Thiết kế hệ thống chiếu sáng Hybrid sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời.PDF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM



LÊ HOÀI PHƯƠNG




THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
HYBRID NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI





LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114





TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013
i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả

nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
















ii
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS Nguyễn
Tấn Tiến – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cám ơn phòng Qu
ản lý Khoa học – Đào tạo sau Đại học, xin
chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công nghệ thành phố
Hồ Chí Minh đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa
học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2013
Người thực hiện



Lê Hoài Phương
iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời và năng lượng gió là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với
trữ lượng lớn. Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên
nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn
năng lượng tái tạo khác như năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng
lượng mặt trời và năng lượng gió có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt
khi tới bề mặt trái đất.
Để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả cần có một
hệ thống lưới điện thông minh. Khi gió tác động lên các cánh quạt gió của tuabin cơ
năng sẽ được chuyển thành điệ
n năng xoay chiều AC sau khi đi qua hệ thống điều
khiển chuyển đổi để kết hợp với nguồn điện do pin năng lượng mặt trời tạo ra. Nguồn
năng lượng một chiều này được nạp trực tiếp vào bình ácquy thông qua hệ thống nạp,

sau đó chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiể
n
có chức năng truyền năng lượng này đến hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng.

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thiết kế máy phát điện.
Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin
năng lượng mặt trời
Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng.
Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng.
Kết kuận
Để dễ theo dõi, bản luận văn đã được bố cục thành các chương với đầy đủ nội
dung được đề cập đến đã giải quyết được những vấn đề sau đây:
iv


 Nghiên cứu về các nguồn và các công nghệ sử dụng năng lượng gió và năng
lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam.
 Đánh giá tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng gió ở Biên Hòa:
- Tốc độ gió, cấp gió
- Chế độ gió ở Đồng Nai
- Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Đồng Nai
 Thiết kế hệ thống phát
điện sử dụng sức gió công suất nhỏ
- Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ
- Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 300W.
- Thiết kế lựa chọn pin năng lượng mặt trời công suất 40W.
- Thiết mạch điện sử dụng hệ thống hybrid Bản luận văn này đã hoàn thành tố
t

nhiệm vụ đặt ra, theo đúng các yêu cầu về nội dung và chất lượng.













v


ABSTRACT
INTRODUCTION
Solar and wind energy is a renewable form of energy with great reserve endlessly.
It is one of the renewable energy sources of the most important natural gift for our planet.
At the same time it is also a source of renewable energy sources such as biomass energy,
the energy of the river, Solar and wind power can tell is endless. However, to harness
and use this energy needs to know the characteristics and basic properties of it, especially
when it comes to the earth's surface.
To harness and use solar energy effectively need a smart grid system. When the
wind acting on the blades of the wind turbine mechanical energy is converted into AC
power after passing control system combined with switching to battery power by solar
energy generated, energy sources DC is loaded directly into the bottle through the battery
charging system, then converted into alternating current electric power (AC) by inverters.

The controller which transfers this energy to the system control lights
The content of the thesis is divided into five chapters:
Chapter 1: Overview
Chapter 2: Designing generator.
Chapter 3: Design wind systems: System propellers, turbines, choosing solar battery
Chapter 4: Control circuit lighting system.
Chapter 5: Experimental verification.
THE KUAN
For ease of tracking , the thesis has been organized into chapters with full internal
mentioned solution solves the following problems :
 The study of the sources and uses of technology wind energy and solar energy in the
world and in Vietnam .
 Evaluate the status and potential of wind energy applications in Bien Hoa :
vi


- Wind speed , wind levels
- Wind regime in Dong Nai
- Production of electricity from wind energy in Dong Nai
 Design generator system using small wind power capacity
- Block diagram generation system using wind power capacity of small
- Design calculations synchronous generator excitation eternal 300W .
- Design selection of solar battery power 40W .
- Setting circuits using hybrid system of this thesis was to fulfill the tasks set out , in
accordance with the requirements for the content and quality .


