tốn thơng số Nhận xét: 85 1.8 Bài thí nghiệm 7: Đánh giá tổng cơng suất có đƣợc luồng gió  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ khơng khí, ºC: t  ……; (2) Mật độ khơng khí, kg/m3:   ………; (3) Độ cao ban đầu,m: H o  ………; (4) Độ cao lắp đặt, m: H  TT ……… ; ti vo vi V1 A1 P1 PTB Pmax,i Ptot,i s m/s m/s V A W W W W Ghi 10 11 12 13 14 15  Phương pháp tính tốn thơng số 86 Nhận xét: 1.9 Bài thí nghiệm 8: Đánh giá hiệu suất lớn theo lý thuyết máy phát hiệu suất thực  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ khơng khí, ºC: t  ……; (2) Mật độ khơng khí, kg/m3:   ………; (3) Độ cao ban đầu,m: H o  ………; (4) Độ cao lắp đặt, m: H  (5)  max  TT P Pmax  ………; (6) 1,max  1,max  ………; Ptot Ptot V1 A1 vi ti vo P1 ……… Pmax,i ; Ptot,i P1/Ptot,i Ghi 87 s m/s m/s V A W W W 10 11 12 13 14 15  Phương pháp tính tốn thơng số Nhận xét: 88 1.10 Bài thí nghiệm 9: Đánh giá lƣợng lớn thu đƣợc từ gió nơi lắp đặt biết  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ khơng khí, ºC: t  ……; (2) Mật độ khơng khí, kg/m3:   ………; (3) Độ cao ban đầu,m: H o  ………; (4) Độ cao lắp đặt, m: H  TT ti vo vi s m/s m/s pvi  PTB Ptot,i W W ……… ; PTB/Ptot,i Ei Ghi Wh 10 11 12 13 14 15  Phương pháp tính tốn thông số 89 Nhận xét: 90 PHẦN THÍ NGHIỆM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PM/EV 2.1 Thơng số thiết bị thí nghiệm Thiết bị, thông số Đơn vị Giá trị Ghi Tấm pin Số lượng Công suất định mức Hiệu suất Loại pin Kích thước Ắc quy Điện áp định mức Dụng lượng định mức Kích thước Bộ nghịch lƣu Điện áp vào DC Điện áp AC Công suất đầu liên tục Công suất đỉnh Hiệu suất Cường độ dịng điện lớn Phụ tải Cơng suất 2.2 Bài thí nghiệm 1: Xác định đƣờng đặc tính pin quang điện với cấu hình khác 2.2.1 Đƣờng đặc tính I-V pin phía dƣới 91  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ pin, ºC: t  ……; (2) Cường độ xạ, W/m2: G  ………; (3) Cách kết nối modul quang điện:……… ……………………………… (4) Xây dựng đường đặc tính I ~V P ~V pin Điểm công suất cực đại:……… ……………………………………………… TT R A1 V1 P1 (5) Ω A V Ghi W 10 11 12 13 14 15  Vẽ đường đặc tính I ~V P ~V pin 92  Nhận xét: 2.2.2 Đƣờng đặc tính I-V pin phía  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ pin, ºC: t  ……; (2) Cường độ xạ, W/m2: G  ………; (3) Cách kết nối modul quang điện:……… ……………………………… (4) Xây dựng đường đặc tính I ~V P ~V pin Điểm công suất cực đại:……… ……………………………………………… TT R A1 V1 P1 (5) Ω A V Ghi W 10 11 93 12  Vẽ đường đặc tính I ~V P ~V pin  Nhận xét: 2.2.3 Đƣờng đặc tính I-V hai pin mắc nối tiếp  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ pin, ºC: t  ……; (2) Cường độ xạ, W/m2: G  ………; (3) Cách kết nối modul quang điện:……… ……………………………… (4) Xây dựng đường đặc tính I ~V P ~V pin 94 (5) Điểm công suất cực đại:……… ……………………………………………… TT R A1 V1 P1 Ω A V W Ghi 10 11 12  Vẽ đường đặc tính I ~V P ~V pin  Nhận xét: 95 2.2.4 Đƣờng đặc tính I-V hai pin mắc song song  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ pin, ºC: t  ……; (2) Cường độ xạ, W/m2: G  ………; (3) Cách kết nối modul quang điện:……… ……………………………… (4) Xây dựng đường đặc tính I ~V P ~V pin Điểm công suất cực đại:……… ……………………………………………… TT R A1 V1 P1 (5) Ω A V Ghi W 10 11 12  Vẽ đường đặc tính I ~V P ~V pin 96  Nhận xét: 2.3 Bài thí nghiệm 2: Đánh giá thơng số dịng điện hệ thống phụ tải thay đổi  Kết thí nghiệm (1) Nhiệt độ pin, ºC: t  ……; (2) Cường độ xạ, W/m2: G  ………; (3) Cách kết nối modul quang điện:……… ……………………………… Thông số Bóng đèn V1 V2 V3 A1 A2 A3 V I P V V V A A A V A W Ghi 97  Nhận xét: 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Các nguồn lượng tái tạo, sách dịch, Bộ môn Thủy điện lượng tái tạo 2015; Wind energy explained, Theory, design and application, J.F Manwell, J.G McGowan, A.L Rogers, John Wiley & Sons 2002; Principles of solar engineering, D.Yogi Goswami, Frank Kreith, Jan F Kreider, Taylor & Francis Group 2006; Hướng dẫn thơng số kỹ thuật cho thí nghiệm PM/EV WG/EV hãng Elettronica Veneta; Wind and solar power systems, Mukund R.Patel, Taylor & Francis Group 2006; 99 ... VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ThS HỒ NGỌC DUNG ( Chủ biên ) – ThS HỒ SỸ MÃO HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG THAY THẾ HÀ NỘI - 2017 LỜI NĨI ĐẦU Cuốn ? ?Hướng dẫn thí nghiệm nguồn lượng thay thế? ??... dụng nguồn lượng truyền thống đến mơi trường khuyến khích quan tâm vào nguồn lượng sạch, đặc biệt thông qua việc sử dụng nguồn lượng tái tạo Năng lượng gió nguồn lượng ưu việt đánh giá tái tạo Các. .. song song 74 iii 6.2 Bài thí nghiệm số 2: Đánh giá thơng số dịng điện hệ thống phụ tải thay đổi 75 PHỤ LỤC 77 PHẦN THÍ NGHIỆM TUABIN GIĨ WG/EV 77 PHẦN THÍ NGHIỆM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PM/EV