CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
5.1 XÂY DỰNG DỰ ÁN BƠM NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hình 5. 1: Sơ đồ đấu nối đơn tuyến của hệ thống mặt trời hoà lưới
5.1.1 Thiết kế dự án bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời
Những chương trước chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống pin mặt trời. Từ những cơ sở lý thuyết đó, chúng ta xây dựng mơ hình của đề tài với ý tưởng thiết kế là sử dụng pin năng lượng mặt trời để bơm nước sinh hoạt, có dị điểm cơng suất cực đại.
74
Hình 5. 2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo điện áp
Mơ hình hóa bộ biến đổi boost converter Gvd (s) = 𝑣 (𝑠) 𝑑 (𝑠) = Gvdo (1+ 𝑠 ωesr) (1−𝜔𝑅𝐻𝑃𝑠 ) 1 + 𝑄0 𝜔0𝑆 +(𝜔0𝑆)2 (5.1) 𝑑 𝑑𝑡 [𝑖𝐿 𝑣𝐶] = [ −1 𝐿(𝑟𝐿 +𝐷′𝑅.𝑟𝐶 𝑅+𝑟𝐶) − 𝐷′𝑅 𝐿(𝑅+𝑟𝐶)] [𝑖𝐿 𝑣𝐶] + [1𝐿 0 ]Vin [ 𝐷′𝑅 𝐶(𝑅+𝑟𝐶)− 1 𝐶(𝑅+𝑟𝐶) ] 𝜗𝑜 = [ 𝐷′𝑅.𝑟𝐶 𝑅+𝑟𝐶 𝑅 𝑅+𝑟𝐶 ] [𝑖𝐿 𝑣𝐶]
Quan hệ giữa điện áp đầu ra và tín hiệu điều khiển D: Gdv(S) = ∆𝑣𝑜( 𝑆) ∆𝐷 = 𝑐( 𝑠𝑙 − 𝐴)-1𝜕𝐴 𝜕𝐷X(s) + 𝜕𝑐 𝜕𝐷X(s)=(𝑅+𝑟𝑐)(𝑠𝐶𝑟𝑐+1){−(𝑠𝐿+𝑟𝐿)(𝑅+𝑟𝑐)+𝐷 ′2𝑅2} 𝑃(𝑠){𝐷′𝑅(𝐷′𝑅+𝑟𝑐)+𝑟𝐿(𝑅+𝑟𝑐)} (5.2) Với : P(s) = 𝑠2𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟𝑐)2+ 𝑠{𝐿(𝑅 + 𝑟𝑐) + 𝑟𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟𝑐)2+ 𝐷′𝑅𝑟𝑐𝐶(𝑅 + 𝑟𝑐)} + 𝑟𝐿(𝑅 + 𝑟𝑐) + 𝐷′𝑅(𝐷′𝑅 + 𝑟𝑐) (5.3)
75
[State 1: SW ON ] [State 2:SW OFF
State 1 [SW: ON ,RC: OFF] State 2 [ SW:
OFF,RC:ON ] Vin= L𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡 + iLrL ( A1) Vin = L 𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡 + rLiL + vo (A5) Ic = C𝑑𝑣𝑐 𝑑𝑡 ( A2) ic = C𝑑𝑣𝑐 𝑑𝑡 (A6) Vc = -ic ( R + rc ) ( A3) iL = ic + 𝑣𝑜 𝑅 (A7) Vo = vc + rcic (A4) vo = vc + rcic (A8)
Hình 5. 3:Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển dựa theo hàm truyền:
Trong đó bộ điều khiển được thiết kế theo: + Bộ bù loại III
+ Bộ bù PID (lead – lag)
5.1.1.1 Yêu cầu mơ hình
a) u cầu về kỹ thuật
- Mơ hình phải đạt hiệu quả nhưng phải tiết kiệm và thân thiện với môi trường. - Chịu được các điều kiện khắc nghiệt của thời tiết, bền vững với thời gian. - Đơn giản trong vận hành và bảo trì.
76 - Linh động và thẩm mỹ.
b) Yêu cầu về kinh tế
- Đơn giản nhất trong thiết kế để hạ giá thành.
- Sử dụng vật tư và thiết bi thông dụng với giá thành thấp.
- Những chi tiết không quan trọng của mơ hình có thể tận dung vật tư có sẵn để hạ giá thành sản phẩm.
c) Ứng dụng cơng nghệ cao và tự động hố trong sản xuất nông nghiệp
Ứng dụng nơng nghiệp cơng nghệ cao vào tự động hóa sản xuất trong nơng nghiệp, tạo ra sản phẩm chất lượng đồng đều. Liên kết nông hộ tạo ra sản lượng lớn và liên kết với đơn vị tiêu thụ trực tiếp.
