Kiểu cánh được sử dụng là kiểu Lenz2. Có đường kính phủ ngoài của cánh là 1,2m, chiều cao của cánh chọn = 1,2m. Loại tuabin là loại trục đứng vì vậy ta tính cho tổng tiết diện cánh 1,44m2.
Vậy năng lượng gió thu được từ diện tích cánh A được tính như sau: 477,02 W
Công suất cơ làm quay trục roto:
(W)
Trong đó với loại kiểu dạng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8
6
Chiều quay
Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0,389
Hiệu suất máy phát: vì đây là động cơ công suất nhỏ, hiệu suất máy phát thay đổi từ 0.4 – 0.8.
206 – 412 (W)
trong đó: là hiệu suất của máy phát.
Bảng3.1: Thông số kỹ thuật cho cánh tua bin máy phát
Hạng mục Chỉ tiêu
Công suất định mức cánh 400W
Công suất cánh cực đại 600W Tốc độ gió khởi động 1.5m/s
Tốc độ gió thổi qua cánh 4~8m/s
Số lượng cánh 3
Đường kính phủ ngoài cánh 1.5 m
Chiều cao cánh 1.2m
Tốc độ quay định mức 60~260rpm
Khối lượng máy phát 18 Kg
Điện áp sạc acqui 12VDC
3.2. Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin:
3.2.1. Thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ:
Tính toán thiết kế cho máy phát điện gió công suất nhỏ, loại turbine trục đứng và kiểu dáng cánh Lenz2. Để đơn giản, đề tài nghiên cứu tóm tắt toàn bộ các khâu thiết kế:
Xác định ước lượng diện tích cánh A sẽ thiết kế trong máy phát điện gió: (m2)
trong đó:
o dm: là đường kính cánh roto, đơn vị m o h: là chiều cao cánh roto, đơn vị m
Tính công suất gió tối đa thu được ứng với diện tích cánh roto A (m2), khi tính ở nhiệt độ bình thường. Để tính công suất thu được sử dụng công thức:
Tính công suất cơ làm quay trục roto: (W). Đối với loại kiểu dạng cánh Lenz2 có tỷ số tối ưu TSR là 0.8. Nên sử dụng công thức: Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0.389
Công suất truyền qua bộ truyền động với hiệu suất truyền động là (W)
Để xác định được hiệu suất truyền động: Tính tốc độ quay của roto cánh gió:
với
Công suất ngõ ra Pout của máy phát
(W) là hiệu suất của máy phát.
Kiểm tra công suất ngõ ra Pout
Nếu Pout< Pe thì phải tăng diện tích cánh
3.2.2. Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió:
Cánh tuabin:
o Cung tròn nhỏ cho cánh = 0.1875* đường kính vòng tròn lớn = 0,1875*1200 = 225 mm
Với chọn đường kính VT lớn = 1,2m o Chiều dài đuôi cánh nhỏ = 0.4*đường kính tuabin
= 0,4*1200 = 480 mm
o Cánh tuabin được thiết kế theo hai công thức trên, cánh được đặt lệch 90 theo như hình vẽ.
3.2.3. Các thiết bị phụ trong tuabin gió:
Hình 3.3: Hình chiếu bằng khi có xương cánh
Để thuận tiện thi công chế tạo đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, vật liệu cánh được làm bằng tôn có độ dày 0.45 mm, được gò lại và có các thanh dằn bằng thép để đảm bảo độ vững chắc và lực tác động của gió vào cánh quạt.
3.2.4. Động lực học cánh gió tuabin. Hình 3.4: Véc tơ vận tốc tác dụng lên turbine 3 cánh Xét cánh số 1 Ta có Wr1= Vsin( = Vsin 2 HƯỚNG GIÓ w v u 3 2
Wt1= U-Vcos( = U + Vcos
tg =
tg
Đặt =
với được gọi là tỉ số tốc độ Trong đó: là vận tốc góc.
r là bán kính quỹ đạo quay của cánh
Hình 3.5: Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 1
Xét cánh số 2
Ta có Wr2= Vsin( = Vsin Wt2= Vcos( = -(U + Vcos )
(2) + (3) (1) HƯỚNG GIÓ
tg
Hình 3.5: Véc tơ vận tốc tác dụng lên cánh số 3
tg
Tổng hợp các kết quả trên cho ta thấy các thành phần của xác định theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến trên các cánh là:
Wt= U + Vcos ; Wr2= Vsin Ta có
Wt= U + Vcos = r
Vận tốc W được dùng để xác định lực tác dụng lên cánh, W được tính như sau:
= (r 2 + Góc Tg = Ta có giá trị lớn nhất của tỉ số tốc độ HƯỚNG GIÓ
Với C là số lượng cánh turbine Lựa chọn số cánh :
Đặc trưng của cánh và cách bố trí cánh cho tua bin là ở vị trí thuận với chiều gió nên không gây cản. Vì vậy công suất hệ thống chính bằng công suất có ích.
