Tuabin gió trục đứng (VAWT)

Tuabin gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm theo trục chính, loại nhỏ hoạt động không phát sinh tiếng ồn cao nên có thể lắp đặt tại khu dân cư, trên những nóc nhà cao,… Loại này không cần thiết phải có hệ thống điều chỉnh theo hướng gió, và có thể hoạt động với bất kỳ hướng gió nào và tuabin tùy theo loại có thể khởi động ở tốc độ gió khoảng 0,5 m/s [9]. Cơ bản gồm các loại tuabin: Savonius, Giromill, Gorlov,…

a)Tuabin Savonius b)Tuabin Giromill c) Tuabin xoắn Gorlov

Hình 2.5: Các loại tuabin gió trục đứng 2.2.2. So sánh HAWT và VAWT

- Về cơ bản, các loại tuabin gió sẽ bao gồm các thành phần như ở hình 2.6.

1. Chiều gió đến của HAWT 2. Đường kính rô to

3. Chiều cao của Hub 4. Cánh rô to

5. Hộp số 6. Máy phát

7. Vỏ 8. Tháp HAWT

9. Chiều gió phía sau rô to 10. Chiều cao rô to

11. Tháp VAWT 12. Độ cao kính xích đạo.

13. Cánh rô to với góc bước cố định. 14. Móng rô to.

- Ưu nhược điểm của hệ thống HAWT và VAWT được thể hiện ở bảng 2.4.

Bảng 2.4: So sánh HAWT và VAWT Chỉ tiêu

kinh tế & kỹ thuật

Tuabin gió trục ngang (HAWT)

Tuabin gió trục đứng (VAWT)

Hiệu suất Cao Thấp

Công suất Phù hợp công suất lớn Phù hợp công suất nhỏ

Chế tạo Khó Dễ

Vận tốc gió Vận tốc gió khác nhau Vận tốc gió cao

Moment khởi động Nhỏ Lớn

Tiếng ồn Lớn Nhỏ

Sử dụng Phổ biến Ít

Giá thành sản xuất Lớn Nhỏ

Từ cấu tạo và các ưu nhược điểm trên ta có một số nhận xét sau:

- Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào tiềm năng gió tại nơi vị trí lắp đặt và các chỉ tiêu thiết kế.

- Máy phát điện gió công suất nhỏ cần đảm bảo được các yêu cầu như: kích thước nhỏ, có thể phát điện khi tốc độ gió thấp, bền, ít duy tu bảo dưỡng.

- Để đáp ứng các yêu cầu này ta thấy loại Savonius là loại máy phát điện gió trục đứng phù hợp.

2.3. Tổng quan năng lượng mặt trời tại Việt Nam, tỉnh Bình Thuận 2.3.1. Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam 2.3.1. Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt nam kéo dài từ vĩ độ 8 – 23 vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt đới, có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời. Số giờ nắng trung bình năm (hrs/year) tại các vùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiê ̣n đi ̣a hình và thời tiết, tuy nhiên, nhìn chung số giờ nắng khá cao và năng lượng qui đổi trên mỗi đơn vi ̣ diê ̣n tích thuộc hàng cao trên thế giới.

Vớ i sự trải dài từ bắc xuống nam của lãnh thổ đi ̣a lý nước ta, sự phân bố về năng lượng mă ̣t trời được phân ra thành 5 khu vực đi ̣a lý khác nhau. Các đă ̣c trưng

về năng lượng mă ̣t trời được đưa ra như trong bảng 2.5 bên dưới. Qua bảng 2.5 ta rú t ra được các nhâ ̣n xét sau:

- Khu vực Bắc Bô ̣ thấp nhất do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc vào mùa đông và do cách xa đường xích đạo hơn các khu vực còn la ̣i.

- Khu vực Nam Bộ, từ Đà Nẵng trở vào, bức xạ mặt trời và số giờ nắng cao hơn.

- Nhìn chung, tiềm năng năng lượng mă ̣t trời ở Việt Nam là khá tốt, nếu được phát triển đúng mức thì đây sẽ là nguồn năng lượng có khả năng đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng cho xã hô ̣i hiê ̣n đa ̣i trong tương lai gần.