MỤC
LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN iii
ABSTRACT v
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 4
1.1. Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird.
4
1.1.1. Hệ thống chiếu sáng thông thường 4
1.1.2. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. 4
1.1.3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybird gió và năng lượng mặt
trời. 5
1.2. Các d
ạng máy phát điện gió. 7
1.2.1. Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ
bản chính như sau: 7
1.2.2. So sánh tuabin trục đứng và trục ngang: 7
1.3. MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM 10
1.4. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 11
1.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12
1.5.1. Hệ thống điện gió độc lập. 12
1.5.2. Hệ thống điện gió hybrid. 12
1.5.3. Bộ điều khiển: 13
1.5.4. Bộ sạc acqui 14
1.5.5. Bộ biến đổi 14
1.5.6. Đèn chiếu sáng 14
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN 16
2.1.Thiết kế chế tạo máy phát điện gió 16

2.1.1. Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ 16
2.1.2. Dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí 17
2.1.3. Kích thước Rotor 18


2.1.3.Tính toán mạch từ 19
2.1.4.Tổng kết các số liệu thiết kế 21
Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT 22
3.1. Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng. 22
3.1.1. Dạng cánh Giromill 22
3.1.2. Dạng cánh Lenz2 24
3.2.Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin: 25
3.2.1.Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ: 25
3.2.2.Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió: 26
3.2.3.Các thiết bị phụ trong tuabin gió: 27
3.2.4.Động lực học cánh gió tuabin. 27
3.2.5.Tính công suất hệ thống cho turbin 3 cánh: 32
3.3.Lựa chọn pin năng lượng mặt trời 33
Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG.
35
4.1.Nghiên cứu mạch điện MPP, “Maximum Power Point”, để thu được công
suất lớn nhất tại mọi thời điểm khi vận tốc gió thay đổi. 35
4.1.1.Giới thiệu: 35
4.1.2.Mạch biến đổi điện áp DC/DC: 36
4.1.3.Lý thuyết MPPT: 38
4.1.4.Giải thuật MPPT: 41
4.2.Thi công chế tạo bộ biến đổi điện áp dc/dc sử dụng giải thuật MPPT: 43
4.4.Thiết kế hệ thống hybrid: 45
Chương 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 50
5.1. Thực ngiệm dạng cánh: 50

5.2.Lắp đặt và vị trí lắp đặt: 51
5.3.Các thông số đo được 51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53
1. Kết luận 53
2. Kiến nghị 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
1


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài.
Ngoài lượng điện lưới thông thường thì năng lượng mặt trời, năng lượng gió là
một năng lượng tái tạo mà

Thế giới và Việt Nam đang quan tâm.

Hiện nay, năng
lượng gió, và năng lượng mặt trời đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu
muốn đẩy

mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn
chỉnh thêm

công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động
năng của gió

thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được
với những

nguồn năng lượng khác.
Hệ thống sử dụng tuabin gió trục đứng đang là hướng nghiên cứu mới hiện

nay
do hệ thống này khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trục ngang

như
là kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất cho tải một cách độc lập; điều khiển

góc
mở của cánh gió theo hướng gió và theo cường độ gió. Như ta đã biết nhược điểm
lớn nhất của tuabin gió trục đứng là khi quay nếu các cánh gió đều mở thì một

bên có
tác dụng hứng gió làm tuabin quay, bên còn lại cản gió làm giảm tốc độ quay

của
tuabin. Một số nghiên cứu gần đây khắc phục nhược điểm đó bằng cách điều

khiển góc mở cánh gió thông qua việc thiết kế hình dáng động học của cánh gió

hoặc dùng phương pháp che gió không cho tác động vào cánh gió ở nửa cản gió của
tuabin đối với loại có công suất nhỏ hoặc sử dụng một số cách điều khiển cơ khí

như sử dụng kết cấu cam đối với loại có công suất lớn mà chưa quan tâm đến điều

khiển góc mở của cánh sử dụng các bộ điều khiển bằng điện kết hợp với kết cấu cơ

khí để điều khiển công suất khi hướng gió cũng như cường độ gió thay đổi.

Để phát
huy các ưu điểm của hệ thống tuabin gió trục đứng là điều khiển được công

suất cho
tải phù hợp với cường độ gió ta phải có sự kết hợp giữa điều khiển điện và

cơ. Đó
chính là lĩnh vực nghiên cứu của cơ điện tử và cũng là hướng mà đề tài cần

nghiên
cứu.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc
công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá
nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại
trường Đại học Công nghệ TP. HCM, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường,
phòng đào tạo Sau Đại học và PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, tác giả
đã lựa chọn đề tài
tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng
2


lượng mặt trời”.
2.

