Nghiên cứu thiết bị và công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện năng cho cụm dân cư ven biển và hải đảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÙI THANH THẢO NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT ðIỆN SỬ DỤNG SỨC GIÓ CUNG CẤP ðIỆN NĂNG CHO CỤM DÂN CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ðẢO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện Mã số : 60.52.02.02 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN MẠNH HÙNG HÀ NỘI - 2012 LỜI CAM ðOAN Tên là: Bùi Thanh Thảo Sinh ngày 20 tháng 01 năm 1980 Học viên lớp cao học khố 17 - ðiện khí hóa Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn - Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội Hiện cơng tác khoa Khoa học Cơ - Trường Cao ñẳng nghề Cơ điện Tây Bắc – Huyện Lạc Thủy, Hịa Bỡnh Xin cam ủoan: ti Nghiên cứu thiết bị công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện cho cụm dân c vùng ven biển Hải đảo thy giỏo PGS.TS Trn Mnh Hựng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam ñoan tất nội dung luận văn ñúng nội dung ñề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Hội ñồng khoa học trước pháp luật Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Bùi Thanh Thảo i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian năm học tập nghiên cứu ðại học Nông nghiệp Hà Nội, với giúp ñỡ ủng hộ thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp, gia đình nỗ lực thân đến tơi hồn thành luận văn với ñầy ñủ nội dung ñề tài Tuy nhiên, hạn chế kiến thức, tài liệu tham khảo trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu khơng dài lĩnh vực cịn tương đối mẻ nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp quan tâm ñến vấn ñề ñể luận văn hồn chỉnh có ý nghĩa Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo, cán giảng dạy thuộc Khoa sau ñại học, Khoa Cơ ðiện Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội, đặc biệt tơi xin bày tỏ lòng biết ơn cảm ơn sâu sắc tới cán hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Mạnh Hùng ñã trang bị kiến thức, dẫn dắt, bảo động viên tơi suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Bùi Thanh Thảo ii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii LỜI MỞ ðẦU 1 Lý chọn ñề tài Mục đích đề tài 3 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ðôi nét lịch sử nghiên cứu phát triển máy phát ñiện sức gió 1.1.1 Lịch sử phát triển máy phát ñiện chạy sức gió 1.1.2 ðặc ñiểm chung máy phát điện chạy sức gió 1.1.3 Những lợi ích sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) 1.2 Tình hình khai thác lượng gió giới 11 1.3 Tiềm năng lượng gió Việt Nam 13 1.3.1 Tốc độ gió, cấp gió 13 1.3.2 Chế độ gió Việt Nam 14 1.4 Hiện trạng khai thác lượng gió 19 1.5 Các dự án điện gió triển khai 21 1.6 Kết luận chương 23 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ðỀ TÀI 24 2.1 Ngun lý chung phát điện sức gió 24 2.2 Gió lượng gió 24 iii 2.2 Tìm hiểu hệ thống tuabin gió 27 2.2.1 Tuabin gió trục ngang 27 2.2.2 Hệ thống tuabin gió trục đứng 32 2.2.3 Kết luận 33 2.3 Khí động lực học tuabin gió 33 2.3.1 ðộng lực học cánh gió tuabin 33 2.3.2 ðộng lực học roto 36 2.4 Phương pháp điều khiển cánh gió tuabin trục đứng 37 2.4.1 Lý luận chung 37 2.4.2 Phương pháp xác ñịnh góc cánh ñiều khiển tuabin gió trục ñứng 40 2.5 Tìm hiểu máy phát điện sử dụng lượng gió 43 2.5.1 Máy phát điện khơng đồng 44 2.5.2 Máy