Công suất của tế bào pin quang điện thông thường khoảng 2 W và điện áp khoảng 0,5 V. Vì vậy, các pin quang điện được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương
đương của mô đun pin quang điện gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 3.7:
Hình 3.7: Mô đun pin quang điện [11]
Mạch điện hình 3.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:
1 S C PH qV N kT A P P S I N I N I e (3.36) Pin quang điện chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin quang điện có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT- Normal Operating Cell Temperature).
Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau:
Hình 3.8: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau [11]
Hình 3.9: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau [11] 3.2.2. Góc nghiêng của dàn pin quang điện
Xác định góc nghiêng của dàn pin quang điện so với mặt phẳng nằm ngang. Có thể xác định góc nghiêng tối ưu opt bằng công thức sau [10]:
( ) Ni i opt Ni I tg φ δ β arctg I (3.37) Trong đó:
INi: cường độ bức xạ trực tiếp (trực xạ) hàng ngày trung bình tháng của tháng thứ i
i
δ : là góc lệch trung bình tháng của tia mặt trời đối với mặt phẳng xích đạo của tháng thứ i.
Trong thực nghiệm, góc thường được xác định gần đúng như sau: 0
10
β φ (3.38)
3.2.3. Xác định tổng năng lượng hàng ngày của hệ pin quang điện
Năng lượng hàng ngày dàn pin quang điện cần phải cung cấp cho hệ thống, được xác định theo công thức sau::
*
panel t
PV k E (Wh) (3.39)
Trong đó:
Et: tổng điện năng phải cung cấp hàng ngày cho các tải.
k : Do tổn thất trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin quang điện cung cấp phải cao hơn Wh toàn tải, thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần, Thông thường chọn hệ số k = 1,3.
3.2.4. Tính công suất của hệ pin quang điện (Watt Peak)
/ I
PV panel s
P PV (Wp) (3.40)
Trong đó: Is - Cường độ bức xạ trung bình hàng ngày, kWh/m2/ngày
3.2.5. Số lượng tấm pin quang điện
max
/ P
PV PV
N PV (3.41)
3.2.6. Tính số mô đun pin quang điện mắc song song và nối tiếp
Cần lựa chọn loại mô đun PV thích hợp có các đặc trưng cơ bản sau [5]: - Thế năng làm việc tối ưu Vmd.
- Dòng điện làm việc tối ưu Imd. - Công suất đỉnh Pmd.
Số mô đun PV cần dùng trong hệ thống được tính từ tỷ số ( P, ) md E W T N P (3.42)
Số mô đun PV nối tiếp thành dãy trong hệ PV được xác định từ điện thế yêu cầu của hệ V:
nt md V N V (3.43)
Còn số dãy mô đun ghép song song được xác định từ dòng điện toàn phần của hệ I: ss md I N I (3.44) Khi đó N = Nnt,Nss (3.45)
3.3. Tính, lựa chọn cụm điều khiển và lưu trữ điện năng 3.3.1. Dung lượng của ắc quy axit – chi 3.3.1. Dung lượng của ắc quy axit – chi
Dung lượng của ắc quy lại đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện năng. Dung lượng có thể dung bằng Ampe – giờ (Ah) hoặc Oat – giờ (Wh).
- Dung lượng ampe – giờ: Dung lượng tính ra Ah của bộ ắc quy phụ thuộc
vào thế làm việc của hệ V, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng, gió) D, hiệu suất nạp phóng điện của ắc quy ηbvà độ sâu phóng điện thích hợp DOS
và được tính theo công thức sau:
_ . ( ) . . OUT ac quy b E D C Ah V η DOS (3.46)
Tuy nhiên không nên chọn D quá lớn làm tăng chi phí đầu tư nhưng nếu chọn số ngày dự phòng nhỏ sẽ không cung cấp đủ điện năng dự trữ cho tải, thông thường D trong khoảng 3 – 10 ngày.