Công suất của trục quay được tính theo công thức: =
Trong đó :
: là momen của trục (Nm)
: là số vòng quay của trục (vòng /giây) Áp lực gió được tính :
F =
Trong đó :
Cp là hệ số cản phụ thuộc vào hình dạng của vật thể hoặc kết cấu , Cp của dạng cánh được chọn được tính bằng công thức : Cp = 0,196(TSR)+0,23233 = 0,389.
là trọng lượng riêng của không khí, = 1,25 Kg/m3 A : là diện tích cánh tua bin
Vận tốc W được dùng để xác định lực tác dụng lên cánh, W được tính như sau:
=
Qua khảo sát biểu đồ gió tại Đồng Nai, tốc độ gió ở độ cao 10m cáo tốc độ gió trung bình là 6m/s, ta sử dụng tốc độ gió trung bình này để tính toán.
= 261+30cos
Từ các biểu thức trên ta có biểu thức tính tổng quát công suất hệ thống cho tuabin như sau:
tg
=
Trong đó;
: vận tốc của gió dùng để khảo sát (chọn tùy từng loại khu vực khác nhau có vận tốc gió khác nhau) (m/s)
: vận tốc góc : góc nâng
: góc hợp bởi vận tốc thực và vận tốc vòng của gió tác dụng lên cánh : tỷ số tốc độ (tùy thuộc vào số lượng cánh turbine được chọn)
: trọng lượng riêng của không khí
( = 15kg/m3) Cp – hệ số cản ta có Cp của 5 cánh phẳng Cp= 1.28, Cp của dạng cánh tròn là Cp =0,389
Áp dụng các biểu thức tổng quát ta sẽ lần lượt tính được công suất hệ thống cho turbine có số cánh tùy ý ứng với từng giá trị V, , , , khác nhau. Với trường hợp thiết kế turbine của tác giả đã lựa chọn các giá trị:
V = 6 (m/s) ;
.r = 2,5V = 2,5.6 = 15 ;
Như phần trên đã chỉ ra, ta chỉ tính toán lựa chọn số cánh tối ưu cho turbine cánh đã chọn làm thực nghiệm là 3 cánh. Do vậy, ta sẽ tính công suất cho turbine có số cánh lần lượt là 3 cánh. Với mỗi turbine ta sẽ xét ở 2 vị trí cánh khác nhau để tìm ra vị trí cho công suất lớn hơn. Từ giá trị công suất lớn mỗi turbine với cùng điều kiện làm việc, kết hợp với chi phí chế tạo cánh ta sẽ lựa chọn turbine đạt công suất hệ thống lớn nhất mà tiêu tốn vật liệu chế tạo phù hợp làm turbine để thiết kế có số cánh tương ứng.
3.2.5. Tính công suất hệ thống cho turbin 3 cánh:
Hình 3.6: Vị trí thứ nhất của cánh
Hình 3.7: Vị trí thứ hai của cánh
Bảng 3.2: Bảng giá trị công suất hệ thống cho turbine 3 cánh
Vị trí Vị trí 1 Vị trí 2 W2 Cánh 1 56,25 286,9 Cánh 2 - 286,9 tgφ Cánh 1 0 0,174 Cánh 2 - -0,174 φ Cánh 1 00 9,870 Cánh 2 - -9,870 F Cánh 1 45.A 69.A Cánh 2 - 69.A P 45..r.S 138..r.A
Căn cứ vào kết quả tính công suất hệ thống ở bảng 6, nhận thấy công suất hệ thống của turbine ở vị trí thứ hai lớn hơn ở vị trí thứ nhất. Kết quả là lựa chọn công suất hệ thống P = 138..r.S ở vị trí thứ hai để tính toán.
3.3. Lựa chọn pin năng lượng mặt trời
Hiện nay trên thị trường pin năng lượng mặt trời có rất nhiều các nhãn hàng
cung cấp mặt hàng này. Trong đề tài này tôi có khảo sát một số các nhãn hàng
và kiểm tra các thông số kỹ thuật như sau:
CÔNG TY TNHH DỊCH VỤ, THƯƠNG MẠI VÀ ĐẦU TƯ HƯNG GIA Thông số kỹ thuật
- Công suất cực đại: 40W - Loại cell: silic đa tinh thể
- Điện áp hở mạch (Voc): 16,8V - Điện áp cực đại (Vmp): 17V - Dòng ngắn mạch (Isc): 2.48A - Dòng điện (Imp): 3.04A - Trọng lượng: 5.5kg - Xuất xứ: Thượng Hải - Trung Quốc - Giá thành sản phẩm: 2.600.000 đồng
Công ty TNHH Gia Nam
Thông số kỹ thuật - Moddel; CNCB40 W - Điện thế làm việc tối ưu: 17 V - Dòng điện làm việc tối ưu: 2,36A - Điện áp mạch hở: 21V - Dòng điện ngắn mạch: 2.64A - Kích thước: 645x540x30mm - Trọng lượng : 4,5 kg - Giá thành sản phẩm: 3.200.000 đồng
AD solar All solar panel from AD solar energy
Thông số kỹ thuật - Moddel; CNCB40 W - Điện thế làm việc tối ưu: 17,3 V - Dòng điện làm việc tối ưu: 2,3A - Điện áp mạch hở: 21,8V - Dòng điện ngắn mạch: 2.6A - Kích thước: 625x532x32mm - Trọng lượng : 4 kg - Xuất xứ: Thượng Hải - Trung Quốc - Giá thành sản phẩm: 2.800.000 đồng
Solar world the sun powered company
Thông số kỹ thuật - Điện thế làm việc tối ưu: 17,8 V - Dòng điện làm việc tối ưu: 2,41A - Điện áp mạch hở: 21,5V - Dòng điện ngắn mạch: 2.25A - Kích thước: 625x532x32mm - Trọng lượng : 4 kg
- Xuất xứ: Đài Loan
- Giá thành sản phẩm: 2.500.000 đồng
Qua kinh nghiệm nhiều năm làm việc trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng và là người trực tiếp vận hành các loại đèn chiếu sáng. Trong đó có một số các đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. Tôi nhận thấy việc lựa chọn pin năng lượng cho đề tài cần phải có những nhãn hàng có uy tín và chất lượng. Với các yêu cầu cần nguồn cung cấp cho hệ thống năng lượng chiếu sáng hybrid do đó tôi đã chọn đơn vị cung cấp là Solar World the Sun powered Company với các thông số như trên. Do đây là đơn vị cung cấp có uy tín các thông số về kỹ thuật đạt yêu cầu của đề tài đưa ra và đặc biệt là giá thành sản phẩm có thể chấp nhận được.
Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG
4.1. Nghiên cứu mạch điện MPP, “Maximum Power Point”, để thu được công suất lớn nhất tại mọi thời điểm khi vận tốc gió thay đổi.
4.1.1. Giới thiệu:
Năng lượng gió có nhược điểm lớn là tốc độ gió thay đổi liên tục vì vậy công suất nhận được từ máy phát cũng dễ dàng thay đổi liên tục không ổn định. Vì năng lượng gió là phi tuyến nên rất khó thiết lập phương pháp tuyến tính để kiểm soát công suất. Đồng thời công suất phát của tuabin phụ thuộc vào tốc độ quay của roto và tốc độ gió hay điểm hoạt động công suất tối ưu. Chính vì các lý do đó đề tài nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển có khả năng dò điểm hoạt động có công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) mà không phân biệt loại máy phát điện nào sử dụng, bộ điều khiển sẽ điều khiển thông số dòng điện và điện áp đầu ra của máy phát một cách tự động, điều chỉnh sao cho công suất phát nhận được ứng với tốc độ gió là tối đa. Tổn thất điện năng của máy phát điện gió đạt giá trị tối thiểu, và làm giảm năng lượng thất thoát của năng lượng gió.
Hình 4.1: Đặc tuyến công suất theo tốc độ quay tuabin
4.1.2. Mạch biến đổi điện áp DC/DC:
Điện áp đầu ra của tuabin gió thay đổi liên tục theo tốc độ gió, có thể cao hơn hoặc thấp hơn điện áp nạp acqui vì vậy cần sử dụng mạch biến đổi điện áp dc/dc tích hợp giải thuật MPPT với mục đích thu được công suất cực đại và tạo điện áp ngõ ra phù hợp để sạc acqui.
Một số bộ biến đổi điện áp DC/DC, năng lượng nhận từ đầu vào sẽ được lưu trữ và giải phóng từ từ trường của cuộn dây hoặc máy biến áp, những bộ biến đổi hoạt động trong dãi 300kHz tới 10MHz. Được điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ điện áp nạp (thay đổi thời gian đóng/mở), công suất truyền qua sẽ được điều khiển. Thông thường, bộ biến đổi điện áp sẽ điều khiển điện áp ngõ ra, do vậy nó được ứng dụng điều khiển dòng điện ngõ vào, dòng điện ngõ ra, hoặc duy trì công suất không đổi. Một số loại biến đổi điện áp DC/DC flyback:
Mạch nâng áp – Boost: Điện áp ngõ ra cao hơn điện áp ngõ vào. Cực tính điện áp ngõ
ra giống cực tính ngõ vào.
Mạch hạ áp – Buck: Điện áp ngõ ra thấp cao hơn điện áp ngõ vào. Cực tính điện áp
ngõ ra giống cực tính ngõ vào.
Hình 4.2: Mạch Buck
Mạch nâng hạ áp – Sepic: Điện áp ngõ ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn ngõ vào. Cực
tính điện áp ngõ ra giống cực tính ngõ vào.
Hình 4.3: Mạch Sepic
Mạch nâng hạ áp – Inverting Buck-Boost: Điện áp ngõ ra có thể cao hơn hoặc thấp
hơn ngõ vào. Cực tính điện áp ngõ ra ngược cực tính ngõ vào.
Hình 4.4: Mạch nâng hạ áp
Mạch nâng hạ áp – Cuk: Điện áp ngõ ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn ngõ vào. Cực
tính điện áp ngõ ra ngược cực tính ngõ vào.
Điện áp ngõ ra của tuabin gió có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nạp acqui vì vậy ta cần dùng mạch biến đổi điện áp DC/DC có khả năng tăng hoặc giảm áp. Với những lý do trên ta chọn mạch Sepic ứng dụng trong đề tài này.
4.1.3. Lý thuyết MPPT:
Năng lượng gió tiềm năng lớn nhưng tốc độ gió thay đổi liên tục trong ngày. Tổng công suất tạo ra từ hệ thống chuyển đổi năng lượng gió phụ thuộc vào độ chính xác của những điểm công suất cực đại được theo dõi bởi bộ điều khiển MPPT được tích hợp trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Những giải thuật để tạo ra công suất cực đại được nghiên cứu từ lâu và được chia thành ba phương pháp điều khiển chính, điều khiển theo tỷ số tốc độ đỉnh (Tip Speed Ratio - TSR), điều khiển giá trị công suất trả về (Power Signal Feedback - PSF) và điều khiển leo đồi (Hill-Climb Search - HSC).
Phương pháp điều khiển tỷ số tốc độ đỉnh (TSR) điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để duy trì giá trị tối ưu của tỷ số tốc độ đỉnh tại tại vị trí công suất phát là cực đại. Phương pháp này yêu cầu phải đo được tốc độ gió và tốc độ quay của tuabine hoặc ước lượng giá trị tỷ số tốc độ đỉnh tối ưu của tuabine để hệ thống có thể tạo ra công suất cực đại.
Hình 4.6: Hệ thống điện gió có điều khiển tốc độ gió
Phương pháp giá trị công suất trả về (PSF), phương pháp này yêu cầu phải biết được đặc tuyến công suất cực đại của tuabine, và bám theo đồ thị thông qua điều khiển cơ khí. Đồ thị công suất cực đại cần được xác định qua mô phỏng hoặc thí nghiệm độc lập của tuabine gió. Trong phương pháp này, công suất đặt được tạo ra hoặc sử dụng đường cong công suất cực đại hoặc sử dụng các phương trình cơ học của tuabine gió ứng với tốc độ gió hoặc tốc độ quay roto là thông số đầu vào.
Hình 4.7: Hệ thống điện gió có điều khiển tốc độ quay
Giải thuật điều khiển leo đồi (HCS) liên tục tìm kiếm điểm công suất cực đại của tuabine gió. Phương pháp điều khiển này có thể khắc phục một số nhược điểm gắn liền với hai phương pháp trên. Giải thuật bám, phụ thuộc vào vị trí điểm hoạt động và mối liên hệ giữa sự thay đổi của công suất và tốc độ, tính toán tối ưu giá trị để lái hệ thống đạt được điểm công suất cực đại.
Hình 4.8: Lưu đồ giải thuật HCS
Giải thuật HCS thường được triển khai qua hai loại giải thuật sau: tạo nhiễu vào quan sát (Perturb and Observe), gia số dẫn ( Incremental Conductance - INC).
Phương pháp tạo nhiễu và quan sát (P&O):
Phương pháp P&O là phương pháp MPPT thường được sử dụng nhất bởi vì phương pháp này đơn giản. Trong lúc đang hoạt đông, điện áp đầu cuối được tạo nhiễu liên tục và đo đạt công suất đầu ra. Nếu công suất tăng bởi vì ảnh hưởng nhiễu của