phát ñiện chiều 45 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 46 3.1 Sơ ñồ thiết kế hệ thống tuabin gió 46 3.2 Xác định nhu cầu lượng hộ dân cụm dân cư 46 3.3 Xác định vùng gió đặt tuabin 46 3.4 Thiết kế tính tốn tuabin gió cơng suất nhỏ 47 3.4.1 Thiết kế mơ hình tubin gió 48 3.4.2 Cánh gió 48 3.4.3 Tay địn 49 3.4.4 Trục trụ 50 3.4.5 Ổ bi tự lựa 50 3.4.6 ðĩa gắn ổ bi 51 3.4.7 Bánh ñà 51 3.4.8 Thanh truyền ñộng 52 3.4.9 ðai chuyền tải 52 3.4.10 ðế trụ 53 iv 3.4.11 Máy phát 53 3.5 Thiết kế mạch nạp acquy 54 3.5.1 Các linh kiện ñiện tử 54 3.5.2: Mạch ñiều khiển 58 KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT 65 Kết luận 65 ðề xuất 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cơng suất định mức lượng gió nước giới năm 2007 13 Bảng 1.2 Bảng cấp gió Beaufor 14 Bảng 1.3 Vận tốc gió Việt Nam đo độ cao 10 ñến 12m 16 Bảng 1.4 Số liệu tốc ñộ gió độ cao 65 m theo nguồn EVN WB 17 Bảng 1.5 Hiện trạng khai thác lượng gió Việt Nam 21 Bảng 1.6 Các dự án điện gió triển khai 22 Bảng 2.1 Góc cánh điều khiển vị trí khác 42 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình cánh gió Trung Mỹ, cuối TK 19 Hình 1.2 Mơ hình cối xay gió xuất sau kỷ 13 Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy sức gió, năm 1800 Hình 1.4 Máy phát điện sức gió chariles F.Brush chế tạo Hình 1.5 Cơng suất điện gió giới thời gian 1996-2008 12 Hình 1.6 Bản đồ tài ngun gió nước ta độ cao 80m 18 Hình 1.7 Năm tổ máy nhà máy điện gió tỉnh Bình Thuận 20 Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý chung phát điện sức gió 24 Hình 2.2 Cấu trúc tổng qt tuabin gió trục ngang 28 Hình 2.3 Một số loại tháp đỡ 29 Hình 2.4 Mơ hình tổng qt tuabin gió trục đứng 32 Hình 2.5 ðường cong biểu diễn KP 34 Hình 2.6 Các lực tác dụng lên cánh gió 35 Hình 2.7 Tác động gió lên cánh 37 Hình 2.8 Phân tích động lực học cánh gió 41 Hình 2.9 Góc điều khiển cánh gió 10 vị trí khác 43 Hình 2.10 Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MP KðB 44 Hình 3.1 Hình vẽ mơ hình tuabin gió trục đứng 48 Hình 3.2 Hình vẽ mơ tả cánh gió 49 Hình 3.3 Hình ảnh mơ tả tay địn 49 Hình 3.4 Hình ảnh trục trụ 50 Hình 3.5 Hình ảnh ổ bi tựa 50 Hình 3.6 Hình ảnh đĩa gắn ổ bi 51 Hình 3.7 Hình ảnh bánh đà 51 Hình 3.8 Hình truyền động 52 Hình 3.9 ðai truyền tải 52 vii Hình 3.10 Hình ảnh đế trụ 53 Hình 3.11 Hình ảnh máy phát 53 Hình 3.12 Thơng số cấu tạo LM350 54 Hình 3.13 Thơng số cấu tạo Diode 55 Hình 3.14 Cấu tạo thơng số khuyếch đại BC547 56 Hình 3.15 Cấu tạo thơng số BD140 57 Hình 3.16 Nguyên lý mạch nạp ắc quy 58 Hình 3.17 Mạch layout mạch nạp ắc quy 59 Hình 3.18 Mơ mạch nạp ắc quy 59 Hình 3.19 Hình ảnh 3D mạch nạp 60 Hình 3.20 Cấu tạo thống số Diot 1N5401 61 Hình 3.21 Cấu tạo thơng số BC547 62 Hình 3.22 Mạch ñầu chạy ñộng ñèn led 63 Hình 3.23 Hình ảnh thực tế tuabin gió thiết kế ñề tài 64 viii LỜI MỞ ðẦU Lý chọn ñề tài Năm 1973 khủng hoảng dầu lửa nghiêm trọng ñã xẩy Kết với việc dầu mỏ khan mà nhu cầu lớn, khủng hoảng làm tăng giá dầu thô gấp lần Chính khủng hoảng lượng gây khủng hoảng kinh tế 1973-1975 quy mơ tồn cầu Tiếp đến khủng hoảng dầu lửa năm 1979, làm cho giá dầu tăng từ 50$/thùng lên 100$/thùng Trong năm gần ñây, nhà khoa học hàng ñầu Mỹ, Nga, Trung Quốc, Ấn ðộ… ñã ñưa lời cảnh báo khoảng hoảng lượng kỷ 21 Như vậy, vấn ñề lượng ñang trở nên cấp bách, khơng đe dọa đến tăng trưởng kinh tế giới, mà cịn đe dọa trực tiếp hồ bình, an ninh quốc tế Nguồn