Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ

TÓM TẮT Năng lượng mối quan tâm hàng đầu nước giới, bối cảnh nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt Vì việc áp dụng khoa học kỹ thuật khai thác, sử dụng nguồn lượng thay cho nguồn lượng hóa thạch truyền thống mối quan tâm hàng đầu nhân loại Mơ hình lai (hybrid) phương pháp hữu hiệu sản xuất điện tồn giới Nhiều cơng trình nghiên cứu thực tiếp tục tiến cho hệ thống Đề tải đề xuất hệ thống tuabin sử dụng lượng gió kết hợp lượng mặt trời sinh điện lưu trữ vào ắc quy dự phòng Hệ thống thiết kế, tích hợp nguồn lượng điện quy mô nhỏ đáp ứng phần nguồn điện sinh hoạt cho nơi khơng có điện lưới quốc gia vùng xa xôi hải đảo Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình máy phát điện gió kết hợp lượng mặt trời cơng suất nhỏ” nhằm nghiên cứu, tính tốn chế tạo hệ thống lai sử dụng hai nguồn lượng từ gió mặt trời áp dụng vào thực tế sống; đặc biệt cho địa phương có tiềm dồi hai nguồn lượng xanh iv ABSTRACT Energy security has been a major concern throughout the human history, especially when fossil fuels are becoming depleted, The demand of finding and developing alternative energy resources is more crucial then ever, Some of the very essential sources are the renewable energy which solar energy and wind energy are the two most abundant sources that human can rely on Combined system to harvest several types of green energy is an effective way to take the advantage of each source Hybrid model for solar and wind energies has been widely studied recently This thesis investigates a hybrid energy system combining solar photovoltaic and wind turbine with backup storage batteries The hybrid system was designed, integrated and optimized to provide electrical energy on the household scale to rural and remote areas where electric grid is not available The thesis “Research, design and fabricate small scale hybrid power system for solar and wind energy” aimed to make a hybrid model to create electricity from solar and wind energy, This research is very practical for central coastal provinces such as Binh Thuan where wind and solar enegy are extremely abundant v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH VẼ xii DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvii Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài .2 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .2 1.3.1 Ý nghĩa khoa học 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài .3 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: 1.7 Các nghiên cứu nước 1.7.1 Các nghiên cứu nước 1.7.2 Các nghiên cứu nước 1.8 Định hướng nghiên cứu 1.9 Nội dung luận văn Chương TỔNG QUAN vi 2.1 Tổng quan lượng gió 2.1.1 Tiềm gió Việt Nam 2.1.2 Tiềm gió tỉnh Bình Thuận 2.2 Tổng quan máy phát điện gió 10 2.2.1 Các loại máy phát điện gió cơng suất nhỏ 10 2.2.1.1 Tuabin gió trục ngang (HAWT) 10 2.2.1.2 Tuabin gió trục đứng (VAWT) 11 2.2.2 So sánh HAWT VAWT 11 2.3 Tổng quan lượng mă ̣t trời Việt Nam, tỉnh Bình Thuận 12 2.3.1 Tiềm năng lượng xạ mặt trời Việt Nam 12 2.3.2 Tiềm năng lượng xạ mặt trời Bình Thuận .13 2.4 Tổng quan pin quang điện .15 2.4.1 Pin quang điện 15 2.4.1.1 Giới thiệu .15 2.4.1.2 Cấu tạo 15 2.4.1.3 Nguyên lý hoạt động 16 2.4.1.4 Phân loại pin quang điện .18 2.4.2 Ưu nhược điểm pin quang điện 20 2.5 Hệ thống phát điện hỗn hợp lượng gió - mặt trời 20 2.5.1 Các thành phần hệ thống 20 2.5.2 Ưu nhược điểm 21 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .22 3.1 Tuabin gió 22 3.1.1 Định luật Bezt .22 3.1.2 Hệ số công suất Cp .23 3.1.3 Tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR 25 3.1.4 Số cánh quạt 26 3.1.5 Đường cong cơng suất lý tưởng tuabin gió 26 3.1.6 Lực tác dụng lên rotor 27 vii 3.1.7 Ảnh hưởng chiều cao tháp tuabin gió 29 3.1.8 Cơng suất gió trung bình tính theo hàm mật độ xác suất