Các thành phần của một máy phát điện tuabin gió trục đứng như hình 5.10.
Từ thiết kế trên, sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor của máy phát điện gió như sau:
- Lực của gió tác dụng lên cánh rotor:
Theo công thức (3.28) ta có lực của gió tác dụng lên cánh rotor với tốc độ gió 4 m/s là: 2 1 . . 18 2 D F C AV N
Lực tác dụng lên ổ đỡ gồm: lực F và moment do lực F gây ra.
Ta có M F d 18 0,655 11,79
F Nm
Hình 5.11: Sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor và ổ đỡ
Các thông số thiết kế chính như sau:
- Cánh hình dạng nữa đường tròn có: chiều dài cánh H = 0,8 (m); chiều rộng cánh b = 0,105 (m).
- Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau: 40o.
- Góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính: β = 30o - Đường kính của rotor: D = 0,7 (m)
Hình 5.12: Máy phát điện gió trục đứng cánh tròn công suất nhỏ hoàn chỉnh 5.2. Tính toán, thiết kế của hệ pin quang điện tự xoay một trục
5.2.1. Giới thiệu
Hệ thống Solar tracking là hệ thống điều khiển hệ pin quang điện tự xoay theo hướng ánh sáng, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin quang điện. Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang điện hơn so với tấm pin quang điện đặt cố định. Hiện nay, có hai giải pháp điều khiển cho hệ thống solar tracking (một trục và hai trục). Trong phạm vi đề tài này, chọn giải pháp điều khiển hệ solar tracking một trục.
5.2.2. Sơ đồ khối
Hệ thống Solar traking một trục (Thông số kỹ thuật đính kèm theo phụ lục số 1) bao gồm:
- Mô đun cảm biến quang: giám sát mức độ thay đổi ánh sáng từ hai phía Đông – Tây của mặt trời để chuyển đổi giá trị điện áp thành tín hiệu analog.
- Mạch điều khiển (gồm có: 01 mạch Arduino nano, 01 mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43 A, 01 mạch hạ áp DC LM2596): tiếp nhận tín hiệu analog của mô đun quang trở và tín hiệu digital của công tắc hành trình để điều khiển động cơ DC.
- Động cơ 12 VDC có hộp giảm tốc: để tạo chuyển động xoay cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ kết hợp cơ cấu dẫn động tịnh tiến biến chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến để hệ pin quang điện xoay một góc xung quanh trục.
- Bộ công tắc hành trình: để giới hạn góc xoay của hệ pin quang điện xung quanh một trục.
- Hệ pin quang điện: chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng.
- Hê thống cơ khí (khung gá hệ pin quang điện và cơ cấu dẫn động tịnh tiến): dùng để gá lắp các tấm pin quang điện và tạo chuyển động xoay xung quanh một trục.
Sơ đồ khối biểu diễn quan hệ giữa các thành phần được trình bày ở hình 5.13.
Hình 5.13: Sơ đồ khối của hệ pin quang điện tự xoay một trục [18] 5.2.3. Tính toán lựa chọn hệ pin quang điện
Theo mục 4.1.1 và 4.1.3 nhu cầu sử dụng điện năng là 955 Wh/ngày (Trong đó: công suất định mức hệ pin quang điện cần cung cấp là 764 Wh/ngày, còn lại năng lượng của hệ thống máy phát điện tuabin gió bổ sung là 191 Wh/ngày). Áp dụng các công thức 3.37 đến 3.40 và 3.48, 3.52 có được bảng 5.2. Từ đó, chọn pin
quang điện (solar panel) SN 100 Wp được sản xuất theo công nghệ của Đức với các thông số kỹ thuật như bảng 5.3.
Bảng 5.2: Kết quả tính toán hệ pin quang điện độc lập
Thông số Et PVpanel PPV NPV β
Đơn vị Wh Wh Wp Tấm Độ
Kết quả 764 993,2 198,64 2 210 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật pin quang điện SN 100Wp Thông
số Pmax Voc Isc Vmpp Impp
Sai số Hiệu Suất Kích thước (LxWxH) Đơn vị Wp V A V A % % mm Kết quả 100 21,5 5,58 18,9 5,3 3 14 1200x550x35
Hình 5.14.a: Tấm pin quang điện SN
100Wp
Hình 5.14.b:
Nhãn thông số kỹ thuật
Nhận xét: Theo kết quả tính toán ở bảng 5.2, 5.3 cần có 02 tấm pin
quang điện SN 100Wp để đảm bảo cung cấp năng lượng điện hàng ngày 764
Wh/ngày cho hệ thống hybrid.
5.2.4. Thiết kế kết cấu hệ thống cơ khí
Trên cơ sở kích thước và số lượng của tấm pin quang điện tại bảng 5.2 và 5.3. Hệ thống cơ khí dùng để gá đặt và cơ cấu dẫn động tịnh tiến hệ pin quang điện xoay
quanh một trục để hoạt động ổn định ngoài trời thì kết cấu cần phải vững chắc nên chọn vật liệu chế tạo là sắt mạ kẽm và nhôm.
5.2.4.1. Thiết kế hệ thống khung gá hệ pin quang điện
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) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(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