Mục đích của đề tài
Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm

giá
thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch ở

hiện
tại và trong tương lai. Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì

cần
phải có các thiết bị chuyển đổi với các bộ điều khiển hợp lý.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng hệ thống hybrid kết hợp hai
nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho hệ thống đèn
chiếu sáng công cộng.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Hệ thống cánh gió của tuabin trục đứng.
-

Khảo sát các thông số của mô hình tuabin trục đứng.
-

Thiết kế chế tạo động cơ máy phát điện.
-

Lựa chọn pin năng lượng mặt trời phù hợp với đề tài.
-

Thực nghiệm đề tài.
4.

Phương pháp nghiên cứu

-

Tính toán thiết kế chế tạo máy phát điện không đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh
cửu.
-

Nghiên cứu thiết kế dạng cánh, chọn dạng cánh phù hợp với đề tài.
-

Tính toán thiết kế mạch điều khiển và mạch hybrid.
-

Lựa chọn pin năng lượng mặt trời .
-

Hoàn thiện hệ thống, thực nghiệm lấy kết quả.
5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
-

Ý nghĩa khoa học:
Đây là một hướng nghiên cứu mới có rất nhiều người đang quan tâm, tuy

nhiên chưa có nghiên cứu nào hoàn chỉnh về vấn đề này. Từ đây cho thấy hướng phát
triển đề tài của tác giả là rất cấp thiết trong hoàn cảnh hiện nay.
-

Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài đưa ra một phương án kết hợp hai nguồn năng lượng tái tạo mà Việt

Nam đang quan quan tâm trong việc sử dụng nguồn năng lượng sạch cho hiện tại
và trong

tương lai.

6.

Cấu trúc của luận văn
Luận văn được chia thành 5 chương:
Chương 1: Tổng quan
3


Chương 2: Thiết kế máy phát điện.
Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin
năng lượng mặt trời
Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng.
Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng.
Các kết luận và kiến nghị.

4


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG
1.1. Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird và các
công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng
mặt trời” trong nước và trên thế giới .
1.1.1. Hệ thống chiếu sáng thông thường.
Hiện nay hệ thống chiếu sáng thông thường sử dụng hệ thống đèn sử dụng năng
lượng từ nguồn điệ
n lưới quốc gia bao gồm các loại đèn như bóng hiệu suất thấp heli,
metan, bóng hiệu suất cao như sodium, bóng led…


Hình 1.1 : Đèn chiếu sáng hiệu suất cao HPS onyx 2
Các loại bóng được sử dụng cho các loại đèn này 100W,150W, 250W, 400W do đó
để chiếu sáng cho một 1Km đường với bề rộng mặt đường 8m đảm bảo độ chiếu sáng
2700lm thì chúng ta phải cần đến 35 bộ đèn 250W

Nhằm tiết giảm điện năng hiện nay một số các công ty cho ra dời một thế hệ đèn
mới, đó là đèn chiếu sáng s
ử dụng 2 công xuất điện áp
Điện nguồn :220V.
Công suất :150W/250W
Quang thông :3200Lumen(Lm)
Thời gian sử dụng :24.000 giờ
Đường kính bóng :48mm
1.1.2. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời.
Cùng với việc muốn phát triển một nguồn năng lượng xanh, năng lượng tái tạo các
nhà thiết kế chế tạo cho ra đời đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. Với ngu
ồn
5


điện chính được lấy từ pin năng lượng mặt trời sau đó qua bộ điều khiển (Maximum
Power Point Tracking – MPPT) nạp trực tiếp vào bình accu từ đây nguồn điện được đưa
các thiết bị nắn nguồn và đưa ra tải (đèn chiếu sáng) do công xuất của những tấm pin
thường nhỏ nên các nhà thiết kế thường sử dụng hệ thống đèn led để chiếu sáng.

