ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ PHỤC VỤ CHIẾU SÁNG CHO NGƯỜI DÂN VÙNG SÂU, VÙNG XA

Cuộc thi sáng tạo Khoa học – Kĩ thuật dành cho học sinh Trung học

DỰ ÁN
ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
PHỤC VỤ CHIẾU SÁNG CHO NGƯỜI DÂN VÙNG SÂU, VÙNG XA

Lĩnh Vực Dự Thi: Vật liệu, hóa chất, năng lượng

1


MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU............................................................................................................4
1. Lý do chọn dự án............................................................................................................4
2. Mục đích nghiên cứu......................................................................................................4
3. Nhiệm vụ nghiên cứu......................................................................................................4
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................4
PHẦN 2. NỘI DUNG.........................................................................................................6
1. Cơ sở lý thuyết................................................................................................................ 6
1.1. Năng lượng trong gió...............................................................................................6
1.2. Cấu tạo của turbine gió............................................................................................6
1.3. Cơng suất thu được của turbine gió..........................................................................8
1.4. Đường cong cơng suất của turbine gió.....................................................................9
1.5. Sự truyền động và hiệu suất của máy phát.............................................................10
2. Quy trình thực hiện dự án.............................................................................................11
2.1. Thiết kế các bộ phận của hệ thống năng lượng gió................................................11
2.1.1. Bán kính cánh quạt gió....................................................................................12
2.1.2.Trục đỡ cánh quạt.............................................................................................12
2.1.2. Máy phát điện.................................................................................................12
2.1.4. Tháp turbine (Trụ)...........................................................................................12
2.1.5. Đuôi chỉnh hướng...........................................................................................13

2.1.6. Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc......................................................................13
2.1.7. Dung lượng bình ắc quy lưu trữ điện..............................................................13
2.2. Thi cơng các bộ phận.............................................................................................14
2.2.1 Cánh quạt gió...................................................................................................14
2.2.2.Trục đỡ cánh quạt.............................................................................................15
2.2.3 Máy phát điện..................................................................................................15
2.2.4 Tháp turbine (Trụ)............................................................................................16
2.2.5 Đuôi chỉnh hướng............................................................................................16
2.2.6. Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc......................................................................17
2.2.7. Bình ắc quy lưu trữ điện..................................................................................17
2.2.8 Đèn chiếu sáng.................................................................................................17
2.3. Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng..........................................................................18

2


2.3.1. Quạt tạo gió để xác định các thơng số của hệ thống........................................18
2.3.2. Đo tốc độ gió...................................................................................................18
3. Kết quả nghiên cứu.......................................................................................................19
3.1. Thông số kỹ thuật của thiết bị................................................................................19
3.2. Thiết bị hoàn chỉnh................................................................................................20
3.3. Số liệu thu được từ thực nghiệm............................................................................20
4. Phân tích kết quả nghiên cứu........................................................................................21
PHẦN 3. KẾT LUẬN.......................................................................................................22
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................23