Rayleigh 30 3.2 Hệ thống pin quang điện 30 3.2.1 Các đặc trưng điện pin quang điện 30 3.2.1.1 Sơ đồ tương đương 30 3.2.1.2 Phương trình tương đương pin quang điện 31 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin quang điện 31 3.2.1.4 Phương trình tương đương pin quang điện 32 3.2.2 Góc nghiêng dàn pin quang điện 34 3.2.3 Xác định tổng lượng hàng ngày hệ pin quang điện .35 3.2.4 Tính công suất hệ pin quang điện (Watt Peak) 35 3.2.5 Số lượng pin quang điện 35 3.2.6 Tính số mơ đun pin quang điện mắc song song nối tiếp 35 3.3 Tính, lựa chọn cụm điều khiển lưu trữ điện 36 3.3.1 Dung lượng ắc quy axit – chi .36 3.3.2 Công suất nghịch lưu DC-AC (Inverter) 37 3.3.3 Bộ điều khiển sạc 37 Chương PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 39 4.1 Phân tích yêu cầu .39 4.1.1 Tải tiêu thụ 39 4.1.2 Vị trí địa lý, khí hậu vị trí lắp đặt 39 4.1.3 Chọn tỉ lệ công suất định mức phát hệ pin quang điện tuabin gió 40 4.2 Phương án thiết kế tuabin gió 40 4.2.1 Yêu cầu thiết kế 40 4.2.2 Các phương án thiết kế .40 4.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế 41 4.3 Phương án thiết kế hệ pin quang điện bám theo mặt trời 42 4.3.1 Yêu cầu thiết kế 42 4.3.2 Các phương án thiết kế .42 viii 4.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế 42 Chương THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – MẶT TRỜI 44 5.1 Tính tốn, thiết kế tuabin gió .44 5.1.1 Xác định diện tích quét .44 5.1.2 Năng lượng điện nhận hàng ngày từ hệ thống điện gió .44 5.1.3 Chọn góc đặt cánh β, số lượng kích thước - biên dạng cánh 45 5.1.4 Số vòng quay tuabin .47 5.1.5 Lựa chọn máy phát điện (Dynamo) xác định tỉ số truyền .47 5.1.6 Bộ truyền đai .49 5.1.6.1 Tính tốn truyền đai 49 5.1.6.2 Lực tác dụng lên trục .51 5.1.7 Chọn vật liệu trục 52 5.1.8 Thiết kế máy phát điện gió 52 5.2 Tính tốn, thiết kế hệ pin quang điện tự xoay trục .54 5.2.1 Giới thiệu 54 5.2.2 Sơ đồ khối 54 5.2.3 Tính tốn lựa chọn hệ pin quang điện 55 5.2.4 Thiết kế kết cấu hệ thống khí 56 5.2.4.1 Thiết kế hệ thống khung gá hệ pin quang điện 57 5.2.4.2 Cơ cấu dẫn động tịnh tiến 57 5.2.4.3 Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống khí pin quang điện xoay quanh trục 58 5.2.5 Thiết kế cảm biến ánh sáng 59 5.2.6 Hệ thống điều khiển trung tâm 60 5.2.7 Giải thuật chương trình điều khiển 63 5.2.7.1 Giải thuật chương trình 63 5.2.7.2 Chương trình điều khiển 64 5.3 Hệ thống điều phối lương ắc quy lưu trữ điện 64 ix 5.3.1 Bộ điều khiển sạc hybrid 64 5.3.2 Bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter) 66 5.3.3 Đồng hồ hiển thị công suất DC 66 5.3.4 Dung lượng ắc quy hệ thống Hybrid 67 5.3.5 Tủ điều phối lượng lưu trữ điện 68 5.3.6 Lắp đặt mơ hình máy phát điện lượng gió kết hợp lượng mặt trời công suất nhỏ 70 Chương KIỂM NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 71 6.1 Kiểm nghiệm hiệu suất pin quang điện tự xoay trục so với pin quang điện đặt cố định 71 6.1.1 Bố trí thí nghiệm 71 6.1.2 Các thông số đo pin quang điện gắn hệ thống tự xoay trục pin quang điện đặt cố định  = 210 71 6.1.2.1 Bố trí đo điện thế, dịng điện, cơng suất pin quang điện .72 6.1.2.2 Bố trí đo xạ mặt trời góc xoay pin quang điện đặt hệ thống tự xoay trục 72 6.1.2.3 Các giá trị đo điện áp, cường độ dịng điện, cơng suất, góc xoay, xạ mặt trời 74 6.1.2.4 Công suất pin quang điện gắn hệ thống tự xoay trục so với pin quang điện đặt cố định  = 210 xạ nhận pin quang điện gắn hệ thống tự xoay trục 75 6.1.2.5 Sự biến động góc xoay pin quang điện hệ thống tự xoay trục 76 6.1.2.6 Đánh giá .77 6.2 Kiểm nghiệm máy phát điện tuabin gió .77 6.2.1 Bố trí đo vận tốc vịng trục tuabin, vận tốc vịng trục Dynamo, cơng suất phát điện Dynamo tương ứng với số vận tốc gió 77 6.2.2 Mối liên hệ tốc độ gió cơng suất phát Dynamo .78 6.2.3 Mối liên hệ vận tốc vịng Dynamo cơng suất phát 78 x 6.2.4 Mối liên hệ vận tốc vịng