Thiết kế, chế tạo Modul tự động điêu khiển đèn chiếu sáng sử dụng bằng máy phát năng lượng gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐÀO TẠO : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODUL TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU
SÁNG SỬ DỤNG BẰNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ

Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Viết Ngư
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Lương Hoàng Hải
Bùi Đình Quỳnh
Lớp

: Điện – K3

Đơn vị

: Khoa Điện – Điện Tử


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về
năng lượng điện ngày một tăng cao trong đó các nhà máy điện sử dụng
nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện nhiệt điện… là các dạng

năng lượng đang ngày càng cạn kiệt và gây mất cân bằng sinh thái ô
nhiễm môi trường. Nguồn điện năng khai thác từ các nhà máy nguyên tử
có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn. Bởi vậy việc sử
dụng nguồn năng lượng sạch có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng
lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế
giới.Tuy nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát
triển và mới chỉ được thực hiện với công suất nhỏ.Do vậy việc sử dụng
nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang ngày càng được phát triển ở nhiều
quốc gia trên toàn cầu.
Với nhu cầu trên, em đã được giao đề tài :“ Thiết kế, chế tạo
module tự động điều khiển đèn chiếu sáng sử dụng máy phát năng
lượng gió ’’ , em mong muốn đóng góp 1 phần nào trong việc đẩy mạnh
thiết kế, chế tạo nguồn năng lượng nước ta.
*Nội dung đồ án gồm các Chương :
Chương 1 : Tổng quan về năng lượng mặt trời
Chương2 : Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tua-bin gió
Chương 3 : Thiết kế module điều khiển

Hà nội, ngày 15 tháng 6 năm 2014
Nguyễn Lương Hoàng Hải

2


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Lương Hoàng Hải

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.Tính cấp thiết của đề tài
Thế kỷ 20 đã trải qua với tiến độ vượt bậc của loài người. Một thế kỷ
trong đó con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàn những
công cụ máy moc giúp con người nâng cao năng suất lao động, giúp đáp ứng
nhu cầu của con người. Nhưng bên cạnh phát triển và tiến độ đps thì con người
phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế
thế giới. Môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, áp lực công
việc ngày càng lớn. Trong thế kỷ 21 con người phải đối diện với một loạt các
thách thức mang tính toàn cầu, chăng hạn như : năng lượng, môi trường bị hủy
hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế, v.v… Trong đó vấn đề năng lượng vẫn
được xem là quan nhất và cấp thiết nhất. Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt, tranh chấp lãnh thổ tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là
mối đe dọa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp
cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng phình to làm kinh tế trì trệ dẫn đến
những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế. Chúng ta những con người thế
kỷ 21 phải thực hiện một loạt những hành động quan trọng để tìm ra nguồn
năng lượng có thể thay thế cho năng lượng hóa thạch để đáp ứng cho nhu cầu
của toàn thế giới. Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này
như : năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng
sinh khối và nhiều nguồn năng lượng khác… Bằng những tiến bộ khoa học kỹ
Nguyễn Lương Hoàng Hải

3


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
thuật và xu hướng tất yếu các năng lượng tái sinh đang được nghiên cứu và sử
dụng ngày càng nhiều. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng
tái sinh quan trọng nhất đang được và sẽ đóng góp ngày càng lớn vào sản lượng
năng lượng thế giới.

Cách đây nhiều thế kỷ, con người đã biết tận dụng năng lượng gió phục
vụ lợi ích cho nhân loại, đó là những thuyền buồm lướt sóng vượt đại dương và
cối xay gió hoạt động từ ngày này qua tháng khác để thay thế sức người. Cuối
thế kỷ 19, máy phát điện sức gió đầu tiên trên thế giới ra đời những công suất
còn quá nhỏ.
Gió là nguồn năng lượng sạch và vô cùng lớn, theo ước tính của các nhà
khoa học, hang năm trái đất nhận được 1x1013 kWh năng lượng từ gió.Nếu
chúng ta chỉ cần thu được vài trăm phần trăm (%) năng lượng này cũng có thể
thỏa mãn cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt của nhân loại. Việc sử dụng năng
lượng mới và tái tạo trong đó năng lượng gió được nhiều nước quan tâm, đặc
biệt ở các nước công nghiệp tiên tiến lại có năng lượng ổn định.