3


PHẦN 1. MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn dự án
Có thể thấy rằng gió là một nguồn năng lượng sạch và kinh tế do thiên nhiên ban
tặng. Năng lượng gió dễ khai thác với cơng nghệ đơn giản, chi phí đầu tư, vận hành
tương đối thấp. Khai thác tốt năng lượng gió sẽ giúp đa dạng hóa các nguồn phát điện,
giảm bớt gánh nặng cho lưới điện vốn dựa trên các nguồn năng lượng truyền thống.
Hiện nay, việc khai thác năng lượng gió chủ yếu dựa vào các turbine gió phát điện.
Tuổi thọ của một turbine gió phát điện khá cao, có thể lên đến 20-30 năm. Tuy nhiên, các
turbine gió chủ yếu là loại có cơng suất lớn, giá thành cao và không phổ biến với đại đa
số người dân.
Bên cạnh đó, ở nước ta cịn hàng trăm ngàn hộ gia đình chưa được sử dụng điện của
hệ thống điện quốc gia, đặc biệt ở những vùng sâu, vùng xa, vùng đồng bào dân tộc ít
người. Việc có điện để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt cho người dân là một vấn đề cấp
thiết.
Chính vì các lý do trên, tác giả đã nghiên cứu và thực hiện dự án: “ Ứng dụng năng
lượng gió phục vụ chiếu sáng cho người dân vùng sâu, vùng xa ”
2. Mục đích nghiên cứu
Chế tạo được hệ thống năng lượng gió phục vụ chiếu sáng cho người dân vùng
sâu, vùng xa.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thiết kế, chế tạo máy phát điện bằng sức gió, có cấu tạo đơn giản, dễ vận chuyển
và lắp ráp, độ bền cao, điện năng thu được từ năng lượng gió sẽ được nạp vào ắc quy dự
trữ để phục vụ chiếu sáng cho người dân về ban đêm.
- Năng lượng dự trữ đủ để thắp sáng bóng đèn copact 13W trong 8 giờ.
- Kích cỡ của tuabin gió phù hợp để giá thành phù hợp với người dân, đồng thời
cũng phải đủ công suất điện để nạp vào ắc quy dự trữ.
- Mạch nạp ắc quy tự động nạp khi bình yếu, tự động ngắt khi ắc quy đầy.
- Việc lắp đặt đơn giản, tiện lợi, turbine gió chắc chắn, có thể hoạt động lâu dài.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành tốt các nhiệm vụ nghiên cứu của dự án, nhóm tác giả sử dụng các
phương pháp sau:

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, giáo trình, tài liệu

4


+ Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành chế tạo, đo đạc các thơng số và phân
tích dữ liệu thu được từ thực nghiệm.
+ Tham khảo ý kiến chuyên gia: Trong thời gian làm dự án, nhóm tác giả đã
tham khảo ý kiến của các chuyên gia am hiểu về năng lượng gió.

5


PHẦN 2. NỘI DUNG
1. Cơ sở lý thuyết
1.1. Năng lượng trong gió
Xem xét một khối khơng khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v.
1
- Động năng của nó E được cho bởi E  mv2 .
2
- Khối lượng khối khơng khí : m = ρ.A.v [kg/s]
1
- Năng lượng của khối khơng khí:     3 [W]
2
Trong đó ρ là mật độ khơng khí; A là tiết diện khối khí; v là vận tốc khối khí
Như vậy, ta thấy cơng suất gió tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió.

Hình 1. Đồ thị mối tương quan giữa cơng suất và vận tốc gió
1.2. Cấu tạo của turbine gió
Turbine gió được thiết kế để chuyển đổi một phần động năng của gió thành cơ năng

có ích. Bộ phận chủ yếu của turbine gió là rotor. Tùy thuộc vào vị trí của rotor, turbine
gió có thể phân thành hai dạng: turbine gió trục đứng và turbine gió trục ngang.
Turbine gió trục đứng
Một dạng turbin gió trục đứng phổ biến là turnine gió Darrieus. Turnine gió
Darrieus được sáng tạo ở Mỹ bởi G. J. M. Darrieus vào năm 1931.
- Ưu điểm:
+ Máy phát và các thiết bị truyền động được đặt tại mặt đất.
+ Có thể đón gió từ bất kỳ hướng nào mà khơng cần bộ điều chỉnh hướng.
+ Công nghệ chế tạo tương đối đơn giản.

6


- Nhược điểm:
+ Cần một hệ thống dây giữ trên pham vi rộng.
+ Khi tốc độ gió thấp turbine dừng lại, khi tốc độ gió tăng lên turbine khơng
tự khởi động lại được.
Do những lý do trên nên turbine gió trục đứng chưa được phát triển trong thời gian
qua.