Dynamo tốc độ gió nhận tuabin 79 6.2.5 Mối liên hệ vận tốc vịng Dynamo cơng suất phát - tốc độ gió .80 6.2.6 Đánh giá 80 Chương KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 81 7.1 Kết luận 81 7.2 Đề nghị .81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 85 xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dự án phong điện (Bình Thuận) Hình 1.2: Dự án điện - gió kết hợp máy phát điện diesel (Phú Quý - Bình Thuận) Hình 1.3: Trạm phát điện hỗn hợp lượng gió mặt trời Hình 2.1: Bản đồ gió độ cao 65 m [20] Hình 2.2: Bản đồ gió độ cao 30 m [20] Hình 2.3: Tuabin đón gió từ phía sau [9] 10 Hình 2.4: Tuabin đón gió từ phía trước [9] .10 Hình 2.5: Các loại tuabin gió trục đứng 11 Hình 2.6: Cấu tạo tuabin trục đứng trục ngang [11] 11 Hình 2.7: Cấu tạo tế bào pin quang điện 16 Hình 2.8: Cấu tạo pin quang điện [17] .16 Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động pin quang điện [11] 17 Hình 2.10: Một số tế bào pin quang điện ghép thành mô đun, 17 số mô đun ghép thành hệ pin quang điện [17] 17 Hình 2.11: Các phương pháp lắp đặt pin quang điện [17] 18 Hình 2.12: Cấu trúc gấp pin quang điện vô định hình Si [10] 18 Hình 2.13: Cấu trúc điển hình pin quang điện màng mỏng hệ CuInSe2 [10] 19 Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc pin quang điện hệ vật liệu CdTe [10] 19 Hình 2.15: Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp lượng gió - mặt trời 21 Hình 2.16: Trạm phát điện hỗn hợp lượng mặt trời gió với công suất 8,6 kW .21 Trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng 21 Hình 2.17: Trạm phát điện hỗn hợp lượng mặt trời gió với công suất kW 21 Ga Nha Trang, Khánh Hòa 21 Hình 3.1: Ống động lực học Bezt điều kiện lý tưởng [3] 23 xii Hình 3.2: Đường cong cơng suất lý tưởng tuabin gió [11] 27 Hình 3.3: Lực tác dụng lên cánh [3] 27 Hình 3.4: Giá trị cản gió số hình dạng hình học [3] 29 Hình 3.5: Mạch điện tương đương pin quang điện [11] .30 Hình 3.6: Mơ hình pin quang điện ốt lý tưởng [11] 32 Hình 3.7: Mơ đun pin quang điện [11] 33 Hình 3.8: Đặc tuyến I-V với xạ khác [11] 34 Hình 3.9: Đặc tuyến P-V với xạ khác [11] 34 Hình 4.1: Mơ hình tuabin gió trục đứng cánh trịn [3] 40 Hình 4.2: Mơ hình tuabin gió trục đứng cánh NACA 41 Hình 4.3: Mơ hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời trục [18] 42 Hình 4.4: Mơ hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục [26] 42 Hình 5.1: Kích thước biên dạng cánh 45 Hình 5.2: Bản vẽ thiết kế góc đặt cánh đĩa gắn cánh quạt 46 Hình 5.3: Đĩa gắn cánh quạt 47 Hình 5.4: Dynamo Bpe-mg 100 W, 12 VAC, Pha 48 Hình 5.5: Biểu đồ tơc độ vịng cơng suất Dynamo Bpe-mg 100 W, .48 12 VAC, Pha theo đánh giá nhà sản xuất [33] 48 Hình 5.6: Đai ký hiệu bước XL 49 Hình 5.7: Kết tính tốn puli đai (Pulley Centre Calculation) 50 Hình 5.8: Bộ truyền đai hồn chỉnh 50 Hình 5.9: Trục tuabin gió Þ 42, dài 1,150 mm 52 Hình 5.10: Thiết kế kết cấu máy phát điện gió trục đứng cơng suất nhỏ 52 Hình 5.11: Sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor ổ đỡ 53 Hình 5.12: Máy phát điện gió trục đứng cánh trịn cơng suất nhỏ hồn chỉnh 54 Hình 5.13: Sơ đồ khối hệ pin quang điện tự xoay trục [18] 55 Hình 5.14.a: Tấm pin quang điện SN 100Wp 56 Hình 5.14.b: .56 Nhãn thông số kỹ thuật .56 xiii ... ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình máy phát điện gió kết hợp lượng mặt trời cơng suất nhỏ? ?? hình thành thiết bị phù hợp phục vụ việc sản xuất điện cơng suất nhỏ địa phương có tiềm năng, đặc... hỗn hợp gió – mặt trời qui mơ nhỏ phù hợp với điều kiện gió xạ mặt trời tỉnh Bình Thuận - Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời khảo nghiệm để xác định chế độ vận... hai nguồn lượng xanh địa phương, nghiên cứu phân tích u cầu kỹ thuật thiết kế, chế tạo mơ hình thiết bị sản xuất điện công suất nhỏ kết hợp nguồn lượng gió mặt trời nhận nhiều quan tâm nghiên cứu