Báo cáo Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ÐỂ SẢN XUẤTS K C 0 0 3 9 5 9 ÐIỆN MÃ SỐ: T2014-115 S KC 0 0 5 5 1 4 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN Mã số: T2014-115 Chủ nhiệm đề tài: GVC.ThS. Hoàng Trí TP. HCM, 1/2015
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CKM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ ĐỂ SẢN XUẤT ĐIỆN Mã số: T2014-115 Chủ nhiệm đề tài:GVC. ThS. Hoàng Trí TP. HCM, 1/2015
4. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 MUC LỤC Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 3 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 3 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 1.5 Phương pháp nghiên cứu 4 Chƣơng 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5 2.1 Giới Thiệu 5 2.1.1 Năng Lượng Mặt Trời 5 2.1.2 Năng Lượng Gió 5 2.2 Đặc Tính Của Hệ Thống 8 2.3 Kết Cấu Của Hệ Thống 9 2.4 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài 9 2.4.1 Các Nghiên Cứu Trong Nước 9 2.4.2 Các Nghiên Cứu Ở Nước Ngoài 10 Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 3.1 Hệ thống điện mặt trời 11 3.1.1Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt trời 11 3.1.2 Các thành phần của hệ thống pin mặt trời 12 3.2 Hệ thống điện bằng sức gió 14 Chƣơng 4: CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ PHƢƠNG ÁN CHỌN LỰA 4.1 Nhu cầu mức điện năng tiêu thụ cho sinh hoạt tối thiểu của một hộ gia đình17 4.2 Phương Hướng Và Giải Pháp Thực Hiện 17 4.3 Lựa Chọn Giải Pháp, Phương Án 20 4.4. Trình Tự Công Việc Tiến Hành 20 Chƣơng 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 21 5.1. Phân tích yêu cầu 21 5.2. Tính toán pin mặt trời cho hệ thống 21 5.3. Tính toán thiết kế thiết bị gió 23 5.4. Tính toán bộ inverter 25 5.5. Tính toán battery 26 Chƣơng 6: KẾT QUẢ-THỬ NGHIỆM-ĐÁNH GIÁ 288 6.1. Kết quả 28 6.2 Thử nghiệm 28 6.3 Kiểm tra 29 GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 1 /31
5. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 6.4 Đánh giá 29 Chƣơng 7: HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG 30 7.1 Lắp đặt 30 7.2 Bảo trì bảo dưỡng 30 KẾT LUẬN và ĐỀ NGHỊ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 DANH MỤC BẢNG BIỂU Báng 2.1: Năng lượng gió trên thế giới, vietnamnet.vn/vn/khoa-hoc/179607/top-cac- cuong-quoc-dien-gio-the-gioi.html tr. 6 Bảng 2.2. Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m, TrueWind Solutions, 2000. Bản đồ tài nguyên gió Đông Nam Á. tr.7 Bảng 2.3. Tiềm năng gió tại Việt Nam (ở vtb ≥ 6m/s và độ cao 60m so với mặt đất)Nguồn: EVN. tr.7 Bảng 3.1: Bảng phân loại các cấp độ gió nguồn Tr.16 Bảng 3.2: Bảng phân loại theo mật độ công suất nguồn Tr.16 Bảng 5.1. Dữ liệu khí hậu của T/p Hồ Chí Minh Tr. 21 DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Sơ đồ 4.1 Trình tự công việc . tr. 20 Hình 1.1: Cấu tạo mặt trời nguồn vi.wikipedia.org tr. 5 Hình 2.2: Nhà máy điện gió Tuy Phong (Bình Thuận) Nguồn: EVN tr. 7 Hình 2.3. Hệ thống điện mặt trời kết hợp với gió tr. 8 Hình 2.4 Khu công nghệ cao Q. 9 Tp.HCM Tr.9 Hình 2.5 Công viên Thanh Niên Nha Trang Tr.9 Hình 4.7 Turbine gió trục ngang (HAWT) và trục đứng (VAWT) GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 2 /31
6. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì sự sống trên trái đất. Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá và khí tự nhiên chiếm phần lớn nguồn năng lượng tiêu thụ. Việt Nam là nước đượcđánh giá là rất dồi dào tiềm năng về năng lượng tái tạo (như năng lượng gió, thủyđiện, mặt trời ). Năng lượng tái tạo có thể tạo ra nguồn điện ngoài lưới tại chỗ, rẻ tiền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng. Nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng nguồn năng lượng này sẽ góp phần quan trọng vào việc giải quyết vấn đề năng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường, góp phần đảm bảo sự phát triển kinh tế bền vững của Việt Nam. Xuất phát từ những thực tế trên, chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợpnăng lượng mặt trờivà gió để sản xuất điện”. Nhằm nêu bật vai trò của năng lượng tái tạo và tạo ra được một sản phẩm ứng dụng vào thực tế. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Mục tiêu của đề tài này là nhằm tìm hiểu, đánh giá tình hình ứng dụng năng lượng sạch vào cuộc sống. Thông qua quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi mong muốn có thể vận dụng kiến thức mình đưa vào thực tế, đồng thời hi vọng đề tài có thể trở thành sản phẩm hữu ích giúp cho người dân nhất là người dân. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1.3.1 Mục tiêu cụ thể  Nguyên lý nhiệt - mặt trời và nguyên lý hiệu ứng quang điện để tạo ra điện.  Nghiên cứu cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời.  Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của các loại tuabin gió.  Cấu tạo các hệ thống cung cấp điện từ năng lượng gió.  Lai ghép giữa 2 nguồn năng lượng này thành 1 hệ thống thống nhất. 1.3.2 Mục tiêu lâu dài của đề tài  Nghiên cứu chế tạo 1 hệ thống lai giữa năng lượng gió và mặt trời tạo ra điện với giá thành rẻ nhằm phục vụ cho người dân đặc biệt vùng biên giới hải đảo, dân dụng, công nghiệp và giao thông. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu  Cấu tạo và nguyên lý tạo ra điện của pin mặt trời.  Cấu tạo và nguyên lý tạo ra điện từ tuabine gió.  Nghiên cứu, thiết kế mô hình cung cấpđiện từ năng lượng gió và mặt trời. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 3 /31
7. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu, tính toán và thiết kế 1 hệ thống lai sử dụng năng lượng gió và mặt trời cung cấp điện có thể đưa vào sử dụng thực tế.  Sử dụng phần mềm Autocad để vẽ và lắp ráp. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận  Căn cứ vào những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt đến chân lý khách quan trên cơ sở của sự chứng minh khoa học và giải quyết các vấn đề. 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể  Phương pháp nghiên cứu tài liệu:Tham khảo các nguồn tài liệu văn bản, sách, giáo trình, tài liệu tham khảo, các bài viết từ những nguồn tin cậy trên Internet, các công trình nghiên cứu nhằm xác định được phương án điều khiển, gia công tối ưu cho máy.  Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm. Lấy đó làm cơ sở chính trong việc tính toán, thiết kế chế tạo các chi tiết của máy.  Phương pháp phân tích: sau khi đã tham khảo, nghiên cứu tài liệu và có được số liệu cần thiết thì việc phân tích các số liệu cũng như các tài liệu có liên quan là điều cần thiết. Với mục đích là lựa chọn được cơ cấu điều khiển tối ưu trong môi trường làm việc.  Phương pháp mô hình hóa: là mục tiêu chính của đề tài, việc chế tạo mô hình giúp kiểm nghiệm được lý thuyết và sữa chữa những chỗ sai mà phương pháp lý thuyết không thể thấy được. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 4 /31
8. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Chƣơng 2:TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới Thiệu 2.1.1 Năng Lƣợng Mặt Trời  Cấu tạo mặt trời  Mặt trời là quả cầu lớn với bán kính R = 1,4 triệu km, chứa đầy khí nóng. Trong vùng lõi mặt trời, nguồn khí nóng này được chuyển đổi thành năng lượng. Sau đó, năng lượng di chuyển và phát tán qua các lớp bên trong tới bầu khí quyển của Mặt trời, rồi tiếp tục phát tán năng Hình 2.1 Cấu tạo mặt trời lượng vào Thái dương hệ dưới dạng hơi nóng và ánh sáng. nguồn vi.wikipedia.org  Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển trái đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt trái đất, gần 1.000 Watt/m2 năng lượng mặt trời tới trái đất trong điều kiện trời quang đãng khi mặt trời ở gần thiên đỉnh.  