Thiết bị điều khiển tự động trong nông nghiệp. Hiệu quả kinh tế:
- Giúp nơng dân ứng biến với biến đổi khí hậu, làm thuận lợi hơn trong quá trình canh tác.
- Ứng dụng cơng nghệ vào tự động hóa sản xuất xuống cho người nông dân. - Ứng dụng công nghệ vào giám sát, đảm bảo chất lượng nơng sản, từ đó giải quyết bài tốn đầu ra cho nơng dân ổn định.
- Tối ưu phương thức khai thác diện tích trên một đơn vị diện tích, từ đó tăng tối thiểu 50% sản lương nông sản trên 1 đơn vị diện tích (tùy chủng loại).
- Giảm thiểu thao tác trung gian, vận chuyển, tăng q trình sơ chế, đóng gói bảo quản làm giảm thất thốt trong quá trình vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi người tiêu dùng.
- Giảm chi phí logistic do các giải pháp của công ty xây dựng giảm thiểu chịu tác động bởi các tác nhân mơi trường ngồi.
77
Trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống của farm như các điều kiện thông số môi trường, sinh trưởng cây, lịch tưới.
Hình 5. 4: App điều khiển hệ thống farm
78
5.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển
Trên sơ đồ hình 4.1 gồm bộ điều khiển, bộ chuyển đổi DC- DC, bộ tăng điện áp đầu ra, Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm
- Một vật khi quay quanh trục phải chịu một lực có hướng kéo vật trục quay và có phương lực đi qua tâm quay. Đó là lực ly tâm. Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm quay ra phía ngồi. Bơm ly tâm là loại bơm theo nguyên lý lực ly tâm. Nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm. Nhờ lực ly tâm, nước bị đẩy văng ra mép cánh bơm. Năng lượng bên ngồi thơng qua cánh bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo nên áp năng, một phần tạo thành động năng khiến nước chuyển động. Trước khi máy bơm làm việc, cần phải làm cho 78han bơm (trong đó có bánh cơng tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm.
- Trước khi máy bơm làm việc, cần phải làm cho 78han bơm (trong đó có bánh cơng tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm. Khi máy bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là q trình đẩy của bơm. Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân khơng và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của máy bơm nước, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là q trình hút của bơm. Quá trình hút và đẩy của bơm là q trình liên tục, tạo nên dịng chảy liên tục qua bơm. 49 Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên cịn gọi là buồng xoắn ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh cơng tác ra ống đẩy được điều hịa, ổn định và cịn có tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết. Nhận dạng: máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và ống đẩy nằm trên mép cánh.
79
Hình 5. 6: Động cơ bơm nước.
Các đặc điểm của bơm ly tâm [4].[10].[11].
Khi lực nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phí mép bơm, sẽ xuất hiện khoảng trống máy bơm nước tại tâm cánh bơm. Áp suất tại kho ảng trống này có thể nhỏ hơn áp suất khí trời và thậm chí có lúc đạt gần tới độ chân khơng tuyệt đối. Bơm ly tâm lý thuyết có thể hút nước ở độ sâu tối đa 10m so với tâm cánh bơm.
Thực tế bơm ly tâm hút được nước ở độ sâu từ 3 – 8 m, tùy loại bơm. Lực ly tâm tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì khơng khí nhẹ hơn 1000 lần so với nước nên nếu khí lọt vào tâm cánh quạt bơm, lực ly tâm sẻ nhỏ hơn 1000 lần và không đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân khơng cho lượng chất lỏng kế tiếp tràn vào. Cánh bơm vẫn quay mà nước thì khơng bơm được. Đậy là hiện tượng lọt khí vào ống hút đang hoạt động. thực tế thường gọi là “bơm bị e(air).& Rdquo”. Vì lý do của bơm ly tâm lúc nào cũng phải đẩy nước.
80
Hình 5. 7: Cấu tạo máy bơm ly tâm
Bánh xe công tác (rotor, impeller):
- Là bộ phận quay chính cung cấp lực li tâm cho lưu chất.
- Có thể có 1 hoặc nhiều bánh xe cơng tác tùy theo yêu cầu cột áp. - Bánh xe cơng tác có 3 loại: dang hở, dạng nửa hở và dạng nửa đóng.
81
Khi thiết kế trạm bơm và phân tích hiệu quả kinh tế sự làm việc của máy bơm nước trong trạm bơm phải xác định được điểm làm việc của nó. Muốn vậy trước hết phải dựng được đặc tính đường ống ứng với điều kiện làm việc của máy bơm.