Hình 1.2 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời
1.1.3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybrid gió và năng lượng mặt trời.
Cùng với việc sử dụng năng lượng xanh và năng lượng mặt trời thì năng lượng
gió cũng là một trong những nguồn năng lượng đang được triển khai mạnh trên toàn
Thế giới. Ở Việt Nam đèn chiế
u sáng sử dụng năng lượng gió chỉ mới được áp dụng
thử nghiệm tại những cung đường nhỏ, các hải đảo. Chính vì lẽ đó đề tài này tôi đã kết
hợp hai nguồn năng lượng được lấy từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời. Sự kết
hợp của hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời thông qua bộ điều khiển.
Điệ

n áp được lấy từ tuabin gió trong đề tài là nguồn điện 18VAC 3 pha, sau khi qua
thiết bị hạ áp và chỉnh lưu để ra được điện áp 12VDC. Điện áp DC của pin năng lượng
mặt trời kết hợp cùng điện áp DC của tuabin gió sau khi chuyển đổi được nạp vào bình
ác quy, chuyển qua bộ nghịch lưu để chuyển từ điện áp DC sang AC, từ đây nguồn
điện thông qua bộ INVESTOR biến đổ
i điện áp từ 12VAC lên điện áp 220 VAC cung
cấp cho hệ thống chiếu sáng.
6



Hệ thống chiếu sáng Hệ thống chiếu sáng
Hybrid trục ngang Hybrid trục đứng
Hình 1.3 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng hybrid
Đèn được tích hợp 2 tính năng ưu điểm của pin năng lượng mặt và tuabin gió. Ban
ngày cùng với việc tích hợp nguồn điện do pin năng lượng cung cấp thiết bị còn được
nhận nguồn điện từ tua bin gió, vào ban đêm khi đèn được bật sáng, thì thiết b
ị vận
hành được nhận nguồn điện từ hệ thống tua bin gió.
1.1.4. Các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và
năng lượng mặt trời” trong nước và trên thế giới.
1.1.4.1. Các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và
năng lượng mặt trời” trên thế giới.
Qua khảo sát một số các công trình nghiên cứu về đề tài hybrid năng lượng gió và
n
ăng lượng mặt trời của một số các trường đại học tại một số các quốc gia như:
- Đề tài “Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar–wind system with
LPSP technology by using genetic algorithm” thuộc khoa Xây dựng Dịch vụ Kỹ thuật,
Đại học Bách khoa Hồng Kông
- Đề tài “Design and Implementation of a Domestic Solar-Wind Hybrid Energy

System”
Đại học Zonguldak Karaelmas, Khoa Kỹ thuật, Khoa Điện và Điện tử, 67.100
Zonguldak, Thổ Nhĩ Kỳ
- Đề tài “design of a stand alone hybrid photovoltaic wind generating system with
battery storage” Khoa Kỹ thuật, Khoa Điện và Điện tử, 67.100 Zonguldak, Thổ Nhĩ
Kỳ.
7


1.1.4.2. Các công trình đã nghiên cứu về hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và
năng lượng mặt trời” tại việt Nam.
Ở trong nước qua khảo sát và tra cứu trên các trang mạng và thư viện tại một số
trường đại học có uy tín. Tác giả nhận thấy trong nước hiện nay các các đề tài chỉ
nghiên cứu trên một khía cạnh gió hoặc năng lượng mặt trời. Tác giả chưa tìm thấy đề
tài nghiên cứu về
hệ thống hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời.
1.2. Các dạng máy phát điện gió.
1.2.1. Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ bản
chính như sau:
 Trục ngang (Horizontal Axis Wind Tuabine – HAWT) đây là loại truyền thống
hiện đang thịnh hành nhiều nơi trên thế giới. HAWT có roto kiểu chong chóng
với trục chính máy phát nằm ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy
nhiên thực tế nghiên cứu cho th
ấy với loại tuabin này thì 3 cánh là có hiệu quả
cao nhất. để HAWT hoạt động tốt thì các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng
với hướng gió, vì vậy phải yêu cầu có một hệ thống điều chỉnh bằng cơ khí để
đảm bảo cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió.
 Trục đứng (Vertical Axis Wind Tuabine – VAWT) đây là loại công nghệ mới
có lợi điểm là cánh quạt luôn quay ổn đị
nh với mọi chiều gió.