Mỗi giây mặt trời phát ra 3,968.1026 J (tươngứng với đốt cháy 1,32.1016 tấn than), với khối lượng khoảng1,98.1030 kg. Nhiệt độ trung tâm biến đổi từ10 triệu đến 20 triệuC.  Năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam  Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng từ 1.800-2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 giờ nắng/năm. Vào mùa đông, mùa xuân ở miền Bắc mưa kéo dài dẫn đến nguồn bức xạ mặt trời dường như không đáng kể, chỉ còn khoảng 1-2 kWh /m2/ngày, yếu tố này là cản trở lớn cho việc ứng dụng điện mặt trời.Các tỉnh phía Nam và TP. Hồ Chí Minh do có mặt trời chiếu quanh năm, ổn định kể cả vào mùa mưa. Có thể kết luận rằng, bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam trong quá trình phát triển bền vững.  Điện mặt trời là đích tới của loài người trong 20 - 30 năm tới, đó cũng là một thời gian tối thiểu để xây dựng và phát triển nền công nghiệp điện mặt trời TP. Hồ Chí Minh nói riêng và của Việt Nam nói chung. Việt Nam cần phải trở thành một nước có nền công nghiệp năng lượng mặt trời tiên tiến, cạnh tranh thế giới, dựa trên chính tiềm năng năng lượng mặt trời dồi dào của mình. 2.1.2 Năng Lƣợng Gió  Sự hình thành năng lƣợng gió  Bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của trái đất, mặt ban đêm, bị che GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 5 /31
9. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 khuất và không nhận được bức xạ của mặt trời và thêm vào đó là bức xạ của mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực, do có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và ban đêm của trái đất di động tạo thành gió. Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của trái đất nghiêng nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Bảng 2.1Năng lượng gió trên thế giới - vietnamnet.vn/vn/khoa-hoc/179607/top-cac- cuong-quoc-dien-gio-the-gioi.html QUỐC Công suất/tr.ng Tổng công suất Công suất/tr.ng Tổng công suất QUỐC GIA GIA (MW) (MW) (MW) (MW) Đan Mạch 751 4162 Ba lan 65 2497 Tây Ban 485 22796 Trung Quốc 56 75324 Nha Bồ Đào 420 4525 Cape Verde 46 24 Nha Thụy Điển 411 3745 Costa Rica 32 147 Đức 385 31308 Thổ Nhĩ Kỳ 31 2312 Ai len 368 1738 Đài Loan 24 564 Hoa Kỳ 191 60007 Nhật Bản 21 2614 Canada 181 6200 Nicaragua 18 102 Áo 168 1378 Uruguay 15 52 Hy lạp 162 1749 Ấn độ 15 18421 New 145 623 Brazil 13 2508 Zealand Hòa lan 143 2391 Honduras 12 102 Anh 134 8445 Chile 12 205 Ý 133 8144 Mexico 12 1370 Úc 117 2584 Hàn Quốc 10 483 Pháp 115 1564 Tunesia 10 104 Romania 87 1905  Năng lƣợng gió ở Việt Nam  Trong năm 2001, Ngân hàng thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước (Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam), nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực. Bản nghiên cứu này, với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn cùng với dữ liệu lấy từ mô hình MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất, tương ứng với độ cao trục của các turbine gió nối lưới cỡ lớn và turbine gió nhỏ được lắp đặt ở những vùng có lưới mini độc lập. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 6 /31
10. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115  Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW. Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt. Hình 2.2 Nhà máy điện gió Tuy Phong (Bình Thuận)Nguồn: EVN Bảng 2.2Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m - Nguồn: TrueWind Solutions, 2000. Bản đồ tài nguyên gió Đông Nam Á Tốc độ gió Trung bình 6- Tương đối Rất cao Thấp 9m/s Diện tích 197.361 100.361 25.679 2.187 113 (km2) Diện tích (%) 60,6 30,8 7,9 0,7 0 Tiềm năng 401.444 102.716 8.748 452 (MW) Bảng 2.3. Tiềm năng gió tại Việt Nam (ở vtb≥ 6m/s và độ cao 60m so với mặt đất)Nguồn: EVN STT Địa điểm Tiềm năng kỹ thuật (MW) 1 Miền Bắc 50 2 Miền Trung 880 3 Miền Nam 855 Tổng cộng 1,785  Năng lượng gió ở Việt Nam hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng cho ngành điện, nổi bật là các vùng Miền Nam + Vùng bao quanh gồm vùng Châu thổ sông Mê Kong đến thành phố Hồ Chí Minh, gió rất tốt, tiêu biểu 7 – 7,5 m/s kéo dài từ bờ biển phía Bắc. + Vùng Côn Đảo gió rất tốt, đạt 8 – 9 m/s ở những khu vực địa hình đồi trọc. + Vùng Châu thổ với tốc độ gió trung bình 5,6 – 6 m/s tại nhiều vùng ven biển. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 7 /31
11. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Tây Nguyên Gió rất tốt ở miền núi Nam Trung Bộ. Có thể thấy được ở tại hướng Đông vùng này. Tuy nhiên, chỉ có ở cao nguyên hướng Tây Bắc vùng núi Bảo Lộc, ở độ cao 800 – 1.000m, tốc độ gió đạt 7 – 7,5 m/s. Ngoài vùng này gió yếu hơn. Dải núi giữa Pleiku và Buôn Mê Thuột, ở độ cao 500m tốc độ gió trung bình tại độ cao 65m so với mặt đất đạt 7m/s. Ven biển Nam Trung Bộ + Gió rất tốt đến 8 – 9,5 m/s được tìm thấy trên các đỉnh núi có độ cao 1.600 – 2.000m, phía tây Qui Nhơn và Tuy Hòa ở độ cao 1.000 – 2.000m tốc độ gió vào khoảng 8 - 8,5 m/s. Những bán đảo cạnh Phan Rang, gió đạt 8 -9,5 m/s. + Những vùng thấp gần bờ biển đạt 7,5 -7,8 m/s. + Sơn Hải (Ninh Thuận) và từ phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) có vận tốc gió trung bình lớn và có xu thế ổn định. Bắc Trung Bộ + Gió tại các đỉnh của dải Trường Sơn đạt 8,5 – 9m/s hay 9 – 9,5 m/s. + Vùng núi hướng Tây của Huế ở độ cao 400 – 800 m/s có tốc độ gió trung bình 7– 8m/s. + Những đỉnh núi nhỏ ở độ cao 800 – 1.200 m ở phía Tây dãy Trường Sơn đạt 5,5 -6 m/s. 2.2 Đặc Tính Của Hệ Thống Hình 2.3. Hệ thống điện mặt trời kết hợp với gió Nguyên tắc tạo ra điện từ năng lượng mặt trời và gió: Năng lượng điện tạo ra từ Pin mặt trời và Máy phát điện gió được nạp vào Accu lưu trữ thông qua bộ điều khiện sạc lai (lai giữa gió và năng lượng mặt trời). Tải sử dụng năng lượng lấy từ Accu thông qua một bộ biến tần.  Pin mặt trời tạo ra điện thông qua hiệuứng quang điện, dòngđiện nàyđượcđưa tới bộ xạc để xạc vào bình GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 8 /31
12. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115  Khi có gió, tuabine gió quay làm motor gắn theo cũng quay, sự biến đổi từ trường của nam châm trong motor sinh ra điện. Đây là dòngDC đượcđưa tới bộ chỉnh lưu, tạiđây dòngDC sẽ được nâng lên để nạp vàoắc quy.  Dòngđiện sau khi vàoắc quy sẽđượcđưa đến bộ chỉnh lưuDC – AC biến dòng một chiềuđi ra từắc quy thành dòng xoay chiều đểđưa đến các thiết bị sử dụng  Để tránh khi xạc đầy sẽ gây hư hỏng cho ắc quy nên ắc quy được nối với bộđiều khiển. Khi bình đầy thì dòng sẽđược dẫnđi đốt nóngđiện trở nhằm giảmáp cho ắc quy. 2.3 Kết Cấu Của Hệ Thống  Kết cấu sơ bộ của hệ thống gồm  Phầnđế: Chịu tải trọng và liên kết các bộ phận khác trong hệ thống gồm turbine gió, các tấm pin mặt trời, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác  Phần turbine gió: gồm 3 cánh vớiđường kính quay là 2m. Được liên kết với motor phátđiện qua bộ truyềnđai.  Khung đỡ pin mặt trời: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2 tấm pin.  Hộpđựng: Chứa các phần khác của hệ thống như bộ xạc, bộ chuyển đổi khỏi các tác nhân bên ngoài 2.4 Các Nghiên Cứu Liên Quan Đến Đề Tài 2.4.1 Các Nghiên Cứu Trong Nƣớc  Khu công nghệ cao Q. 9 Tp.HCM Đây là hệ thống lai sử dụng năng lượng gió và mặt trời đầu tiên của tậpđoàn Intel tại châu Á. Sử dụng tuabin gió trục ngang, chiều cao 15m, cung cấp năng lượng cho bóng đèn LED. Ngoài ra, tạiđây còn có các Hình 2.4 Khu công nghệ cao Q. 9 loạixe cộ chạy bằng năng lượng Tp.HCM mặt trời trong nội bộ khu công 290108/ nghiệp.  Công viên Thanh Niên trên đƣờng Trần Phú , Nha Trang năm 2013. Hê ̣thống gồm 8 trụ đèn sử dụng cánh quạt với 3 cánh quạt có chiều dài mỗi cánh là 0,5m ngay công viên có chiều cao 10m. 12 trụ đèn sử dụng pin mặt trời có chiều cao 5m lắp đăṭ doc̣ theo sân bóng đá Thanh Niên. Đây là hê ̣thống đèn khi trời tối se ̃ tư ̣ đôṇ g bâṭ sáng. Hình 2.5 Công viên Thanh Niên Nha Trang GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 9 /31
13. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 2.4.2 Các nghiên cứu ởnƣớc ngoài  Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống lai của Đài Loan Hình 2.6. Mô hình PG-SWL-001 Hình 2.7. Hệ thống lai PG-SWL-004 Lợi ích lớn của việc xây dựng loại nhà máy năng lượng kết hợp này là giảm hệ thống lưới điện, đồng thời các nguồn năng lượng này sẽ bổ sung cho nhau, dẫn đến năng lượng được tải vào lưới điện ổn định hơn so với các nhà máy năng lượng mặt trời, năng lượng gió được xây dựng riêng. Theo Alexander Woitas – người đứng đầu bộ phận kỹ thuật của Solarpraxis AG "Cùng một diện tích bề mặt. Khi lắp đặt hệ thống quang điện kết hợp với tuabin gió sẽ tạo ra nguồn năng lượng gấp đôi so với việc chỉ lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và sự che khuất gây ra bởi các tuabin gió chỉ chiếm 1-2% diện tích của hệ thống năng lượng mặt trời – thấp hơn rất nhiều so với suy nghĩ trước đây”. Các nhà nghiên cứu cũng tính toán những tác động khi kết hợp nhà máy năng lượng mặt trời và năng lượng gió trên lưới điện ở mức độ khu vực và toàn cầu. Điểm mấu chốt của vấn đề là nhà máy điện năng lượng mặt trời tạo ra năng lượng nhiều hơn trong mùa hè, trong khi các tua-bin gió thường sản xuất điện nhiều hơn vào những lúc lạnh lẽo của năm - điều này làm cho việc cung cấp năng lượng sẽ ổn định hơn trong suốt cả năm. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 10 /31
14. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Hệ thống điện mặt trời 3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt trời  Cấu tạo, nguyên lý hoạt động Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Hình 3.1. Cấu tạo của một tế bào quang điện ấu+tạo+tế Để làm pin mặt trời từ bán dẫn tinh khiết +bào+quang+điện phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau để được tiếp xúc p - n. Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn.Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều.  Phân loại pin mặt trời Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: * Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. * Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. * Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể.Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 11 /31
15. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Ngày nay, loại pin năng lượng mặt trời chủ yếu được dùng là loại bán dẫn Silic với bản tiếp xúc p-n. Với loại pin này để thuận lợi trong việc tính toán thiết kế một mạch điện tương đương gồm dòng Hình 3.2. Mạch điện tương đương của pin mặt trời quang điện Iph, diod, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V Thông thường công suất pin mặt trời khoảng 2W và điện áp khoảng 0,5V vì vậy các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp – song song để sản xuất ra lượng điện áp và công suất đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô đun mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 11. Hình 3.3. Mô đun pin mặt trời 3.1.2. Các thành phần của hệ thống pin mặt trời  Pin mặt trời Tấm pin mặt trời (solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời: - Hiệu suất: từ 15% - 18% - Công suất: 110Wp - Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells - Kích thước cells: 5–6 inchs - Loại cells: monocrystalline và polycrystalline - Chất liệu của khung: nhôm - Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 30 năm Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động độc lập như 1 hệ thống back-up điện. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển). GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 12 /31
16. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau. Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ  Bộđiều khiển sạc Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V).Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp.  AC – DC inverter Là bộ biến điện nghịch lưu.Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ăc-quy thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC).Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA. Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sine, giả sine, sóng vuông, sóng bậc thang  Battery Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng.Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.  Khung gá và dây cáp Để đảm bảo cho hệ thống pin mặt trời đặt đúng vị trí tốt nhất (nắng nhiều nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dụng hệ thống luôn được ổn định lâu dài, chúng ta cần dùng đến bộ khung gá và dây cáp chuyên dụng. GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 13 /31
17. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống, các tấm pin mặt trời cần được lắp đặt theo 1 góc nghiêng và 1 hướng nhất định (tùy thuộc từng vị trí lắp đặt cụ thể). Lưu ý khi lắp đặt tránh các vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn những vị trí có thể hứng được nắng tốt nhất cho cả ngày. Các phụ kiện đồng bộ kèm theo: ống, công tắc, bảng điện, Vaseline, domino, ổ cắm để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời. 3.2 HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG SỨC GIÓ Công suất của một turbine gió tạo ra có thể xác định theo các tính toán dựa trên mô hình sau: Hình 3.4 Mô hình chuyển động của gió và turbinenguồn Giả sử không khí chuyển động với vận tốc v, thời gian t để đi được quãng đường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển động m sẽ được như sau: Hay Động năng của khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v: GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 14 /31
18. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 hay Vì công suất được tính bằng năng lượng E cho một đơn vị thời gian, do đó công suất của tuốc bin gió P sẽ là: Với hệ số hoàn thiện hay Betz limit C, công thức tính công suất trên có thể viết lại như sau: Trong đó: ρ - tỉ trọng không khí, kg/m3 (khoảng 1,225 kg/m3 ở mực nước biển, khi cao độ càng tăng tỉ trọng không khí càng giảm); A – bề mặt quét của cánh quạt hướng thẳng vào chiều gió, m2; v – tốc độ gió, m/sec và công xuất P, Watts (= Joules/sec). Theo lý thuyết , C bằng 16/27 = 0.59, nhưng trên thực tế C nằm vào khoảng 0.35. Từ biểu thức trên cho thấy, công suất của turbinegió phụ thuộc vào lập phương của tốc độ gió, vào bề mặt quét của cánh quạt (tức chiều sải dài của cánh quạt) và vào tỉ trọng không khí. Theo công thức trên cho thấy công suất do turbinegió có thể tạo ra tỷ lệ theo lập phương của tốc độ gió, nghĩa là nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần thì công suất gió tăng lên 8 lần. Tất nhiên công suất trên chỉ là công suất theo lý thuyết, công suất thực tế thu được sẽ thấp hơn (khoảng 60%) vì phụ thuộc vào hệ số hoàn thiện của turbine(coefficient of performance) vào hiệu suất của máy phát điện (generator efficiency), hiệu suất của hộp số truyền động (gearbox/bearings efficiency), v v Nếu tính công suất (lý thuyết) do turbinegió tạo ra cho 1m2 bề mặt cánh quạt quét trực tiếp với hướng gió, chúng ta được mật độ công suất gió (wind power density) (W/m2). GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 15 /31
19. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Mật độ công suất gió chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió v và tỷ trọng không khí ρ, có giá trị 푃 1 3 푊 bằng: = 2 . . 푣 2 Công suất tối đa của một cánh quạt: 3 Pmax = 0,36.h.r.v Trong đó: h: chiều cao của cánh quạt R: bán kính của cánh quạt V: tốc độ gió Hình 3.5. Cánh gió của turbine gió trục đứng Tần số góc của cánh quạt được tính bởi: 휆. 푣 휔 = Trong đó: λ_yếu tố thứ nguyên, gọi là tỷ lệ đầu tốc độ. Giá trị thường từ 0,5 đến 14. Trong cánh quạt, λ ≈ 1. Bảng 3.1: Bảng phân loại các cấp độ gió nguồn Tốc độ gió đo ở độ cao 10m Tốc độ gió ở độ cao 50m Cấp độ gió Tốc độ, m/sec Tốc độ, m/sec 1 7,0 >8,8 Bảng 3.2: Bảng phân loại theo mật độ công suất nguồn Mật độ công suất gió, W/m2 Cấp độ gió Tốc độ gió đo ở độ cao 10m Tốc độ gió đo ở độ cao 50m 1 400 >800 GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 16 /31
20. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 Chƣơng 4: CÁC PHƢƠNGÁN THIẾT KẾVÀ PHƢƠNG ÁN CHỌN LỰA 4.1 Nhu cầu mức điện năng tiêu thụ cho sinh hoạt tối thiểu của một hộ gia đình STT Thiết bị điện gia Số Công suất (Pi) T/g sử dụng Điện năng tiêu dụng lượng trong ngày (ti) thụ/ngày (Pi.ti) 01 Đèn compact tiết 03 60 W 05 giờ 300 Wh kiệm điện 20W 02 TV màu 21 inch 01 70W 08 giờ 560Wh 03 Quạt bàn 60 W 01 60 W 08 giờ 480 Wh 04 Các loại thiết bị 455 W 2 giờ 910 Wh điện khác Tổng 165 W 2250 Wh Nội dung chính  Lựa chọn sơ đồ khối cho hệ thống  Tính toán, thiết kế hệ thống thiết bịđiện mặt trời  Tính toán, thiết kế hệ thống thiết bị gió 4.2 Phƣơng Hƣớng Và Giải Pháp Thực Hiện 4.2.1 Phƣơng Án 1:Hệ thống sử dụng turbine trục ngang ở trên và pin mặt trờiở dưới ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Hệ thống có cấu tạo đơn giản, Chi phí chế tạo cánh turbine cao và thuận tiện cho việc lắp đặt khó chế tạo Do pin mặt trời được lắp đặt thấp Pin mặt trời có thể bị hạn chế ánh hơn turbine gió nên dễ dàng sáng do bị pin che cho việc vệ sinh Turbine gió trục ngang chỉ lấy được gió theo 2 hướng Hình 4.1 Turbine trục ngang ở trên và pin mặt trời ở dưới 4.2.2 Phƣơng Án 2:Hệ thống sử dụng turbine trục ngang ở dưới và pin mặt trờiở trên ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Hệ thống có cấu tạo đơn giản, Chi phí chế tạo cánh tuabin cao và khó thuận tiện cho việc lắp đặt chế tạo Pin mặt trời được lắp cao hơn Khó khăn cho việc vệ sinh và tháo lắp turbine gió nên không bị che và sửa chữa pin khuất, giúp nâng cao hiệu suất Turbine gió trục ngang chỉ lấy được pin gió theo 2 hướng Hình 4.2 Turbine trục ngang ở trên và pin mặt trời ở trên GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 17 /31
21. Đề tài cấp trường: Thiết kế, chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện Mã số T2014-115 4.2.3 Phƣơng Án 3: Hệ thống sử dụng turbine trục ngang, pin mặt trờilắp ngang nhau ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Hiệu suất làm việc cao đáp ứng Chi phí chế tạo cánh turbine đủ yêu cầu của cả pin và cao và khó chế tạo turbine gió Khó khăn cho việc vệ sinh và tháo lắp và sửa chữa pin Tuabin gió trục ngang chỉ lấy được gió theo 2 hướng Hình 4.3 Turbine trục ngang và pin mặt trời lắp ngang nhau 4.2.4 Phƣơng Án 4: Hệ thống sử dụng turbine trục đứngở trên và pin mặt trờiở dưới ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Lấy được sức gió từ nhiều Pin mặt trời có thể bị che 1 hướng hơn so với turbine trục phần khi làm việc ngang Cánh turbine dễ chế tạo, chi phí thấp Thuận tiện cho lắp đặt, sữa chữa và vệ sinh pin mặt trời Hình 4.4 Turbine trục đứng ở trên và pin mặt trời ở dưới 4.2.5 Phƣơng Án 5: Hệ thống sử dụng turbine trục đứngở dưới và pin mặt trờiở trên ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Lấy được sức gió từ nhiều Năng lượng gió tạo ra giảm hướng hơn so với tuabin trục do độ cao lắp đặt giảm ngang Gây khó khăn cho việc sữa Cánh tuabin dễ chế tạo chữa và vệ sinh pin Pin mặt trời không bị che khuất khi làm việc Hình 4.5 Turbine trục đứng ở dưới và pin mặt trời ở trên GVC. ThS HOÀNG TRÍ Trang 18 /31
22. S K L 0 0 2 1 5 4