Bảng 2.5: Phân bố năng lượng mă ̣t trời ta ̣i các vùng trên lãnh thổ Viê ̣t Nam [23]

2.3.2. Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Bình Thuận

Tỉnh Bình Thuận nằm trong khoảng từ 10033'42" đến 11033' 18'' vĩ độ Bắc, được thừa hưởng một chế độ mặt trời nhiệt đới mà tiêu biểu là hiện tượng hàng năm mặt trời đi qua thiên đỉnh 2 lần và độ cao mặt trời thay đổi không nhiều trong cả năm như bảng 2.6. Ngoài ra do nằm trong khu vực nội chí tuyến nên độ dài ban ngày (từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn) ở Bình Thuận biến đổi trong khoảng 11 - 13 giờ, thời gian ban ngày ở Bình Thuận cũng khá dài và ít thay đổi trong năm, tháng có độ dài ban ngày dài nhất là tháng 6, ngắn nhất là tháng 1 như bảng 2.7 [2].

Bảng 2.6: Ngày mặt trời qua thiên đỉnh - Hiện tượng tròn bóng lúc giữa trưa [2]

Vĩ độ bắc Lần thứ nhất Lần thứ hai

10056' (qua Phan Thiết) 3/5 21/8

Bảng 2.7: Thời gian mặt trời chiếu sáng vào ngày 15 hàng tháng [2] Đơn vị: giờ Tháng Địa danh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hà Nội 10,9 11,3 11,9 12,5 13,0 13,3 13,2 12,7 12,2 11,6 11,0 10,7 Phan Thiết 11,4 12,1 12,3 12,3 12,5 13,0 12,6 12,4 12,1 12,0 11,5 12,2 TP,HCM 11,4 11,7 11,9 12,2 12,5 12,6 12,6 12,4 12,1 11,8 11,5 11,4 Bức xạ tổng cộng là giá trị tổng hợp của bức xạ trực tiếp và khuyếch tán. Hằng năm, ở Bình Thuận trị số này có thể đạt tới 140 – 150 kcal/cm2/năm; đạt cực đại vào khoảng tháng 3 – 4 (16 – 18 kcal/cm2/tháng), gắn liền với thời kỳ độ cao mặt trời lên cao, thời tiết ít mây, bầu trời trong sáng.

Bảng 2.8: Lượng bức xạ tổng cộng thực tế [2] Đơn vị: kcal/cm2 Tháng Địa danh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Hà Nội 6,0 5,8 6,4 9,3 13,2 11,2 12,6 11,6 11,0 11,0 8,2 6,7 113,0 Phan Thiết 11,1 14,2 16,4 18,3 12,8 11,3 10,3 11,9 9,8 9,5 9,5 9,8 144,9 TP, HCM 10,8 13,3 16,2 15,9 11,0 9,7 9,7 10,0 9,6 9,2 9,1 9,3 133,8 Tổng số giờ nắng năm ở Bình Thuận khá cao, dao động từ xấp xỉ 2,700 – 2,755 giờ, trung bình hàng tháng có 174 – 297 giờ nắng. Tháng 3 là tháng có số giờ nắng cao nhất 284 – 297 giờ, đây là thời kỳ hoạt động mạnh của lưỡi áp cao cận nhiệt đới, chi phối thời tiết ít mây, nắng nhiều. Tháng 9 là tháng có tổng số giờ nắng thấp nhất 183 – 193 giờ, đây là thời kỳ mùa mưa lũ chính vụ ở tỉnh Bình Thuận. Mùa khô số giờ nắng cao hơn mùa mưa, trung bình thời kỳ này dao động từ 210 – 297 giờ (riêng Phú Quý tháng 12 đạt 174 giờ).

Bảng 2.9: Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm [2] Đơn vị: giờ Tháng Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Phan Thiết 251 257 284 278 240 220 207 204 193 203 211 208 2,755 La Gi 284 257 297 271 232 206 203 190 183 196 207 209 2,736 Phú Quý 240 252 284 282 252 215 212 217 198 190 181 174 2,697

Nhận xét: Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời trong phạm vi tỉnh Bình Thuận nhận được trong năm là khá dồi dào, đặc trưng của vùng vĩ độ thấp thích hợp sử dụng công nghệ pin quang điện để chuyển đổi thành điện năng.

2.4. Tổng quan về pin quang điện 2.4.1. Pin quang điện 2.4.1. Pin quang điện

2.4.1.1. Giới thiệu

Pin quang điện hay thường gọi pin mặt trời hấp thụ bức xạ mặt trời biến đổi biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin quang điện, được chế tạo ra từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin quang điện sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời tới nó. Các hệ thống năng lượng mặt trời đơn giản, không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống năng lượng khác… nên được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng.