Hình 1.4: Mô hình cánh cho máy phát trục ngang và trục đứng
1.2.2. So sánh tuabin trục đứng và trục ngang:
Đã có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói từ khi phát minh ra
các bộ chuyển đổi năng lượng gió. Các chuyên gia đã đưa ra nhiều quan điểm khác
Dạng cánh Savonius Dạng cánh Modem
Dạng cánh Giromill
8


nhau. Dennis G.Shepherd đã so sánh hai loại tuabine này một cách toàn diện, ông đã
đưa ra những ưu và nhược điểm tương đối của hai loại tuabine này như sau:
1.2.2.1. Ưu điểm của VAWT so với HAWT:
Tuabine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng. Nghĩa là
VAWT hoạt động mà không phụ thuộc vào hướng gió. Như vậy hệ thống xoay gió
phức tạp của HAWT sẽ không cần thiết ở VAWT. VAWT được đặt ngay trên n
ền đất,
khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao. Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều
khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt bảo trì sẽ rất thuận tiện và dễ
dàng.
Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ
cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh.
Về phươ
ng diện này, các tuabine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường
hơn so với trục ngang.
Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu áp lực khi xoay. Cánh của VAWT
rẻ và bền cao hơn so với HAWT.
VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh
quạt, như vậy tránh được moment uốn.
1.2.2.2. Hạn chế của VAWT so với HAWT:

VAWT được đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và
thay đổi liên tục. Với cùng một diện tích quét và trọng lượng thì công suất ngõ ra của
VAWT thấp hơn HAWT.
Toàn bộ trọng lượng VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất
cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành. Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng,
thì đòi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế.
Đối với VAWT, moment quay và công suấ
t ngõ ra thay đổi thất thường một
cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vòng
quay, trong khi ở HAWT moment quay và công suất ngõ ra khá ổn định.
Do moment quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao
động tự nhiên. Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ
điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho roto.
Trong khi đó m
ột HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không có những vấn đề rung
động như vậy.
9


Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của tuabine trục ngang
sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng
lớn. Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng tuabine trục đứng không chịu
áp lức nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của tuabine trục ngang.
1.2.2.3. Kết luận:
Tuabine tr
ục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược điểm
nhất định. Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá
phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn. Trong khi loại trục đứng có hạn chế
là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời ho
ạt

động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục.
Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều
kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân
tích nhân tố và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng
số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để
thiết kế. Theo đề tài
này tôi đưa ra 7 tiêu chí sau, để đánh giá nhu cầu sử dụng:
 Giá thành thấp.
 Được thiết kế dễ dàng và sản xuất với số lượng lớn.
 Hiệu suất cao.
 Ít duy tu bảo quản.
 Bền.
 Hoạt động có hiệu quả ở các điều kiện gió không lý tưởng, gió quẩn.
 Lắp đặt dễ dàng.
Kết qu
ả cho thấy tiêu chí hiệu suất cao, giá thành thấp có trọng số lớn nhất và đã
được chọn làm tiêu chí thiết kế để phù hợp với máy phát điện gió công suất nhỏ. Như
vậy, nó đánh giá đúng cho điều kiện gió ở Việt Nam, khoảng 4m/s và đặc biệt cho đề
tài nghiên cứu này. Với nghiên cứu máy phát điện gió của đề tài này được xây dựng
với điều kiện vận tốc gió th
ấp tại các vùng nông thôn ở Việt Nam, cần phải được làm
việc hiệu suất cao mà giá thành thấp cũng như đảm bảo được hết các yêu cầu còn lại.
Những tiêu chí này hoàn toàn phù hợp với mô hình trục đứng.
Trong quá trình chọn dạng cánh để làm đề tài tôi đã chọn kiểu dáng cánh Lenz2 với
nhiều ưu điểm, kiểu dáng cánh Lenz2 này dễ dàng trong thiết kế chế tạo và thi công so
với các dạng cánh khác.
10