Hình 5. 9: Điểm làm việc của máy bơm
Khảo sát bơm ly tâm có đường đặc tính Q – H làm việc trong hệ thống bơm nước từ bể chứa lên bể chứa áp lực. Muốn vận chuyển qua hệ thống đường ống một lưu lượng Q cần cung cấp cho hệ thống một năng lượng đủ để khắc phục chiều cao bơm nước hình học và tổn thất áp lực trên ống hút, ống đẩy. Năng lượng đó được xác định theo cơng thức:
H=Hhh+hh+hđ (m) (5.4) H=Hhh+h (m)
Trong đó :
H – là áp lực yêu cầu của hệ thống (m). Hh- là tổng tổn thất áp lực trên ống hút (m). Hđ- là tổng tổn thất áp lực trên ống đẩy(m). h- là tổng tổn thất áp lực trên đường ống.
82
h=S.Q2 (5.5) Hhh- chiều cao của bơm nước hình học, xác định bằng khoảng cách theo chiều thẳng đứng tính từ mực nước trong bể hút đến bể chứa.
S- sức cản toàn phần trong hệ thống ống.
S= + bp (5.6) - sức cản dọc đường.
bp- sức cản cục bộ.
Q- lưu lượng chất lỏng di chuyển qua hệ thống (m3) Do đó:
H= Hhh+S.Q2 (5.7) Phương trình này là phương trình đặc tính đường ống biểu diễn dưới dạng đồ thị gọi là đặc tính đường ống. Đường đặc tính Q – H của máy bơm biểu diễn năng lượng H mà bơm có thể cấp được cho chất lỏng khi bơm với một lưu lượng là Q nào đó. Điều kiện làm việc ổn định của hệ thống là giữa bơm và hệ thống phải có sự cân bằng năng lượng. Điều đó có nghĩa là năng lượn H mà bơm cấp vào hệ thống phải bằng năng lượng H mà hệ thống u cầu. Đó là giao điểm của đặc tính Q – H của máy bơm nước và đặc tính đường ống của hệ thống (điểm A).
Tính tốn ống hút của máy bơm: Trị số chân không trên trục máy bơm
hck = h+𝑣 2 2𝑔+ hv= h+𝑣2 2𝑔(1+𝜁+𝑙 𝑑). (5.8) hck =h+ 16𝑄 2 2𝑔𝜋2𝑑4(1+𝜁+𝑙 𝑑). Trong đó:
h- độ cao của trục máy bơm so với mặt thoáng nước( độ cao hút ). v và Q- vận tốc trung bình và lưu lượng trong ống.
l và d- chiều dài và đường kính ống hút. và 𝜁- hệ số sức cản đường và cục bộ.
83 Trong bài tốn khảo sát ta có số liệu: l=50cm=0.5m
d: Ø21=0.021m h=25cm=0.25m
lưu lượng lớn nhất Qmax : Qmax=𝜋𝑑
2
4 √(ℎ𝑐𝑘𝑐𝑝−ℎ)2𝑔
1+Σ𝜁+𝜆𝑑𝑙 (5.9) Trong đó hckcp là trị số chân không cho phép, lớn nhất ứng với kết cấu bơm. -xác định hệ số cản dọc đường( hệ số trở kháng ma sát).
Khi dòng chảy tầng re≤2.103
=64
𝑟𝑒
khi dịng chảy rối Re104
= 1 (1.82×𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒−1.64)2 (5.10) với Re là hệ số Reynol Trong đó: -độ nhớt của nước m2 s. -tốc độ nước m/s
Hình 5. 10: Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ (4)
84 độ nhớt 0,8.10-6m2/s Re=𝜔×𝑑 Υ =1.2×0.014 0.8×10−6=2.1× 104 (5.11) Re=2.1× 104 > 104 ⟹ 𝑑ò𝑛𝑔 𝑐ℎả𝑦 𝑟ố𝑖. Suy ra: 𝜆 = 1 (1.82×𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒−1.64)2= 1 (1.82×𝑙𝑜𝑔2.1×104−1.64)2=0.02 Khảo sát thực tế ta được hckcp=7.5m và ∑=0.3 Lưu lượng lớn có thể tính gần đúng
Tính tốn vịi phun nước:
Chiều cao phun nước lên của dòng nước thẳng đứng: Hphun =𝑣2
2𝑔ℎu=𝑣2
2𝑔( 1- 𝛿dt ) (5.12) Trong đó:
V và Q – là vận tốc trung trình và lưu lượng ống đẩy cung cấp. hw – cột nước bị tổn thất do sức cản khơng khí gây nên.