lượng hố thạch, q quý báu thiên nhiên ban tặng người ñang cạn kiệt Vậy, nguồn lượng hỗ trợ cho lượng hố thạch? ðó vấn ñề mà cộng ñồng quốc tế ñã ñang tìm biện pháp để giải Trước tác động sâu sắc khủng hoảng lượng toàn cầu, nhiều quốc gia tổ chức liên kết khu vực tích cực nghiên cứu, triển khai giải pháp tìm nguồn lượng Giải pháp giới đa dạng hóa nguồn lượng như: Năng lượng hạt nhân, lượng tái sinh lượng sinh học Tỷ suất tăng trưởng toàn giới dạng lượng ñiện năm 1990-2000 là: lượng gió: 32%; lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; lượng nguyên tử: 0,6%; than ñá: 1% Như tỷ suất tăng trưởng lượng ñã ñang phát triển phạm vi toàn giới Trong điện gió có tốc độ tăng trưởng cao Trong năm gần ñây, giới lượng gió sử dụng hiệu vượt xa mong đợi, cơng suất điện lượng gió mang lại tồn giới vào khoảng 50.000MW Các trạm phong ñiện ñã ñược sử dụng nhiều nước Mỹ, ðức, Thụy ñiển nước 3.4.10 ðế trụ - Chất liệu : Gỗ - Diện tích : S = m2 - Khối lượng : m= 20 kg Hình 3.10 Hình ảnh ñế trụ 3.4.11 Máy phát - Số lượng : - Khối lượng 1,4 kg P=180W, U=110V, I=1,6A Hình 3.11 Hình ảnh máy phát 53 3.5 Thiết kế mạch nạp acquy 3.5.1 Các linh kiện ñiện tử : 3.5.1.1 Lm350T: Là thiết bị ñầu cuối ñiều chỉnh điện áp có khả khoảng 3.0A, ñiện áp ñầu khoảng 1,2V ñến 33V Lm350 dùng để đóng mở dịng nạp cho ắc quy Hình 3.12 Thơng số cấu tạo LM350 3.5.1.2 DIODE 1N5401: Diode linh kiện bán dẫn có cực, ñược cấu tạo lớp bán dẫn N lớp bán dẫn P ghép lại Diode 54hon ñể dẫn ñiện chiều thường ñược sử dụng mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều sang chiều,các mạch tách 54hon… 54 Hình 3.13 Thơng số cấu tạo Diode 3.5.1.3 Bộ khuếch ñại BC 547, BD 140: - BC547: Gồm lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N ghép theo thứ tự N-P-N Về phương diện cấu tạo transistor tương ñương với diode ñấu ngược chiều 55 Hình 3.14 Cấu tạo thơng số khuyếch đại BC547 56 -BD 140 : Hình 3.15 Cấu tạo thơng số BD140 57 3.5.2: Mạch điều khiển : Hình 3.16 Nguyên lý mạch nạp ắc quy - Nguyên lý hoạt ñộng mạch nạp ắc quy : Bộ mạch nạp acquy chì dùng axit với điện áp đầu vào từ 12-17V, 3A Dùng LM350T, mạch nạp tự động ngắt Acquy đầy Bình thường acquy chưa đầy Q1, Q2 dẫn Làm cho LM350 hoạt ñộng ñiện áp ñược nạp vào cho Acquy Khi acquy đầy Q1 đóng đồng thời làm cho LM350 ngừng hoạt ñộng ñèn LED tắt Q1 đóng ðiện áp nạp ngắt khỏi acquy ðiều chỉnh dịng nạp cho acquy thơng qua biến trở P1 58 Hình 3.17 Mạch layout mạch nạp ắc quy Hình 3.18 Mơ mạch nạp ắc quy 59 Hình 3.19 Hình ảnh 3D mạch nạp Ở ñây mạch ñầy ñủ cho nạp acquy chì dùng axit với ñiện áp ñầu vào từ 17 - 30V, A Dùng LM350T Mạch ñơn giản, ổn ñịnh dễ làm Nguyên lý hoạt ñộng sau : 60 Mạch nạp tự ñộng ngắt Acquy ñã ñầy Bình thường acquy chưa ñược ñầy Q1, Q2 dẫn Làm cho LM350 hoạt ñộng ñiện áp ñược nạp vào cho Acquy Khi acquy ñã ñầy Q1 đóng đồng thời làm cho LM350 ngừng hoạt động đèn LED tắt Q1 đóng ðiện áp nạp ngắt khỏi acquy ðiều chỉnh dịng nạp cho acquy thơng qua biến trở P1 Diot 1N5401: Hình 3.20 Cấu tạo thống số Diot 1N5401 61 BC 547 : Hình 3.21 Cấu tạo thơng số BC547 62 Hình 3.22 Mạch đầu chạy động ñèn led - ðiốt : dùng chống cắm ngược nguồn - Tụ 10mF-25V: dùng lọc dịng cho mạch đầu - IC 7805: dùng ñể ổn ñịnh ñiện áp mức 5V - ðiện trở 1k dùng ñể bảo vệ led - Ngồi cịn có + Cơng tắc ñể ñiểu khiển ñóng mở nguồn cho ñộng ñèn + ðộng ñèn led Hình 3.23 hình ảnh tuabin gió thực tế mà đề tài ñã thiết kế chạy thử 