Hình 1.5: Kiểu cánh dạng Lenz2 cải tiến từ dạng cánh Sovonious và Darrieus
1.3. MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM
Qua liên hệ với trạm khí tượng thủy văn Bà Rịa Vũng Tàu, Đồng Nai tôi được
cung cấp bản sơ đồ vận tốc gió của năm 2012 như sau:
Bảng 1.1: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của Long Hải và Phước
Tỉnh thuộc Bà Rịa -Vũng Tàu
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Long Hải 5.84 5.11 7.29 6.57 6.03 6.10 11.63 9.50 11.45 8.06 6.57 7.29
Phước Tỉnh 6.23 5.71 7.84 7.00 6.61 6.80 12.16 10.03 12.1 8.58 6.90 6.16

Bảng 1.2 Tốc độ và hướng gió khu vực giai đoạn 2001-2011








Ghi chú: Nguồn từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Đài Khí tượng Thủy văn
khu vực Nam bộ. Số liệu Trạm Khí tượng Đồng Nai.
S: Nam N: Bắc
W: Tây E: Đông
H: Hướng
11


Bảng 2: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của tỉnh Đồng Nai
Với kết quả trên cho ta thấy việc ứng dụng năng lượng gió ở ba địa phương
Long Hải và Phước Tỉnh, Đồng Nai trên là khả thi. Với các trạm điện gió cỡ nhỏ và

vừa có tốc độ bắt đầu hoạt động trong khoảng từ 3- 5 m/s , khả năng ứng dụng cao
1.4. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SU
ẤT NHỎ
Hiện tại nước ta đang xảy ra hiện tượng thiếu điện ở mùa khô, do đó việc phủ lưới
điện quốc gia tới những khu vực thưa dân cư như khu vực ven biển, miền núi, hải đảo
là chưa thể trong nhiều năm tới. Việc ứng dụng năng lượng gió công suất nhỏ tỏ ra phù
hợp với những vùng có điều ki
ện thời tiết đầy tiềm năng này. Đây chính là một lý do
được các nhà khoa học Việt Nam theo đuổi.
Thông thường những vùng sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ là những vùng
có thu nhập thấp vì vậy chúng ta phải tìm ra phương án khả thi về chi phí đầu tư, vận
hành và bảo trì cho những trạm phát điện như thế này. Vì theo kinh nhiệm và thông tin
thì hầu như những trạm điện nhỏ lẻ chế
tạo do những nhóm nghiên cứu của Việt Nam
thì ngưng vận hành trong thời gian rất ngắn sau khi nghiệm thu. Vì những vùng này
thường có bão và dao động về khí hậu rất lớn trong khi việc nghiên cứu chuyên sâu để
có được những thiết bị như máy phát, vv … chịu được những tình huống này không
được xem xét đến trong dự án có thể là do kinh phí dự án và nhiều yếu tố khác.
Thông qua dự án nghiên cứu chế tạo máy phát năng lượng gió tầm thấp này
chúng tôi tập trung vào việ
c nghiên cứu những phần nào chúng ta có thể còn lại những
thiết bị nào cần thiết chúng ta vẫn phải phụ thuộc vào những đơn vị ngiên cứu chuyên
nghiệp và tìm ra phương án thi công cũng như những nguyên vật liệu có sẵn tại Việt
Nam để giảm giá đến mức thấp nhất cho người sử dụng. Với công suất thiết kế 300W,
máy phát điện gió này cũng đủ cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng riêng lẻ phục vụ
cho khu vực miền núi và hải đảo. Mục tiêu chính của dự án là:
 Thiết kế chế tạo máy phát điện gió tầm thấp
 Nghiên cứu và thiết kế dạng cánh chịu được sự thay đổi lớn
 Tìm hiểu một số dạng trụ có sẵn như trụ điện, trụ tháp anten của các đơn vị
đã thiết kế

sẵn để giảm chi phí đầu tư
 Thiết kế pin năng lượng mặt trời tương ứng phù hợp cho chiếu sáng
 Thiết kế mạch để có thể sử dụng được hai nguồn điện áp
 Thiết kế mạch biến đổi DC-24 /AC -220, sử dụng thiết bị chiếu sáng
12


