Chọn góc đặt cánh β, số lượng và kích thướ c biên dạng cánh

Theo kết quả đo thực nghiệm [3] và tính toán của [12] giữa góc đặt cánh và số vòng quay của rotor ở cùng một tốc độ gió ta thấy góc đặt cánh vào khoảng 20–

35 thì số vòng quay là cao nhất.

- Cánh có hình dạng nửa đường tròn có: chiều dài cánh H = 0,8 m; chiều rộng cánh b = 0,3 x R = 0,105 m, với R là bán kính rotor (hình 5.1).

- Số lượng cánh quạt n = 9 cánh.

- Chọn góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính: β = 30o (hình 5.2). - Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau: 40o (hình 5.2).

- Đường kính của rotor: D = 0,7 m.

Hình 5.3: Đĩa gắn cánh quạt 5.1.4. Số vòng quay của tuabin

TSR của tuabin Savonius từ 0,9 – 1,1 theo [12] và [19]. Chọn TSR = 1. - Số vòng quay của tuabin gió với tốc độ gió 4, 6, 12 m/s:

 Với tốc độ gió 4 m/s: 4 / 60 1 4 60 109,1 0,7 m s v N D             vòng/phút.  Với tốc độ gió 6 m/s: 6 / 60 1 6 60 163,7 0,7 m s v N D             vòng/phút.  Với tốc độ gió 12 m/s: 12 / 60 1 12 60 327, 4 0,7 m s v N D             vòng/phút.

Tính số vòng quay của tuabin ở tốc độ gió 12 m/s dùng để xác tính toán lựa chọn trục của tuabin gió.

5.1.5. Lựa chọn máy phát điện (Dynamo) và xác định tỉ số truyền

Để đảm bảo máy phát điện tuabin gió có công suất đầu ra nằm trong giới hạn 20 – 60 W hoạt động trong vùng tốc độ gió từ 4 – 6 m/s. Chọn Dynamo có công suất phát định mức 100 W, 12 VAC, 3 pha.

Bảng 5.1: Thông số của Dynamo Bpe-mg 100 W

P/NO, : BPE-PMG 100 Generation type: AC 3 Phase Rated Capacity: 100 VA Insulation Class: 200

Rated Voltage: 12 V Rated Current: 8 Amp

Rated Revolution: 600 r/m S/No, : 2016301562 Shenzhen BestPower Energy Technology Co.

Hình 5.4: Dynamo Bpe-mg 100 W, 12 VAC, 3 Pha

Hình 5.5: Biểu đồ giữa tôc độ vòng và công suất của Dynamo Bpe-mg 100 W,

Theo hình 5.5 để Dynamo đạt được công suất từ 20 – 60 W phải có vận tốc vòng trong khoảng 280 – 440 vòng/phút.

- Tỉ số truyền (u) giữa trục tuabin gió ở tốc độ gió 4 m/s và Dynamo với vận tốc vòng là 280 vòng/phút là: 4 / 109,1 1 280 2,57 tb m s mp n u n   

- Tỉ số truyền (u) giữa trục tuabin gió ở tốc độ gió 6m/s và Dynamo với vận tốc vòng là 440 vòng/phút là: 6 / 163,9 1 440 2,69 tb m s mp n u n   

Vậy cần chọn tỉ số truyền giữa tuabin gió và Dynamo là: nmp 3ntb

5.1.6. Bộ truyền đai

5.1.6.1. Tính toán bộ truyền đai

Để không xảy ra hiện tượng trượt trơn trong quá trình truyền động nên chọn đai răng với ký hiệu bước XL như hình 5.6.

Hình 5.6: Đai răng ký hiệu bước XL

Vì tỉ số truyền giữa trục tuabin gió và trục máy phát là 1:3 nên chọn số răng trên bánh đai dẫn 60, số răng trên bánh đai bị dẫn 20 và khoảng cách giữa hai tâm bánh đai ước lượng khoảng 120 mm.