Hình 2. Turbine gió trục đứng Darrieus
Turbine gió trục ngang
Ngày nay hầu hết các turbine gió thương mại được sử dụng là turbine gió trục
ngang, có hai hoặc ba cánh quạt.
Đặc điểm:
+ Turbine gió, hộp số, máy phát được đặt trên đỉnh của tháp.
+ Có một hệ thống điều chỉnh hướng để các cánh ln hướng về hướng gió.

Hình 3. Turbine gió trục ngang

7


Hình 4. Các bộ phận chính trong turbine gió trục ngang
1.3. Cơng suất thu được của turbine gió
Cơng suất thu được của turbine gió P m chính là hiệu số giữa năng lượng trích trữ
trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc ν và năng lượng của gió ở phía sau cánh quạt
1
1
Pm   3C p  R 2 3C p [W]
2
2

có vận tốc νd:

Trong đó: + R : Bán kính cánh quạt [m]
+ ρ : Mật độ khơng khí [kg/m3], ở điều kiện chuẩn ρ = 1.293 kg/m3
+ υ : Vận tốc gió [m/s]
+ Cp: Hiệu suất của cánh quạt turbine

1
C p  (1   )(1   2 ) , với   d là tỉ số tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió
2


đi vào cánh quạt
d 1


3

Theo tính tốn, Cp max = 16/27 ứng với giá trị  

Do đó, cơng suất lớn nhất mà turbine gió có thể thu được từ gió vào khoảng 59,3%.

8


Hình 5. Đường cong hiệu suất turbine
Thơng thường một turbine gió chuyển hóa được khoảng 40% năng lượng trong gió
thành cơ năng được xem là khá tốt bởi vì những điều kiện trong thực tế như sự thay đổi
tốc độ gió, hướng gió, sự ma sát của cánh quạt…
1.4. Đường cong cơng suất của turbine gió
Một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự thực hiện một hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió là cơng suất đáp ứng của nó với những vận tốc gió khác nhau.

Hình 6. Đường cong cơng suất lý tưởng của turbine gió cơng suất 2MW
Từ 0 đến VI: Turbine gió khơng làm việc, khơng có cơng suất ngõ ra.
VI đến VR: Cơng suất ngõ ra tăng với tỉ lệ lũy thừa bậc ba của vận tốc gió.
VR đến V0: Hệ thống lược bớt cơng suất công, công suất ngõ ra là hằng số.
Lớn hơn V0: Hệ thống ngừng lại, khơng có cơng suất ngõ ra.

9


1.5. Sự truyền động và hiệu suất của máy phát

Hình 7. Biểu đồ cơng suất hệ thống điện năng gió.
Vậy công suất điện ngõ ra của máy phát : Pe = Cp ηm ηg Pω

[W]

Trong đó: + Pω : Năng lượng ngõ vào của gió
+ Cp : Hiệu suất của cánh quạt turbine
+ Pwtr :Cơng suất mà turbine gió thu được
+ ωwtr : Vận tốc của turbine gió
+ ηm: Hiệu suất truyền động qua hộp số
+ Pt : Công suất ngõ ra sau truyền động
+ ωm: Vận tốc máy phát
+ ηg : Hiệu suất máy phát
+ Pe : Công suất ngõ ra của máy phát
Hiệu suất cánh quạt của turbine gió C p thay đổi nhiều theo tốc độ gió và đặc điểm
cấu tạo của turbine.

Hình 8. Đường cong biểu thị mối quan hệ giữa hệ Cp và vận tốc gió của turbine

10


2. Quy trình thực hiện dự án
2.1. Thiết kế các bộ phận của hệ thống năng lượng gió

Hình 9. Các bộ phận chính của hệ thống năng lượng gió
1. Cánh quạt
2.Trục đỡ cánh quạt
3. Máy phát điện
4. Tháp đỡ
5. Đuôi chỉnh hướng
6. Mạch nạp ắc quy
7. Ắc quy

Thông số yêu cầu:
- Tốc độ gió khởi động: Vkđ = 2 m/s;
- Tốc độ gió bắt đầu phát: Vp = 2.5 m/s;
- Tốc độ gió định mức: Vđm = 5,5 m/s (Gió cấp 3)
- Công suất định mức: Pđm = 50W;
- Tốc độ quay totor: 0 – 250 vòng/phút;
- Loại turbine: 5 cánh, trục ngang.