1.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.5.1. Hệ thống điện gió độc lập
Hệ thống năng lượng gió là hệ thống các thiết bị chuyển đổi cơ năng của gió sang
điện năng phục vụ các mục đích của con người. Những bộ phận chính trong hệ thống
năng lượng gió gồm có động cơ điện một chiều, cánh quạt gió, trụ và cột, b
ộ phận biến
đổi điện thích hợp với bình acqui và bộ nghịch lưu để đổi sang dòng điện xoay chiều.
Điện từ máy phát điện gió được nạp vào bình acqui để sử dụng trong phạm vi, ứng
dụng nhỏ cho những nơi xa thành phố, khu vực quân sự các hải đảo mà nguồn điện
Quốc gia không tới được.
Một hệ thống sử dụng năng l
ượng gió nhỏ thường hoạt động độc lập và bao gồm
các thành phần cơ bản cấu thành như sau:
 Cánh quạt gió
 Máy phát điện gió
 Tháp hay trụ đỡ máy phát
 Các bộ điều khiển
 Acqui được lắp đặt theo lưu đồ hình 1.6:
 Các bộ biến đổi

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống điện gió độc lập kết hợp acqui
1.5.2. Hệ thống điện gió hybrid
Hệ thống hyrid hệ thống pin Năng lượng mặt trời/hệ thống năng lượng gió "Hybrid

Power W-02" bao gồm các thành phần chính sau: Biến tần / bộ sạc năng lượng mặt
trời, module năng lượng mặt trời, máy phát điện gió (bao gồm cả chỉnh lưu và bộ đ
iều
khiển) cũng như pin và hộp kết nối pin (BAE).
13



Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống hybrid.
1.5.3. Bộ điều khiển:
Năng lượng gió có nhược điểm lớn là tốc độ gió thay đổi liên tục vì vậy công
suất nhận được từ máy phát cũng dễ dàng thay đổi liên tục không ổn định. Vì năng
lượng gió là phi tuyến nên rất khó thiết lập phương pháp tuyến tính để kiểm soát công
suất. Đồng thời công suất phát của tuabin phụ thuộc vào tốc
độ quay của roto và tốc độ
gió hay điểm hoạt động công suất tối ưu. Chính vì các lý do đó đề tài nghiên cứu và
ứng dụng bộ điều khiển có khả năng dò điểm hoạt động có công suất cực đại
(Maximum Power Point Tracking – MPPT) mà không phân biệt loại máy phát điện nào
sử dụng, bộ điều khiển sẽ điều khiển thông số dòng điện và điện áp đầu ra c
ủa máy
phát một cách tự động, điều chỉnh sao cho công suất phát ra ứng với tốc độ gió là tối
đa. Tổn thất điện năng của máy phát điện gió đạt giá trị tối thiểu, và làm giảm năng
lượng tổn hao.
Bộ điều khiển có chức năng hòa hai nguồn điện áp từ tuabin gió và pin năng
lượng mặt trời.
14


Một nhiệm vụ không kém quan trọng khác của bộ điều khiển được trình bày
trong sơ đồ tổng quát của hệ thống năng lượng gió là nạp năng lượng cho hệ thống

bình acqui. Bộ điều khiển có nhiệm vụ chính là sẽ nạp năng lượng cho hệ thống ácquy
kết hợp với kiểm soát tình trạng quá tải hệ thống khi acqui đầy. Nếu trường hợp quá tải
xảy ra bộ điều khiển này sẽ tự động chuyển năng lượng thừa sang bộ phận xả điện.
1.5.4. Bộ sạc acqui
Mạch nạp ắcquy 3 giai đoạn hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp, với những ưu điểm nạp nhanh chóng và an toàn, đồng thời tăng tuổi thọ của
ắcquy. Để phục vụ cho việc nạp vào hệ thống bình ắcquy, đề tài đã nghiên cứu, tính
toán và thiết kế mạch sạc ắcquy 3 giai đoạn. Nhằm mục đích làm chủ được công nghệ
của bộ điều khiển trong hệ thống năng lượng gió công suất nhỏ.
Mạch nạp ắcquy 3 giai đoạn là cải tiến từ những hạn chế của mạch nạp 2 giai
đoạn. Đầu tiên cũng nạp với dòng điện nạp không đổi cho đến khi đạt đến điện áp
14.4V đối với ắcquy 12V. Sau đó giữ nguyên giá trị điện áp này, do dung lượng ắcquy
lúc này đã tăng lên đáng kể nên dòng điện nạp giảm dần bằng ¼ giá trị cực đại (giai
đoạn 2). Kết thúc giai đoạn này ắcquy được nạp khoảng 90% dung lượng. Điện áp nạp
lại tự động giả
m xuống và giữ điện áp nổi là 13.8V (giai đoạn 3). Khi đó bình sẽ từ từ
được khôi phục 10% dung lượng còn lại. Như vậy toàn bộ dung lượng ắcquy sẽ được
khôi phục nhanh chóng và an toàn.
1.5.5. Bộ biến đổi
Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp và tần số cho phù hợp với mục đích sử
dụng được trình bày trong hình 10. Hầu hết các tải đang đượ
c sử dụng là tải xoay
chiều, do đó muốn sử dụng được thì cần phải có một bộ nghịch lưu DC/AC có nhiệm
vụ chuyển đổi dòng điện một chiều từ hệ thống ắcquy sang điện xoay chiều dưới dạng
sóng sin chuẩn, điện áp bằng điện áp lưới thường 220V hay 110V tùy lưới điện của
từng quốc gia. Bộ nghịch l
ưu này phải có công suất phù hợp với hệ thống tuabine gió
tương ứng.
1.5.6. Đèn chiếu sáng
Hiện nay hệ thống chiếu sáng công cộng trên cả nước đang được sử dụng các