Sử dụng công cụ tính toán Puli răng và đai răng trực tuyến (Pulley Centre Calculation) [28]. Nhập các thông số đầu vào số răng trên bánh đai nhỏ, số răng trên bánh đai lớn, chọn bước răng và loại đai răng – chiều dài dây đai theo tiêu chuẩn.

Hình 5.7: Kết quả tính toán puli răng và đai răng (Pulley Centre Calculation)

Thông số của puli răng và đai răng với ký hiệu bước XL theo [28], [29], như sau:

- Chiều dài đai: L = 457,2 mm. - Bước răng pitch =5,08 mm - Bề dày H = 2,27 mm. - Bề rộng đai b = 9,398 mm. - Tải trọng riêng qm = 60 N/m.

- Đường kính puli đai dẫn động d1 = 97,021 mm. - Đường kính puli đai bị dẫn d2 = 32,340 mm.

- Khoảng cách thực giữa hai tâm puli a = 122,739 mm.

Vậy chọn đai răng có ký hiệu 180XL-037 phù hợp với các thông số yêu cầu như trên.

5.1.6.2. Lực tác dụng lên trục

Theo công thức 3.15, ta có:

- Công suất thực tế của tuabin gió với tốc độ gió 4 m/s thu được là:

Pt = 1 3 1 3

. . .A.v *0,99*0,95*0,35*1, 225*0,56* 4 7, 2

2cp  2  (W)

Trong đó: m=𝜂ổ 𝑙ă𝑛∗ 𝜂đ𝑎𝑖 (𝜂ổ 𝑙ă𝑛= 0,99 – 0 ,995), 𝜂đ𝑎𝑖= 0,95 – 0 ,96) [8]; Cp

= 0,35, v = 4 m/s.

Theo mục 5.1.5 và 5.1.6.1, ta có: (d1 = 97,021 mm; n1 = ntb = 93,3 vòng/phút; d2 = 32,340 mm, n2 = nmp = 280 vòng/phút; a = 122,739 mm, giả sử hệ số ma sát của đai răng cao su f = 0,2).

- Công suất truyền của tuabin gió: * 7,2 t t P F V  (W); khi đó: Ft (N), V (m/s) Với 1 1 3 1 1 2 * 2 *93,3*97,021 * * *10 0, 47 60 2 60* 2 n d V  r        (m/s) 1 2 7, 2 15,3 ( ); 15,3 ( ) 0, 47 t t P F N F F N V       

- Tính góc ôm trên bánh đai nhỏ:

0 0 2 1 1 ( ) (97,021 32, 122,739 340) 180 57 d d 180 57 149,96 150 2,62(rad) a           0 180 150 30      ; - Lực tác dụng lên trục: Áp dụng phương trình Euler: ' 1 * 1 2 2,85 f v v F F e F F      (vỉ V < 10 m/s bỏ qua lực vòng Fv; hệ số ma sát thay thế ' / ( ) 0, 2 / (30) 0, 4 f  f Sin   Sin  ). 1 1 2 2 2,85 2,85 F F F F     , mà ta có: F1F2 15,3  F1 23,6 ( );N F2 8,3 ( )N

Vậy lực tác dụng lên trục với tốc độ gió 4 m/s và 12 m/s là: 1 (4 / ) 1 2 150 ( ) *sin( ) (23,6 8,3) *sin( ) 30,81 ( ) 2 2 r m s F  F F     N

1 (12 / ) 1 2 150 ( ) *sin( ) (180 63) *sin( ) 234,7 ( ) 2 2 r m s F  F F     N 5.1.7. Chọn vật liệu trục

Vì trục tuabin gió chỉ có nhiệm vụ truyền moment xoắn từ trục sang máy phát mà không mang thêm các chi tiết khác. Với lực tác dụng lên trục thấp (234,7 N) và nhằm mục đích giúp trục quay nhanh hơn nên có thể chọn vật liệu là nhôm thay vì thép CT5 không nhiệt luyện.

Hình 5.9: Trục tuabin gió Þ 42, dài 1,150 mm

5.1.8. Thiết kế máy phát điện gió

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

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)

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