Độ sâu phóng điện DOS đối với ắc quy chì được chọn trong khoảng 0,6 – 0,7. Thông thường hiệu suất ắc quyηb= 0,85.
Nếu V là hiệu điện thế làm việc của hệ thống nguồn, còn v là hiệu điện thế của mỗi bình ắc quy, thì số ắc quy mắc nối tiếp trong bộ là:
nt V n
v
Số dãy bình mắc song song là ss b C n C (3.48)
Trong đó mỗi bình có dung lượng Cb tính ra Ah. Tổng số bình ắc quy được xác định như sau: . b C V n C v (3.49) Trong đó:
V: điện thế của bộ ắc quy. v: là điện thế của mỗi ắc quy.
3.3.2. Công suất của bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter)
*1.25
Inverter t
P P (W) (3.50)
Chọn bộ Inverter phải có công suất đủ lớn để có thể đáp ứng được tất cả tải khi đều sử dụng cùng một thời điểm, thông thường có công suất bằng 125% công suất tổng tải. Nếu có motor điện thì phải tính thêm công suất để chịu đươc dòng khởi động của motor. Chọn Inverter có điện áp vào phù hợp với điện áp ra của ắc quy.
3.3.3. Bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động quy trình nạp và phóng điện của bộ ắc quy. Bộ điều khiển sạc theo dõi trạng thái của ắc quy thông qua hiệu điện thế trên các cực của nó.
Các thông số kỹ thuật chính dưới đây cần phải quan tâm [5].
- Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax: là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ ắc quy đã được nạp điện đầy, dung lượng đạt 100%. Khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho ắc quy thì ắc quy quá đầy. Vì vậy, hiệu điện thế trên các cực ắc quy đạt V = Vmax thì bộ điều khiển tự động cắt. Sau khi hiệu điện thế bộ ắc quy giảm xuống giá trị ngưỡng, bộ điều khiển sạc lại tự động đóng mạch nạp sạc trở lại.
- Ngưỡng cắt dưới Vmin: là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ắc quy khi ắc quy phóng đến giá trị cận dưới của dung lượng ắc quy, nếu tiếp tục sử dụng ắc quy
nó sẽ bị phóng điện quá kiệt dẫn đến hư ắc quy. Vì vậy, bộ điều khiển sạc nhận thấy hiệu điện thế bộ ắc quy V ≤ Vmin thì tự động ngắt mạch tải tiêu thụ. Sau đó nếu hiệu điện thế ắc quy tăng lên trên giá trị ngưỡng, bộ điều khiển lại tự động đóng mạch sạc trở lại.
Đối với ắc quy chì-axít, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là V = 12 V, thì thông thường ta chọn Vmax = 14 – 14,5 V, còn Vmin = 10,5 – 11 V.
- Công suất P của bộ điều khiển sạc thông thường nằm trong khoảng:
1,3Pt P 2Pt (W) (3.51)
Chương 4
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
4.1. Phân tích yêu cầu 4.1.1. Tải tiêu thụ 4.1.1. Tải tiêu thụ
Giả định một hộ gia đình sử dụng các thiết bị điện phục vụ cho sinh hoạt thiết yếu được cho trong bảng 4.1, tổng nhu cầu sử dụng điện là 955 Wh/ngày.
Bảng 4.1: Các thiết bị sử dụng điện thiết yếu trong hộ gia đình [25]
TT Tên thiết bị lượng Số
Công suất (W) Số giờ sử dụng trong ngày (h) Tổng công suất tiêu thụ (W) 1 Quạt đứng 1 55 5 275 2 Đèn LED tuýp 1,2m 2 10 5 100
3 Tivi LED 32 inches 1 69 5 345
4 Sạc Laptop 1 65 3 195
5 Sạc điện thoại 1 10 4 40
Tổng cộng 209 Et = 955
4.1.2. Vị trí địa lý, khí hậu tại vị trí lắp đặt
Bình Thuận có tọa độ địa lý từ 10o33'42" đến 11o33'18" vĩ độ Bắc, từ 107o23'41" đến 108o52'18" kinh độ Ðông.