2.4.1.2. Cấu tạo

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin quang điện. Cấu táo một tấm pin quang điện hoàn chỉnh như hình 2.8 gồm: (1) khung, (2) hộp nối chống thấm nước, (3) nhãn thông số kỹ thuật, (4) lớp bảo vệ thời tiết tuổi thọ 30 năm, (5) tế bào pin quang điện, (6) lớp kính hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời, (7) đường dẫn điện bên ngoài, (8) độ hở chỉnh khung.

Hình 2.7: Cấu tạo tế bào pin quang điện

Hình 2.8: Cấu tạo tấm pin quang điện [17]

2.4.1.3. Nguyên lý hoạt động

Một khối PV (Photovoltaic) thường được tạo bởi 2 lớp vật liệu bán dẫn mà có thể là loại p hay loại n. Có thể tham khảo cấu tạo của pin theo hình dưới đây:

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của pin quang điện [11]

Khi ánh sáng chiếu vào một tế bào của pin quang điện, với những photon có mức năng lượng thích hợp, nó làm bức các electron có trong phân tử của chất bán dẫn lớp n di chuyển sang lớp n, khi hai lớp p – n được nối kín, một dòng electron được hình thành chạy từ lớp p đến lớp n tạo ra dòng điện cung cấp cho tải. Để có đủ công suất và điện áp thích hợp, ta cần ghép nối các tế bào thành một panel và ghép nối song song hay nối tiếp các panel thành các hệ thống pin quang điện lớn.

2.4.1.4. Mô đun và hệ pin quang điện

Mô đun pin quan điện được tạo thành bằng cách ghép các tế bào quang điện lại với nhau. Một hệ pin quang điện thường bao gồm nhiều mô đun.

Hình 2.10: Một số tế bào pin quang điện ghép thành một mô đun,

Hình 2.11: Các phương pháp lắp đặt pin quang điện [17] 2.4.1.4. Phân loại pin quang điện

Trên cơ sở công nghệ chế tạo pin quang điện màng mỏng trên một số vật liệu quan trọng có 4 loại như sau [10]:

- Pin quang điện vô định Si (a-Si): Silicon ở trạng thái vô định hình có các

tính chất hóa lý khác Si tinh thể. Một pin quang điện màng mỏng a-Si là cấu trúc p- i-n chỉ có độ dày nhỏ hơn 1 µm, rất tiết kiệm về mặt vật liệu. Sự chế tạo các lớp màng a-Si thường được thực hiện nhờ công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) từ hỗn hợp solan.

- Pin quang điện vô định hình bán dẫn hợp chất: Phần lớp các bán dẫn tạp

chất thích hợp đối với pin quang điện vô định hình có độ dẫn loại n hay p. Vì vậy việc tạo ra các lớp tiếp xúc pn hay p-i-n theo như phương pháp a-Si là không phù hợp, Đối với các pin quang điện màng mỏng bán dẫn hợp chất người ta thường phải dùng cấu trúc tiếp xúc khác chất (heterojunction) hoặc cấu trúc MIS (Metal – Isolation – Semiconductor).

- Pin quang điện trên cơ sở vật liệu CuInSe2: Pin quang điện vô định hình

hệ CuInSe2 có hiệu suất tương đối cao được chế tạo bằng cách bốc hơi đồng thời Cu, In và Se lên một đế thủy tinh đã phủ một lớp mỏng Mo và sau đó được kế tiếp một màng cửa sổ CdS hoặc (Zn. Cd)S.

Hình 2.13: Cấu trúc điển hình của một pin quang điện màng mỏng hệ CuInSe2 [10]

- Pin quang điện trên cơ sở vật liệu CdTe (CdTe): Ưu điểm của pin quang

điện hệ CdTe là ít phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, các phương pháp chế tạo khác nhau cho pháp pin quang điện có phẩm chất không hơn kém nhiều. Pin quang điện hệ CdTe có diện tích 1 – 4 cm2 thu được hiệu suất từ 10 – 17%.

2.4.2. Ưu nhược điểm pin quang điện

Bảng 2.10: Ưu nhược điểm pin quang điện tinh thể silic

và pin quang điện màng mỏng [23]

Nhận xét: Nên lựa chọn pin quang điện đơn tinh thể (mono) để đảm bảo hiệu

suất làm việc và mang tính phổ biến, thông dụng trên thị trường Việt Nam.

2.5. Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời

Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời là hệ thống kết hợp việc sử dụng các thành phần chuyển đổi năng lượng gió (tuabin gió) và năng lượng bức xạ mặt trời (pin quang điện) thành điện năng.