63 Hình 3.23 Hình ảnh thực tế tuabin gió thiết kế đề tài 64 KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT Kết luận Nguồn lượng tái tạo từ gió nguồn lượng sạch, yêu cầu lượng ñiện ngày tăng, ñồng thời tiềm lượng gió nước ta lớn Do đó, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phát ñiện sức gió cơng suất nhỏ vùng chưa có ñiện lưới quốc gia vùng ven biển vấn đề mang tính thời có ý nghĩa, ñặc biệt giai ñoạn nguồn lượng truyền thống cạn kiệt dần khuyến khích sử dụng lượng tái tạo phục vụ nhu cầu lượng Tác giả luận văn ñã ñề cập ñến ñã giải ñược vấn ñề sau ñây: - Tìm hiểu lịch sử phát triển nguồn lượng gió máy phát điện chạy sức gió - ðánh giá tiềm thực trạng ứng dụng lượng gió Việt Nam - Nghiên cứu cơng nghệ biến đổi lượng gió thành điện - Phân tích khí động lực học cánh gió tuabin gió trục đứng xác định góc cánh điều khiển - Thiết kế hệ thống phát ñiện sử dụng sức gió cơng suất nhỏ Bản luận văn hồn thành tốt nhiệm vụ ñặt ra, theo ñúng yêu cầu nội dung Tuy nhiên ñây dừng lại kết nghiên cứu thiết kế mô hình chạy thử phịng thực tập, chưa chạy thử ñiều kiện thực tế hy vọng ñây tài liệu tích cực cho trình nghiên cứu thiết kế phục vụ chế tạo máy phát điện chạy sức gió cơng suất nhỏ sau 65 ðề xuất Sau q trình thực đề tài, tác giả xin ñề xuất số vấn ñề sau ñây: - Tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài để đề tài thực có ý nghĩa mặt thưc tiễn, có khả ứng dụng cao - Có sách đầu tư thoả đáng cho lĩnh vực nghiên cứu thực dự án ứng dụng nguồn lượng tái tạo, ñặc biệt ứng dụng lượng gió ñể phát ñiện - Mở rộng nghiên cứu ñề tài nghiên cứu, thiết kế hệ thống phát ñiện lai ghép sức gió với nguồn lượng tái tạo khác cỡ công suất vừa nhỏ như: Nguồn lượng mặt trời, thuỷ ñiện nhỏ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Web : www.giz.de/vietnam http://www.nchmf.gov.vn http://www.vncold.vn http://tusach.thuvienkhoahoc.com http://www.youtube.com http://www.popularmechanics.com II Tài liệu : PGS.TS.ðặng ðình Thống (2006), Cơ sở lượng tái tạo, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội PGS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo phát điện sức gió có cơng suất 10-30KW phù hợp với ñiều kiện Việt Nam, ðại học Bách Khoa Hà Nội Bùi Tấn Lợi (2006), Giáo trình máy ñiện 1, ðH BK ðà Nẵng Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2007), ðiện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật ðặng Văn Quyết (2005), Kỹ thuật ñiện tử số, Nhà xuất giáo dục Scott Beversdorf (25 May 2007), 10kW Wind generator design Grid tied, James & James Publisher (2005), Planning and Installing Photovoltaic Systems, a guide for installers, achitects and enginneers, 8-12 Camden High Street, London, OJH, UK Springer (1997), “Wind Energy” Erich Hau Springer (2005), “Wind turbine” 67 ... cu ủ ti: Nghiên cứu thiết bị công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện cho cụm dân c vùng ven biển Hải ®¶o” việc làm thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích đề tài Nghiên cứu tiếp... thuật công nghệ sử dụng lượng sức gió phát điện cung cấp điện cho cụm dân cư vùng ven biển hải đảo góp phần giảm thiểu nhiễm, bảo vệ mơi trường Thiết kết hệ thống phát ñiện sử dụng lượng gió cơng... ti Nghiên cứu thiết bị công nghệ phát điện sử dụng sức gió cung cấp điện cho cụm dân c vùng ven biển Hải đảo thầy giáo PGS.TS Trần Mạnh Hùng hướng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu