Hình 5.15: Thiết kế kết cấu hệ thống khung gá pin quang điện xoay quanh một trục 5.2.4.2. Cơ cấu dẫn động tịnh tiến
Cơ cấu dẫn động tịnh tiến có nhiệm vụ đẩy lên và kéo xuống có hành trình tối đa là 210 mm làm cho hệ pin quang điện xoay quanh một trục.
Hình 5.17: Cơ cấu dẫn động tịnh tiến lắp ráp hoàn chỉnh.
5.2.4.3. Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ khí pin quang điện xoay quanh một trục trục
Hình 5.18: Mô hình hoàn chỉnh hệ thống cơ khí
5.2.5. Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng
Bộ cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ phát hiện sự thay đổi hướng tia tới của ánh sáng mặt trời, gửi dữ liệu cho bộ xử lý điều khiển động cơ xoay hệ pin quang điện theo hướng có nhiều ánh sáng. Trong phạm vi đề tài này cảm biến ánh sáng được lựa chọn sử dụng là mô đun quang trở LDR để thiết kế bộ cảm biến cho hệ solar tracking vì loại này dễ sử dụng có giá thành thấp.
Hình 5.19a: Quang trở LDR Hình 5.19b: Mô đun quang trở
Trong thiết kế này, hai mô đun quang trở đặt ở vị trí đối diện cách nhau bởi một vách ngăn. Khi ánh sáng chiếu thẳng góc, hai tín hiệu nằm trong ngưỡng giới hạn của hai cảm biến thì động cơ DC có hộp giảm tốc không xoay. Độ sáng thay đổi thì hai cảm biến quang phát ra hai tín hiệu khác nhau đến khi vượt ngưỡng giới hạn thì động cơ DC được điều khiển xoay theo hướng làm cho hệ pin quang điện thẳng góc hướng ánh sáng.
Hình 5.21: Hộp đựng bộ cảm bỉến LDR
Hình 5.22: Vị trí lắp đặt bộ cảm biến LDR 5.2.6. Hệ thống điều khiển trung tâm
Mạch điều khiển trung tâm tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến và bộ công tắc hành trình để xuất ra tín hiệu điều khiển động cơ DC 12/24VDC có hộp giảm tốc. Mạch điều khiển trung tâm gồm có: 01 Arduino Nano, 01 mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43 A, 01 mạch hạ áp DC LM2596, 02 công tắc hành trình, 02 mô đun cảm biến quang trở.
5.2.7 Giải thuật và chương trình điều khiển 5.2.7.1 Giải thuật chương trình 5.2.7.1 Giải thuật chương trình
Lưu đồ giải thuật của chương trình điều khiển được trình bày ở hình 5.25.
5.2.7.2. Chương trình điều khiển
Chương trình điều khiển đươc viết bởi phần mềm chuyên dụng Arduino đơn giản, dễ sử dụng, tương tác với người sử dụng nên có sự hỗ trợ cao của thư viện các ví dụ mẫu có sẵn (đính kèm code của chương trình điều khiển hệ pin quang điện tự xoay một trục theo hướng mặt trời tại phụ lục số 2)
5.3. Hệ thống điều phối năng lương và ắc quy lưu trữ điện năng 5.3.1. Bộ điều khiển sạc hybrid 5.3.1. Bộ điều khiển sạc hybrid
Theo kết quả tính toán tại mục 5.1 và 5.2.3 công suất phát định mức của hệ pin Mặt trờ 200 W và máy phát điện gió là 60 W. Vậy tổng công suất của hệ thống hybrid 250 W. Áp dụng công thức 3.51, ta được:
*1,3 250*1,3 325 ( )
t
P P W
Trong phạm vi đề tải này, tác giả chọn bộ điều khiển sạc hybrid, có công suất định mức phát của hệ pin quang điện 200 Wp và máy phát điện gió 600 W. Trong đó hỗ trợ điều khiển sạc cho máy phát điện gió là 15VAC/25VAC, 3 pha.
`
5.3.2. Bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter)
Để có thể đáp ứng được tất cả tải là 955 W khi cùng sử dụng một thời điểm, áp dụng công thức 3.50 tính được công suất cần thiết bộ Inverter là 1,194 W:
*1,25 955*1,25 1,194
Inverter t
P P (W)
Trong phạm vi đề tài, tác giả lựa chọn bộ Inverter công suất 500 W có chế độ bảo vệ chống quá tải cho ắc quy.
Hình 5.27: Bộ Inverter 500W
5.3.3. Đồng hồ hiển thị công suất DC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong bộ điều khiển sạc hybrid như đã nêu trên, vẫn có chế độ hiển thị điện áp – dòng tải của hệ pin quang điện, máy phát điện gió và dung lượng của bộ ắc quy. Để thuận tiện giám sát công suất phát của hệ pin quang điện và công suất sạc ắc quy. Chọn đồng hồ hiển thị công suất tải (Watt meter) DC 0 – 60 V, 0 – 100A có chế độ chống dòng trả ngược, như sau:
Hình 2.28: Đồng hồ hiển thị công suất DC 0 – 60V, 0 – 100A 5.3.4. Dung lượng ắc quy hệ thống Hybrid
Theo mục 4.1.1 tổng tải tiêu thụ điện năng là 955 Wh/ngày, áp dụng công thức 3.46 và 3.48 tính được số lượng bình ắc quy trong ba ngày, đồng thời chọn phương án nối song song các bình ắc quy để để giữ nguyên điện áp 12 V, làm tăng dung lượng bộ ắc quy do tấm pin quang điện, bộ điện khiển sạc (Controller), bộ nghịch lưu (Inverter) hiện có thông dụng trên thị trường sử dụng 12 V. Chọn bình ắc quy có thông số 12 V – 80 Ah. Nên dung lượng của hệ thống bình ắc quy, cần có:
_ . 955*3 468 ( ) . . 12* 0,85* 0,6 OUT ac quy b E D C Ah V η DOS
Vậy số lượng bình ắc quy 12 V – 80 Ah cần cho hệ thống là 6 ắc quy: 468 5,9 6 80 ss b C n C
Trong phạm vi đề tài chỉ sử dụng 02 bình ắc quy GS 12 V – 80 Ah mắc song song để khảo nghiệm.
Hình 5.29: Hệ thống bình ắc quy 5.3.5. Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng
Tủ phân phối năng lượng có nhiệm vụ nhận nguồn điện từ hệ pin quang điện và máy phát điện tuabin gió điều khiển sạc cho hệ thống bình ắc quy, có các chế độ bảo vệ cần thiết khi nguồn tiếp nhận vượt ngưỡng cho phép thì không cho nạp, chống dòng trả ngược từ ắc quy. Các thiết bị của tủ điều phối gồm: Bộ điều khiển
sạc (Controller), 02 đồng hồ hiển thị công suất, bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter), CB 10 A và kết nối với bộ ắc quy 12 V.
Hình 5.30: Các thiết bị của tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng
5.3.6. Lắp đặt mô hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ trời công suất nhỏ
Vị trí lắp đặt máy phát tuabin gió và hệ pin quang điện ở mái sân thượng căn tin Trường Cao đẳng nghề tỉnh Binh Thuận có độ cao là 10 m.
Hình 5.32: Sơ đồ lắp ráp mô hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng
Chương 6
KIỂM NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
6.1. Kiểm nghiệm hiệu suất tấm pin quang điện tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt cố định pin quang điện đặt cố định
6.1.1. Bố trí thí nghiệm
Dùng chức năng la bàn và định vị toàn cầu (GPS) của điện thoại di động (Smart phone 3G) đặt lên mặt phẳng tấm pin quang điện có phương song song với mặt phẳng ngang để xác định hướng Đông – Tây – Nam – Bắc. Lắp đặt một tấm pin quang điện có gắn hệ thống tự xoay một trục theo hướng Đông – Tây và còn lại một tấm pin quang điện đặt trên khung gá cùng độ cao với hệ thống xoay một trục, nghiêng một góc = 210 theo bảng 5.2 có phương nằm trên trục hướng Nam – Bắc như hình 6.1. Hai tấm pin quang điện có cùng thông số kỹ thuật như bảng 5.3.
Hình 6.1: Bố trí đặt hai tấm pin quang điện
6.1.2. Các thông số đo tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục và tấm pin quang điện đặt cố định = 210 và tấm pin quang điện đặt cố định = 210
Quá trình đo được thực hiện vào lúc 8 giờ 00 phút đến 17 giờ 00 phút, từ ngày 01/4/2016 đến 07/4/2016 tại Trường Cao đẳng nghề tỉnh Bình Thuận (khoảng thời gian giữa hai lần đo là 30 phút/lần đo).
6.1.2.1. Bố trí đo điện thế, dòng điện, công suất của tấm pin quang điện
Theo hình 6.2 ngõ ra tấm pin quang điện nối nối tiếp với đồng hồ đo công suất DC và tải không đổi (Đèn LED 12 VDC, 5 W).
Hình 6.2: Sơ đồ đo công suất tấm pin quang điện
Hình 6.3: Đo công suất hai tấm pin quang điện
6.1.2.2. Bố trí đo bức xạ mặt trời và góc xoay của tấm pin quang điện đặt trên hệ thống tự xoay một trục hệ thống tự xoay một trục
Thiết bị đo bức xạ được gắn vuông góc với tấm pin quang điện và một thước đo góc 1800 được gắn vào tâm trục xoay như hình 6.4. Tấm pin quang điện có vị trí nằm ngang, vuông góc với thân khung gá có giới hạn góc xoay tối đa về hướng Đông từ 00 – +500, hướng Tây 00 – -500 như hình 6.4, 6.5 và vị trí góc xoay tương ứng giá trị thang đo trên thước góc 1800 như bảng 6.1.
Để xét sự biến đổi của góc xoay trong một giờ, chọn mốc thời gian từ 08 giờ 00 phút đến 15 giờ 00 phút, vì địa điểm đặt tấm pin quang điện ở độ cao 10 m nên ảnh hưởng thời gian của mặt trời mọc và lặn. Từ bảng 6.2 tính được từ 08 giờ 00
phút đến 09 giờ 00 phút thì tấm pin quang điện xoay được một góc 130 trong một giờ như bảng 6.3.
Hình 6.4: Dụng cụ đo gắn trên hệ thống tự xoay một trục (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 6.5: Vị trí góc xoay tối đa của tấm pin quang điện Bảng 6.1: Vị trí góc xoay của tấm pin quang điện Vị trí xoay tấm pin
quang điện Hướng Tây
Nằm
ngang Hướng Đông Góc xoay (0) -50 -40 -30 -20 -10 0 +10 +20 +30 +40 +50
6.1.2.3. Các giá trị đo điện áp, cường độ dòng điện, công suất, góc xoay, bức xạ mặt trời mặt trời
Các giá trị đo được lấy giá trị trung bình trong bảy ngày được thể hiện tại bảng 6.2, đính kèm giá trị đo từng ngày ở phụ lục số 3.
Bảng 6.2: Các giá trị đo tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục
và tấm pin quang điện đặt cố định = 210
Giờ
SOLAR TRACKING SOLAR 210
Công suất lợi hơn Bức
xạ
Góc
xoay UTR ITR PTR U21 I21 P21
(W/m2) (0) (V) (A) (W) (V) (A) (W) (%) 1 2 3 4 5 6=4x5 7 8 9=7x8 10=(6-9)/9 8h00 667 43 20,49 0,38 7,7862 20,39 0,32 6,5248 19,55 8h30 853 37 20,74 0,38 7,8812 20,73 0,3 6,2190 26,73 9h00 839 30 20,41 0,37 7,5517 20,48 0,29 5,9392 27,15 9h30 851 24 20,19 0,37 7,4703 20,26 0,29 5,8754 27,15 10h00 973 19 20,35 0,38 7,7330 20,41 0,3 6,1230 26,29 10h30 1042 16 20,35 0,37 7,5295 20,39 0,29 5,9131 27,34 11h00 971 10 20,32 0,37 7,5184 20,3 0,3 6,0900 23,45 11h30 1018 3 20,32 0,38 7,7216 20,28 0,29 5,8812 31,29 12h00 956 -4 20,38 0,37 7,5406 20,33 0,29 5,8957 27,90 12h30 959 -15 20,24 0,38 7,6912 20,2 0,29 5,8580 31,29 13h00 1050 -22 20,42 0,38 7,7596 20,37 0,31 6,3147 22,88 13h30 1023 -32 20,35 0,38 7,7330 20,3 0,29 5,8870 31,36 14h00 1002 -37 20,46 0,37 7,5702 20,45 0,29 5,9305 27,65 14h30 1020 -44 20,48 0,38 7,7824 20,53 0,3 6,1590 26,85 15h00 914 -48 20,47 0,38 7,7786 20,44 0,3 6,1320 26,85 15h30 856 -49 20,51 0,37 7,5887 20,38 0,29 5,9102 28,40 16h00 774 -47 20,56 0,38 7,8128 20,18 0,29 5,8522 33,50 16h30 657 -49 20,39 0,38 7,7482 19,61 0,29 5,6869 36,25 17h00 460 -49 20,29 0,37 7,5073 17,71 0,24 4,2504 76,63
Hiệu suất trung bình giữa tấm pin quang điện tự xoay một
Bảng 6.3: Mỗi giờ tấm pin quang điện xoay được một góc Giờ 8h00 – 9h00 9h00 – 10h00 10h00 – 11h00 11h00 – 12h00 12h00 – 13h00 13h00 – 14h00 14h00 – 15h00 Xoay được một góc (0) 13 11 9 14 19 15 11 Giá trị trung bình 12,98 0 Độ lệch chuẩn 3,170
6.1.2.4. Công suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt cố định = 210 và bức xạ nhận được của pin so với tấm pin quang điện đặt cố định = 210 và bức xạ nhận được của pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục
Hình 6.6: Biểu đồ công suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một
trục so với tấm pin quang điện đặt cố định = 210 và bức xạ nhận được của pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục.