2. Năng lượng gió


Khái niệm
Gió là một dạng năng lượng của mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên

nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự
không đồng đều trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tùy thuộc vào địa hình
trái đất, luồng nước, cây cối. Con người sử dụng năng lượng gió cho nhiều mục
đích như: đi thuyền, thả diều, phát điện .


Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu

khí quyển, nước và không khí nóng không đồng đều. Một nử bề mặt của trái
đất, ban đêm, bị che khuất không nhận bức xạ mặt trời và thêm vào đó là bức xạ
mặt trời gần xích đạo nhiều hơn các cực, đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì

thế có sự khác nhau về áp suất mà không khí ở xích đạo và hai cực, cũng như
Nguyễn Lương Hoàng Hải

4


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
không khí giữa mặt ban ngày và mặt 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 đi nên cũng tạo không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quanh trục
của trái đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến áp thấp không chuyển động
năng thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy khác nhau từ Bắc bán cầu về Nam
bán cầu.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng ảnh hưởng bởi từng địa
hình của từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên do ban
ngày đất nóng nhanh hơn nước, tạo nên sự khác biệt về áp suất và vì thế có gió
thổi từ biển hay sông, hồ vào đất liền. Vào ban đêm nước nguội đi nhanh hơn
và hiệu ứng này có chiều ngược lại.

3. Sử dụng năng lượng gió
Năng lượng gió đã được sử dụng hàng trăm năm nay. Con người đã dùng
năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu. Ngoài ra năng
lượng gió còn được sử dụng tạo động cơ học để làm quay cối xay gió hay điện
năng tua-bin gió, xe chạy bằng năng lượng gió....

“Tháp quyền lực’’ sử dụng năng lượng gió tại Đài Loan
Nguyễn Lương Hoàng Hải

5

Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

Hình 1.1 Một số hình ảnh hệ thống sử dụng năng lượng gió

4. Tình hình năng lượng gió trên thế giới và việt nam


Tình hình năng lượng gió trên thế giới
Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 này vấn đè về nguồn năng lượng cung

cấp cần phải xem xét lại: hiện nay nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần,
đồng thời vấn đề gây ô nhiễm mô trường do việc đốt nhiên liệu hóa thạch càng
trở nên trầm trọng. Vấn đề năng lượng sạch đang được quan tâm nhiều và là
một sự lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai. Nguồn năng
lượng sạch đang được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng
lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều... Tất cả những
năng lượng sạch này sẽ góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại và
cải thiện môi trường. Các hệ thống năng lượng này được xem như là một sự lựa
chọn thay thế cho các hệ thống cung cấp từ lưới điện quốc gia ở những vùng
nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi về mặt kinh
tế, trong đó năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng dễ khai thác với
công nghệ đơn giản và chi phí đầu tư và vận hành tương đối thấp.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

6


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng lượng từ mặt trời đến trái
đất khoảng 173.000 tỉ KW còn năng lượng gió ước tính 3.500 tỉ KW. Trên toàn
bộ bề mặt hành tinh của chúng ta, năng lượng có thể khai thác được từ gió lớn
hơn năng lượng toàn bộ các dòng sông trên trái đất từ 10 đến 20 lần.
Năng lượng gió đã được khai thác và ứng dụng từ rất lâu dùng để chạy
bơm nước, thuyền buồm, các cối xay gió đã xuất hiện từ thế kỷ 12. Từ đó đến
nay việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sử dụng năng lượng gió ngày càng
phát triển với tốc độ ngày càng nhanh cả về số lượng lẫn chất lượng.
Theo thống kê, đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt tại các nhà máy
phát điện bằng tuabin gió trên thế giới là 39.294 MW, gấp hơn 4 lần tổng công
suất lắp đặt của các nhà máy điện ở việt nam hiện nay. Giá trị này tăng 26% so
với năm 2012. Như vậy việc sử dụng năng lượng gió đã được khoa học chứng
minh và khẳng định bằng thực tế phát triển với tốc độ rất nhanh của các tuabin
gió được lắp đặt trên thế giới.Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng
tái sinh nói chung và năng lượng nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên
thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiê cứu và đưa vào thực tiễn
năng lượng gió, giúp sự căng thẳng năng lượng của các nước.
Hình 1 trình bày công xuất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong khoảng
thời từ 1996 đến 2008. Tổng lượng công xuất sản xuất trên thế giới vào năm
2009 là 159,2 GW, với 340 TWh năng lượng, xác nhận mức tăng trưởng 31%
mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu đang gặp khó khăn.
Theo thống kê trên thế giới: Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ
là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới. Chẳng hạn
vào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện sử dụng tại Đức, trong khi đó
con số này lên đến 14% ở Ai-Len và 11% tại Tây Ban Nha. Hoa kỳ sản xuất
nhiều điện gió nhất trên thế giới với công suất nhảy vọt từ 6 GW vào năm 2004
lên đến 35 GW vào năm 2009 và điện gió chiếm 2,4% tổng số điện tiêu dùng.