loại đèn sử dụng bóng sodium có công xuất 100W, 150W, 250W ánh sáng vàng sử
dụng nguồn điện 220V. Với tiêu chí sử dụng năng lượng tái tạo và làm giảm việc ô
nhiễm môi trường. Trong đề tài này đèn được tôi chọn là đèn LED 75W
độ rọi 7000-
15


8000 lm tương đương với bóng sodium 150W. Đèn led có tuổi thọ cao độ bền 50.000
giờ phát sáng, phát sinh nhiệt lượng ít trong quá trình vận hành.

Hình 1.8: đèn chiếu sáng sử dụng bóng dèn led

Bảng 1.3 : Thông số kỹ thuật đèn chiếu sáng sử đèn Led do công ty cổ phần năng
lượng Tuấn Ân cung cấp
Lamp power 1 x 40W 1 x 80W 2x 80W 1x 80W 2x 80W
Solar
module
100W 200W 300W 200W 300W
Lumens 2800lm 4000lm 4000lm 4000lm 4000lm
Lux average 24 lux 24 lux 24 lux 24 lux 24 lux
Lamp height 6.0m 8.0m 8.0m 10.0m 10.0m
Lamp life 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs 100.000hrs

16


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN
2.1. Thiết kế chế tạo máy phát điện gió
Với yêu cầu cần lắp đặt máy phát điện gió cho tầm thấp dưới 20 mét chỉ nên chọn
dạng máy phát có trục thẳng đứng (vì máy phát cho trục nằm ngang phải có tốc độ gió

trên 4m/s)
Qua tìm hiểu một số loại máy phát điện hiện có trên thị trường như sau:
Máy phát điện thông thường tốc độ vòng tua lớn muốn phát điện phả
i qua một hệ
thống nhông truyền dẫn động.
Máy phát điện tốc độ thấp có nhiều cặp cực nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành
quá cao, quy trình nhập khẩu gặp nhiều khó khăn. Chính vì những lí do đó tôi thiết kế
chế tạo máy phát điện chạy tốc độ thấp với 16 cực từ sử dụng nam châm vĩnh cửu với
các yêu cầu như sau:
 Tốc
độ quay phát điện 60V/phút
 Điện áp phát trên pha 18V
 Công xuất định mức 300W
 Dòng điện 5 A
Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thiết kế để phục vụ cho quá trình chế
tạo sau này. Tuy nhiên đây chỉ là thiết kế chế tạo thủ công đơn chiếc. Để đưa vào sản
xuất hàng loạt còn phải thực hiện thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô sản
xuất lớn.
2.1.1. Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ
- Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình
tam giác.
U
f
= U
d
= 18V
- Dòng điện với cos
=0,95 chọn sơ bộ theo kiểu máy
I
d

= = = 10,1 A
I
f
= = 5,85 A
Công suất tính toán
P
’
= K
e
* P
đm
= 1,07*0,3 = 0,321
Chọn sơ bộ bước răng