d - đường kính tiết diện ra
Zdt – hệ số sức cản của dòng tia. Theo Liuge:
𝛿dt= 𝐾𝐻
1+𝐾𝐻 (5.13) H: cột nước toàn phần ở miệng lổ ra : H= 𝑣2
2𝑔 K: hệ số bằng ; K = 0.00025 𝑑+1000 𝑑3 ; với d là đường kính lỗ ra ( m) 𝛿𝑑𝑡 = 𝐾𝐻 1+𝐾𝐻 = 0,00025 0,014+1000.0,0143 𝑥 4 0,00025 1+0,014+1000.0,0143 𝑥 4= 3,772 Chiều cao dâng nước:
Hphun= H ( 1 - 𝛿𝑑𝑡 ) = 4 ( 1 − 0.057 ) = 3,772 𝑚 (5.14) Tổn thất: 4 – 3,772= 0,228 m
5.1.3 Nguồn lưu trữ năng lượng aquy
Ta không dùng aquy làm nguồn lưu trữ năng lượng điện cho máy bơm - Để tiết kiệm chi phí đầu tư
85
- Mục tiêu của đề tài là dùng nước để phục vụ tưới tiêu cho nơng – lâm nghiệp
Vì vậy khi trời nắng pin mặt trời sẻ tạo ra mức năng lượng điện cần thiết cung cấp nguồn điện cho máy bơm để bơm nước lên bồn.
- Để tránh mặt trời nắng gắt điện áp có thể tăng vọt gây hư haị cho máy bơm khi ta chọn động cơ DC không chối chan – BLDC (Brushles Dc motor ) (11) là một dạng động cơ đồng hộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nâm châm vĩnh cửu dán trên rotor. Động cơ đồng bộ là động cơ có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường, tốc độ quay của rotor được xác định bằng công thức.
𝜗 =120 𝑥 𝑓
𝑛 (5.15) Với: 𝜗 𝑙à tốc độ của rotor, f là tần số Hz và n là số cực từ
+ Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn.
+ Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu khơng cần chối chan và vành trượt nên khơng tốn chi phí bảo trì chối chan. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.
+ Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động. Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn.
Tỷ lệ cơng suất/ khối lượng máy điện cao.
Tỷ lệ momen/ qn tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp ( để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác ).
Momen điều khiển được ở vị trí bằng khơng. Vận hành ở tốc độ cao
Pin mặt trời được lắp sao cho hứng nguồn ánh sáng nhất của mặt trời Pin mặt trời sinh ra điện áp theo dây dẩn qua qua bộ điều khiển tại đây làm tăng điện áp ra và ổn định diện áp ra, bộ điều khiển được tích hợp điểm dị cơng suất cực đại
86
gọi là điểm MPP, điểm MPP được dò bằng giải thuật P&O, điện áp tăng khi qua bộ điều khiển để cung cấp điện áp cho máy bơm nước hoạt động
Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10]
Hình 5. 11: Giới thiệu tổng quan về hệ thống
Với: là tốc độ của rotor, là tần số Hz) và là số cực từ
+ Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn.
+ Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên khơng tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.
+ Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động: Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn. Tỷ lệ cơng suất/khối lượng máy điện cao. Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác). Mơmen điều khiển được ở vị trí bằng khơng.Vận hành ở tốc độ cao.
87
5.1.4 Sơ đồ điện hệ thống
Pin mặt trời được lắp sao cho hứng nguồn ánh sáng nhất của mặt trời Pin mặt trời sinh ra điện áp theo dây dẩn qua qua bộ điều khiển tại đây làm tăng điện áp ra và ổn định diện áp ra, bộ điều khiển được tích hợp điểm dị cơng suất cực đại gọi là điểm MPP, điểm MPP được dò bằng giải thuật P&O, điện áp tăng khi qua bộ điều khiển để cung cấp điện áp cho máy bơm nước hoạt động
Theo quy định thì việc khai thác nguồn nước ngầm chỉ được phép khai thác tối đa 20m3/ ngày.
Bài toán cụ thể: nhu cầu bơm nước tưới cho nông nghiệp chỉ hoạt động 5h/ ngày, chiều sâu khoan giếng là 70m, từ vị trí khoan đến nơi tiêu thụ là 50m, chiều cao đặt bồn chứa là 10m.
P(kW)= [Q(m3/s)*H(m)*Tỉ trọng H2O(1000kg/m3)]/[102*Hiệu suất bơm (0,8-0,9)].
Chọn động cơ: Pđc(kW)=P(kW)/Hiệu suất motor (0,9-0,95).
Ngoài ra cần lấy hệ số dư tải (an tồn)cho bơm thường =P (kW) *0.43 Cơng thức đơn giản:
Nb = Q.Hb.1000/(102. S) (5.16) Q : là lưu lượng bơm (m3/s)
Hb : Cột áp bơm.
S : Hiệu suất bơm, thường chọn = 0,8
Ngoài ra cần lấy hệ số dư tải (an toàn)cho bơm thường =P (kW) *0.43 P= 20/60/60 * (70+50+10) * 1000 / ( 102 * 0.8) =8.8KW
P bơm= 8.8 / 0.43 = 20.46KW Chiều dài ống: 70+50+10=130m