Nguyễn Lương Hoàng Hải

7


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triển nhanh về nguồn năng lượng sạch này với
22,5 GW (Trung Quốc, 2009) và 25 GW (Ấn Độ, 2009).

Hình 1.2 Công xuất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996 – 2008
Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở Châu Âu đã có 13
nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng
gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại.
Công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện gió vào năm 2007 được
nâng lên 94.112 MW. Công suất này được thay đổi dựa trên sức gió qua các
năm, các nước, các vùng :
Bảng 1.1 : Công suất định mức NLG của các nước trên TG năm 2007

Nguyễn Lương Hoàng Hải

8


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

Hình 1.3: Sự phát triển của công xuất điện gió trên thế gới theo khu vực


Tình hình năng lượng gió ở việt nam

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở việt nam trong 20 năm
trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm, tức là gần gấp đôi tốc độ tăng

trưởng GDP của nền kinh tế. Chiến lược công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng
trưởng cao để thực hiện, dân giàu, nước mạnh và thách thức to lớn trong những
thập niên tới. Để hoàn thành được những trọng trách này, ngành điện phải có
khả năng dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định
và phát triển năng lực cung ứng của mình.
Bảng dưới đây cung cấp dữ liệu lịch sử của một số biến số ảnh hưởng tới
nhu cầu về điện ở việt nam trong những năm qua : Nếu tốc độ phát triển nhu
cầu điện tiếp tục được duy trì ở mức rất cao 14-15%/năm như mấy năm trở lại
đây thì năm 2010 nhu cầu về điện đạt mức 90.000 GWh, gấp đôi so với năm
2005. Theo dự báo của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng
trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện
sản xuất của việt nam vào năm 2020 se là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030
là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện
truyền thống thì sản lượng nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là
165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030). Điều này có nghĩa là
nền kinh tế sẽ thiếu hụt điện rất nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt lên đến 20-30%
Nguyễn Lương Hoàng Hải

9


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
mỗi năm. Đứng trước thách thức thiếu hụt điện năng, chúng ta cần tìm ra một
nguồn năng lượng mới, năng lượng gió.
Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, việt nam có một
thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. Trong chương trình đánh giá
năng lượng cho châu á, Ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng
lượng gió ở khu vực Đông Nam Á trong đó có việ nam. Theo tính toán và
nghiên cứu này, trong bốn nhà được khảo sát thì việt nam thì việt nam có tiềm
năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào,

Campuchia. Trong khi việt nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có
tiềm năng từ “ tốt ’’ đến “ rất tốt ’’ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì
diện tích này ở Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9% và ở Campuchia là 0,2%.
Tổng điện năng điện gió của việt nam là 513.600 MW tức là bằng hơn 200
lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 tổng dự báo ngành điện vào năm
2020. Nếu xét theo tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió có cỡ nhỏ phục vụ
cho phát triển kinh tế ở những vùng khó khăn thì việt nam có đến 41% diện tích
nông thôn có thể phát triển diện tích gió loại nhỏ. Nếu so sánh với con số này
với nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan có 9% diện
tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Đây quả thật là ưu đãi dành
cho viêt nam mà chúng ta chưa nghĩ đến cách tận dụng.
Ngày nay, trước tình hình các nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ, khí
thiên nhiên, than,....) trên thế giới ngày cang khan hiếm, việc khai thác và sử
dụng nguồn năng lượng mới (ngoài năng lượng nguyên tử) như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió..... đang là những đề tài và những chương trình lớn đối với
các quốc gia. Việt Nam là vùng có tiềm năng lượng gió ở mức thấp, tuy nhiên ở
một số vùng thuộc các hải đảo và ven biển miền Trung lại có tốc độ gió khá
cao, phù hợp với việc tận dụng để phát điện.Tốc độ gió trung bình của Việt
Nam ở độ cao cách mặt đất 30m theo đánh giá là khoảng 4 – 5 m/s ở các vùng
bờ biển. Ở vài hòn đảo độ lập đạt ngưỡng 9 m/s phù hợp phát triển năng lượng
này.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