2.5.1. Các thành phần cấu trúc của hệ thống

Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời bao gồm các thành phần sau:

- Máy phát điện tuabin gió (gồm tuabin gió và máy phát điện - Dynamo). - Hệ pin quang điện.

- Bộ điều khiển sạc hỗn hợp giữa năng lượng gió và mặt trời (Controller Wind & Solar hybrid).

- Cụm ắc quy lưu trữ điện năng. - Bộ nghịch lưu (Inverter).

Hình 2.15: Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời

Hình 2.16:

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 8,6 kW tại Trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng

Hình 2.17:

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 9 kW

tại Ga Nha Trang, Khánh Hòa

2.5.2. Ưu nhược điểm

- Hệ thống này hạn chế được các yếu tố bất lợi và dung hòa về điều kiện tự nhiên của 2 nguồn năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trởi – vận tốc gió) ở tại một thời điểm của không gian. Năng lượng đều, ổn định trong cả năm (mùa đông ít ánh nắng nhưng nhiều gió, mùa hè nhiều nắng)

- Với sự kết hợp việc sử dụng năng lượng gió và mặt trời làm chi phí rẻ đi so với việc xây dựng hai hệ thống thu hai loại năng lượng riêng biệt.

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1. Tuabin gió

3.1.1. Định luật Bezt

Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không khí với một tốc độ trong một thời gian nhất định. Theo định luật Bezt (nhà vật lý người Đức –

Albert Bezt 1885 – 1968) về động lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang một loại năng lượng khác [9].

Khi một khối lượng gió thổi vào tuabin làm cho cánh quạt quay, năng lượng của gió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng. Nguồn năng lượng mà gió chuyển vào cánh quạt phụ thuộc vào tốc độ gió, mật độ của không khí và diện tích mặt đón gió của cánh quạt [9].

Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v là: E = ½ m.v2 (Nm) (3.1) trong đó: E - Động năng của năng lượng gió (Nm)

m - Khối lượng không khí (kg) v - Tốc độ gió (m/s)

Thể tích V của không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là: V = v.A (m3) (3.2)

Khối lượng không khí chuyển động phụ thuộc vào mật độ không khí.

m =  .v.A (Kg) (3.3) công suất thu được từ khối lượng không khí chuyển động qua một mặt phẳng là:

P = ½ m.v2 = 1/2 .A.v3 (W) (3.4) với: P - Công suất (W)

 - Mật độ không khí (Kg/m3)

3.1.2. Hệ số công suất Cp

Xét mô hình khí động học của gió tác dụng lên cánh quạt như hình 3.1 trong điều kiện lý tưởng.

v-Vận tốc gió tại cánh quạt; v1-Vận tốc gió trước cánh quạt; v2-Vận tốc gió sau cánh quạt; A-Diện tích mặt đón gió tại cánh quạt;

A1-Diện tích mặt đón gió trước cánh quạt; A2-Diện tích mặt đón gió sau cánh quạt.

Hình 3.1: Ống động lực học Bezt trong điều kiện lý tưởng [3]

Để việc chế tạo các rotor gió có hiệu quả thì lực của gió đi qua rotor giảm, nghĩa là v2 phải nhỏ hơn v1.

Với sự khác biệt của tốc độ gió trước và sau cánh quạt trong điều kiện lý tưởng (khối lượng được bảo toàn) thì:

m =  v1 .A1 = v2 .A2 =  v.A (Kg) (3.5) Như vậy thấy rằng, công suất P có được đúng bằng sự biến thiên của động năng từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:

P = ∆E = ½  .v.A.(v12 – v22) = ½ m.(v12 – v22) (W) (3.6) Vận tốc gió tại cánh quạt là:

1 2

2

v v

v 

(m/s) (3.7)

Khối lượng không khí tại cánh quạt là:

m =  .v.A = ½  .A (v1 + v2) (Kg) (3.8) Công suất P sẽ là:

P = ½  .A (v1 + v2). ½ (v12 – v22) (W) (3.9) Theo công thức (3.9) thì công suất P là hàm phụ thuộc vận tốc gió phía sau cánh quạt v2.

Vi phân hai vế của phương trình (3.9) ta có: 12 1 2 22 2 1 ( 2 3 ) 4 dP A v v v v dv     (3.10) 2 0 dP

dv  có hai trường hợp xảy ra:

+ Thứ nhất: v2 = -v1 không xảy ra. (3.11)