Nhận xét: Theo hình 6.6 ta thấy công suất sản sinh ra điện năng của tấm pin
quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục luôn luôn cao hơn công suất tấm pin quang điện đặt cố định = 210 và hiệu suất trung bình cao hơn 30,41%. Trường
hợp xét đến khấu hao công suất của hệ thống tự xoay một trục có gắn hai tấm pin quang điện 100 W xoay liên tục trong một giờ (20 Wh, trong đó: động cơ DC 15 Wh và mạch điều khiền trung tâm 5 Wh) thì công suất lợi hơn so với hai tấm pin quang điện 100 W đặt cố định có góc nghiêng β = 210 là 20%. Nhưng trong thực tế, hệ thống pin quang điện tự xoay một trục chạy dao động từ 4 – 5 giờ/ngày. Đồng thời, bức xạ nhận được của tấm pin quang điện tự xoay quanh một trục có hai thời điểm công suất cao nhất tương ứng tại thời điểm đó là: vào lúc 8h30, 7,8812 W, 853 W/m2 và 16h00, 7,8128 W, 774 W/m2. Qua đó, ta thấy tại hai thời điểm 8h30 và 16h00 có nhiệt độ ngoài trời tương đối ổn định gần với nhiệt độ làm việc của tấm pin quang điện 250 C. Vì vậy, để tấm pin quang điện có công suất sản sinh ra điện năng ổn định cần có giải pháp giải nhiệt tấm pin quang điện.
6.1.2.5. Sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ trục trong mỗi giờ
Hình 6.7: Biểu đồ sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ
Nhận xét: Theo hình 6.7 ta thấy mỗi giờ tấm pin quang điện xoay được một
góc có giá trị trung bình 12,980 xung quanh trục mà tốc độ quay của trái đất 150 mỗi giờ, vậy đường trục của bộ thu pin quang điện bám theo mặt trời một trục tương đối luôn hướng thẳng góc với mặt trời.
6.1.2.6. Đánh giá
Theo các kết quả kiểm nghiệm đạt được như trên thì bộ pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục theo hướng Đông – Tây đáp ứng được khả năng cung cấp điện trên 764 Wh/ngày. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
6.2. Kiểm nghiệm máy phát điện tuabin gió
6.2.1. Bố trí đo vận tốc vòng trục tuabin, vận tốc vòng trục Dynamo, công suất phát điện Dynamo tương ứng với các chỉ số vận tốc gió phát điện Dynamo tương ứng với các chỉ số vận tốc gió
Dùng một quạt gió hướng trục có lưu lượng 4,920 m3/h có điều chỉnh tốc độ bằng mô đun điều chỉnh điện áp AC 220 V, 4,000 W tạo gió cưỡng bức để thổi tuabin gió quay, đặt cảm biến đo gió chính giữa của chiều đài cánh quạt tuabin và các thiết bị đo điện như Ampe kìm, VOM hiển thị số, chế độ hiện thị điện áp – dòng điện sạc của máy phát điện tuabin gió thích hợp trên bộ điều khiển sạc hybrid. Vì quạt gió hướng trục quay không đều nên khi tạo ra gió có tốc độ cũng không ổn định nên cài đặt đồng hồ đo tốc độ gió lấy mẫu có giá trị trung bình trung 5 phút và phạm vi tốc độ gió khảo sát từ khi khởi động được tuabin đến khi Dynamo có điện thế > 15 VAC vượt ngưỡng cho phép sạc của bộ điều khiển sạc. Các giá trị đo được trình bày ở phụ lục số 4 (Dụng cụ hỗ trợ kiểm nghiệm đính kèm phụ lục số 5).
6.2.2. Mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất phát Dynamo