11


2.1.1. Bán kính cánh quạt gió
Ta có cơng thức tính bán kính của turbine gió:

R

P
1 3
U  
2

Hiệu suất turbine cực đại đạt được theo lý thuyết là 0.593 nhưng các turbine gió
ngày nay thì chỉ đạt giá trị η = 0.3 – 0.4.
Chọn η = 0.35 với công suất định mức P= 50W, khối lượng riêng của khơng khí ρ =
1,225 kg/m3, vận tốc gió định mức U∞ = 5,5m/s, ta tính được bán kính R = 0.67 m .
Số cánh turbine gió là 05, cánh có hình dạng khí động học
2.1.2.Trục đỡ cánh quạt
Trục đỡ là tấm kim loại hình trịn đường kính 15cm để gắn các cánh quạt.

Hình 10. Thiết kế trục đỡ cánh quạt

2.1.2. Máy phát điện
Máy phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong tuabine gió, vì
nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của tuabine thành điện năng.
Tuabine được nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyền động,
tức là trực tiếp điều khiển máy phát. Loại máy phát này sẽ có tốc độ quay chậm hơn so
với các loại máy phát thông thường.
Thông số yêu cầu đối với máy phát điện:
+ Số nam châm vĩnh cửu: 4 cái

+ Điện áp: U = 6V – 12V

+ Số cuộn dây: 2

+ Khối lượng: m = 3kg

+ Tốc độ quay: n = 0 – 200 vòng/phút

+ Số pha: m=1

+ Cơng suất tối đa: P = 110W

+ Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

2.1.4. Tháp turbine (Trụ)
Tháp hỗ trợ các cánh quạt và vỏ bọc động cơ của một tuabine gió ở độ cao mong
muốn.

12

Sử dụng tháp hình ống cho turbine cơng suất nhỏ. Chiều cao tháp 3m, có thể điều
chỉnh chiều cao bằng cách lắp thêm các ống vào chân tháp.

Hình 11. Thiết kế tháp Turbine (trụ)
2.1.5. Đuôi chỉnh hướng
Đuôi chỉnh hướng giữ cho quạt gió ln hướng về hướng gió nhiều nhất.

Hình 12. Thiết kế đuôi chỉnh hướng
2.1.6. Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc
Bộ điều khiển nạp sạc là một thiết bị trung gian giữa turbine và bình ắc quy lưu trữ.
Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển nạp sạc là "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ
nguồn điện sinh ra do turbine gió. Khi ắc quy nạp đầy thì bộ điều khiển sẽ ngắt nguồn
điện, nhằm bảo vệ tuổi thọ của ắc quy.
Lựa chọn mạch sạc có các thơng số và đặc tính sau:
+ Sạc cho bình ắc quy: từ 10A

+ Bình ắc quy yếu tự sạc

+ Điện áp vào: từ 6 – 12 VAC.

+ Sạc và bảo vệ

+ Điện áp ra: 6VDC

+ Bảo vệ chống đấu ngược cực

+ Sạc đầy tự ngắt

+ Ổn định dòng sạc
+ Ổn định điện áp sạc.

2.1.7. Dung lượng bình ắc quy lưu trữ điện
Để lưu trữ điện từ tuabine gió phát ra ta dùng bình ắc quy khơ để dự trữ nguồn điện
một chiều. Khi tuabin gió khơng hoạt động hay hoạt động yếu, bình ắc quy sẽ cung cấp
điện cho bóng đèn.
Dùng ắc quy khơ an tồn, dễ bảo quản hơn ắc quy nước.
Chọn bình ắc quy 6V – 4.5Ah đủ để thắp sáng bóng đèn 13W trong 7 giờ.