Tổng số giờ nắng năm khá cao, dao động từ xấp xỉ 2.700 – 2.755 giờ, trung bình hàng tháng có 174 – 97 giờ nắng, mỗi ngày trung bình có khoảng 7,4 – 7,6 giờ nắng, bức xạ trung bình đạt khoảng 5 kWh/m2/ngày. Đồng thời, có nền nhiệt độ cao quanh năm, hầu hết vùng đồng bằng ven biển và các vùng núi thấp kế cận đều có nhiệt độ trung bình năm từ 25,9 – 27,80 C.
Tốc độ gió trung bình năm trên đất liền dao động từ 1,6 – 3,2 m/s tại độ cao tham chiếu 10 m.
4.1.3. Chọn tỉ lệ công suất định mức phát của hệ pin quang điện và tuabin gió
Do vị trí lắp đặt mô hình ở độ cao 12 m tại Trường Cao đẳng nghề tỉnh Bình Thuận có tọa độ địa lý (vĩ độ 10°56'34,2"N và kinh độ 108°05'32,5"E) phù hợp sử dụng năng lượng mặt trời, nhưng với tốc độ gió trung bình được đánh giá là thấp thì ít phù hợp để sử dụng năng lượng gió. Vì vậy, phân chia công suất phát định mức bình quân hàng ngày từ hai tác nhân biến đổi năng lượng tái tạo thành điện năng của hệ thống hybrid là hệ pin quang điện và máy phát điện tuabin gió trên cở sở tổng tải tiêu thụ của hộ gia đình giả định là 955 Wh/ngày, như sau:
- Hệ pin quang điện: 80% (764 Wh/ngày). - Tuabin gió: 20% (191 Wh/ngày).
4.2. Phương án thiết kế tuabin gió 4.2.1. Yêu cầu thiết kế 4.2.1. Yêu cầu thiết kế
- Tuabin gió trục đứng cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, ít duy tu bảo dưỡng, bền, nhẹ, chịu được khí hậu ngoài trời.
- Không phụ thuộc vào hướng gió.
- Hoạt động ổn định với tốc độ gió từ: 4 – 6 m/s. - Công suất điện phát ra từ: 20 – 60 W.
4.2.2. Các phương án thiết kế
- Phương án 1: Tuabin gió trục đứng cánh tròn Tuabin gồm có 5 cánh được chặt lên hai đĩa …
- Phương án 2: Tuabin gió trục đứng cánh NACA
Tuabin có các cánh được chế tạo theo biên dạng NACA.
Hình 4.2: Mô hình tuabin gió trục đứng cánh NACA 4.2.3. Lựa chọn phương án thiết kế
Từ các phương án trên, ta tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí như ở bảng 4.2.
Bảng 4.2: Tiêu chí so sánh tuabin gíó trục đứng cánh tròn và cánh NACA Tiêu chí so sánh Tuabin gió trục đứng
cánh tròn
Tuabin gió trục đứng cánh NACA
Cấu tạo Đơn giản Đơn giản
Bảo trì, sửa chữa Dễ dàng Dễ dàng
Chi phí Thấp Trung bình
Tự khởi động Dễ dàng Khó
Hiệu suất Thấp Trung bình
Tiếng ồn Thấp Thấp
Nhận xét: Ở công suất điện ra thấp khoảng 20 W – 60 W thì tuabin gió trục
đứng cánh tròn tỏ ra phù hợp hơn hẳn vì nó có thể quay ở tốc độ gió nhỏ, đáp ứng công suất đầu ra với chi phí rẻ trong khi ở tuabin gió cánh NACA đắt hơn vì gia công cánh phức tạp nên lựa chọn phương án chế tạo tuabin gió trục đứng cánh tròn.
4.3. Phương án thiết kế hệ pin quang điện bám theo mặt trời 4.3.1. Yêu cầu thiết kế 4.3.1. Yêu cầu thiết kế
- Cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ vận hành, ít duy tu bảo dưỡng, bền, kinh phí đầu tư thấp, chịu được khí hậu ngoài trời.
- Hệ điều khiển đơn giản,
- Hiệu suất để tiếp nhận bức xạ mặt trời cao. - Công suất tiêu thụ của hệ điều khiển thấp.
4.3.2. Các phương án thiết kế
- Phương án 1: Hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục (Single-axis solar tracking system)
Hình 4.3: Mô hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục [18]
- Phương án 2: Hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục (Dual axis solar tracking system)
Hình 4.4: Mô hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục [26]. 4.3.3. Lựa chọn phương án thiết kế
Từ các phương án trên, ta tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí như ở bảng 4.3.
Bảng 4.3: Tiêu chí so sánh pin quang điện bám theo mặt trời một trục và hai trục Tiêu chí so sánh Pin quang điện bám theo
mặt trời một trục
Pin quang điện bám theo mặt trời hai trục
Cấu tạo Đơn giản Phức tạp
Bảo trì, sửa chữa Dễ dàng Khó
Chi phí Thấp Cao
Hệ điều khiển Đơn giản Phức tạp
Hiệu suất Cao Khá cao
Tải tiêu thụ Thấp Cao
Nhận xét: Đối với hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục có cấu tạo
và hệ điều khiển đơn giản, kinh phí đầu tư thấp nhưng vẫn đạt được hiệu suất cao nên lựa chọn làm phuong án chế tạo.
Chương 5
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – MẶT TRỜI 5.1. Tính toán, thiết kế tuabin gió
Theo mục 4.1.2, 4.1.3, 4.3.1 máy phát điện tuabin gió được lắp đặt ở độ cao 12 m và theo yêu cầu hoạt động ổn định với tốc độ gió từ 4 – 6 m/s, có công suất phát khoảng 20 – 60 W sau cho đảm bảo hệ thống điện gió cung cấp sản lượng năng lượng điện hàng ngày ≥ 191 Wh/ngày.
5.1.1. Xác định diện tích quét
Theo công thức 3.15 chọn hệ thống máy phát điện có công suất định mức tối thiểu 20 W, ta có: 3 1 20 C A v 2 p Với Cp Hệ số công suất Cp = 0,35 Mật độ không khí = 1,225 (kg/m3)
η Hệu suất của hệ thống η = 0,76
A Diện tích quét của rotor, A= H x D = 0,56 m2
Trong đó: H là chiều cao cánh tuabin (m) D là đường kính của cánh tuabin (m) Ta tính được H = 0,8 m và D = 0,7 m.
5.1.2. Năng lượng điện nhận được hàng ngày từ hệ thống điện gió
Theo mục 2.1, 2.2 tốc độ gió trung bình hàng năm tại Phan Thiết 3,2 m/s ở độ cao 10 m và vị trí lắp đặt tuabin gió có độ cao 12 m tại Trường Cao đẳng nghề Bình Thuận với hệ số ma sát 0,3 do bề mặt địa hình khu đô thị có nhiều cây như bảng 3.1 và hiệu suất toàn cục hệ thống điện gió đạt 35%, áp dụng biểu thức 3.29, 3.30.
0,3 12 12 10 0 0 10 12 3, 2 3, 4 m/ s 10 v H H v v v H H
- Mật độ công suất gió trung bình nhận được ở độ cao 12 m: 3 3 6 1 6 1 . .v . .1, 225 3, 4 46 2 2 P A x W/m2
- Năng lượng điện trung bình nhận được hàng ngày
NLTB = 0,35 x 46 x 0,56 x 24 = 216 Wh/ngày.
Nhận xét: Vậy sản lượng năng lượng điện của hệ thống điện gió cung cấp đủ cho hệ thống hybrid là 216 Wh/ngày ≥ 191 Wh/ngày.
5.1.3. Chọn góc đặt cánh β, số lượng và kích thước - 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