13


2.2. Thi cơng các bộ phận
2.2.1 Cánh quạt gió

Hình 13. Các cánh quạt gió

Hình 14. Bố trí các cánh quạt gió

14


2.2.2.Trục đỡ cánh quạt

Hình 15. Trục đỡ cánh quạt đường kính 15cm
2.2.3 Máy phát điện

Hình 16. Máy phát điện với các cuộn dây stator

15

2.2.4 Tháp turbine (Trụ)

Hình17. Trụ turbine gió cao 3m
2.2.5 Đi chỉnh hướng

Hình 18. Đi chỉnhhướng của turbine gió

16


2.2.6. Lựa chọn bộ điều khiển nạp sạc

Hình 19. Mạch điều khiển sạc tự động
2.2.7. Bình ắc quy lưu trữ điện

Hình 20. Bình ắc quy lưu trữ điện năng 6V - 4,5Ah
2.2.8 Đèn chiếu sáng

Hình 21. Đèn chiếu sáng cơng suất 13W

17


2.3. Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng
2.3.1. Quạt tạo gió để xác định các thông số của hệ thống
Sử dụng quạt cơng nghiệp cơng suất lớn để tạo gió mơ phỏng
Thơng số kỹ thuật của quạt
+ Kích thước: 30”
+ Lượng gió: 18000m³/h

+ Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ để điều chỉnh tốc độ gió.

Hình 22. Quạt gió cơng nghiệp
2.3.2. Đo tốc độ gió
Sử dụng máy đo tốc độ gió GM-8908 để xác định vận tốc gió.

Hình 23. Máy đo tốc độ gió GM – 8908

18


Máy đo tốc độ gió GM-8908 là một thiết bị đo tốc độ gió cầm tay tiện dụng. Tính
năng chính của máy là đo nhiệt độ khơng khí trung bình, đo tốc độ gió, mơ phỏng phản
ứng của gió.
Thơng số kỹ thuật của máy
+ Đo tốc độ khơng khí: 0 ~ 30 m/s (± 5%).
+ Đo nhiệt độ khơng khí: -10 ~ 45oC, 14 ~ 113oF (± 2oC).
+ Độ phân giải: 0,2oC, 0.2 m/s.
+ Màn hình: LCD.
+ Cảm biến tốc độ gió: cánh quạt nhựa, cảm ứng từ.
+ Cảm biến nhiệt độ: nhiệt kế NTC.
+ Dấu hiệu thông báo pin yếu: có.
+ Tự động tắt: 14 phút mà khơng có bất kỳ hoạt động nào.
+ Công nghệ đèn nền: 12 giây hoạt động bằng cách bấm phím bất kỳ.
+ Tính năng đọc MAX/ MIN/ AVG.
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Thông số kỹ thuật của thiết bị
- Tốc độ gió khởi động: 2 m/s
- Tốc độ gió bắt đầu phát: 2,5 m/s
- Tốc độ gió định mức: 5,5 m/s ( Gió cấp 3)

- Công suất định mức: 50W
- Tốc độ quay rotor: 0 – 100 vg/ph
- Loại turbine: 5 cánh, trục ngang
- Trọng lượng: 7,5 kg
- Đường kính cánh quạt : 1,5m

19


3.2. Thiết bị hồn chỉnh

Hình 24. Turbine gió và đèn chiếu sáng
3.3. Số liệu thu được từ thực nghiệm
Công suất ngõ ra ứng với vận tốc gió
Tốc độ gió (m/s)
1
2
2.5
3
4
5
5.5
6
7

Cơng suất (W)
0
0
4.7
8

19
38
50
65
103

20