10


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
Từ những năm 80 trở lại đây nhiều nhà khoa học với các công trình nghiên
cứu nhằm cung cấp điện cho các hook gia đình vùng sâu vùng xa, hải đảo, nơi
mà lưới điện quốc gia chưa vươn tới. Định hướng này đã được đề cập đến năm

2010 của Tổng Công ty Điện Lực Việt Nam (EVN).
Hiện tại ở việt nam có tất cả 20 dự án điện gió với dự kiến sản xuất 20 GW.
Nguồn điện gió này sẽ kết nối với hệ thống lưới điện quốc gia và sẽ được công
bố và quản lý bởi Tổng công ty điện lực việt nam. Trong thời gian qua (tháng 4
năm 2004), việt nam đã lắp đặt trạm năng lượng gió công suất là 858 KW trên
Đảo Bạch Long Vĩ do chính phủ tài trợ và các tổ chức máy được chế tạo bởi
hãng Technology SA (Tây Ban Nha). Ngoài ra trung tâm năng lượng tái tạo và
thiết bị nhiệt (RECTARE) Đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh đã lắp đặt trên
800 tuabin gió trong hơn 40 tỉnh thành với sự tài trợ hiệp hội việt nam – thụy sĩ
tập trung nhiều nhất gần nha trang, trong đó có gần 140 tuabin gió đã hoạt
động. Ở Cần Giờ TP Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ của Pháp cũng đã lắp đặt được
50 tuabin gió. Tuy nhiên những tuabin gió này đều là có công suất nhỏ khoảng
vài KW mức độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên
theo đúng yêu cầu.
Tháng 8/2008 Fuhrlaender AG, môt tập đoàn sản xuất tuabin gió hàng đầu
của Đức đã bàn giao 5 tổ máy (cánh quạt gió) sản xuất điện gió đầu tiên cho dự
án điện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1,5 MW
(cũng xin ghi nhận nơi đây thời tiết ở Tuy Phong rất khô khan, nhưng có nhiều
nắng và gió. Tốc độ gió trung bình ở đây là 6,7m/s). Tổ máy đầu tiên được lắp
đặt vào tháng 11/2008 và chính thức hoàn thành kết nối vào điện lưới quốc gia
vào tháng 8/2009.
Có thể thấy rằng gió là nguồn năng lượng sạch và kinh tế do thiên nhiên ban
tặng. Tuổi thọ của 1 tua-bin phát điện có thể lên đến 20 – 30 năm, 1 số tua-bin
gió phát điện được xây dựng cách đây hơn 50 năm vẫn còn hoạt động tốt. Việc

Nguyễn Lương Hoàng Hải

11

Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
khai thác tốt nguồn năng lượng này sẽ giúp đa dạng hóa các nguồn phát điện,
giảm bớt gánh nặng cho lưới điện vốn dựa vào nguồn năng lượng truyền thống.

5. Những thuận lợi và khó khăn
 Những thuận lợi
Năng lượng gió là nhiên liệu sinh ra bởi gió, vì vậy nó là nguồn nhiên liệu
sạch. Năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt
điện dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí gas. Năng lượng gió có ở
nhiều vùng. Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió của đất nước thì rất phong
phú.
Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại
thấp do khoa học tiến tiến ngày nay. Khoảng 4 đến 6 cent/kwh. Điều đó còn tuỳ
thuộc vào nguồn gió, tài chính của công trình và đặc điểm của công trình.
Tuabin gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện
kinh tế cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nhất về gió mà có thể tìm thấy.
Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất
của họ bởi vì tuabin gió chỉ sử dụng một phần nhở đất trồng của họ, chủ đầu tư
năng lượng gió chỉ phải trả tiền bồi thường cho những nông dân và chủ các
trang trại mà có đất sử dụng việc lắp đặt các tuabin gió.
 Những khó khăn
Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở
một giá cơ bản. Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào. Vì thế
nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liêu
khác.
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn
luôn có khi cần có điện. Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải
tất cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

12


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 2 : CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT
ĐỘNG CỦA NĂNG LƯỢNG GIÓ
1. Cấu tạo

`
Hình 2.1 : Cấu tạo của Tua-bin gió
•

Blades : Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm
cho các cánh quạt chuyển động và quay.

Nguyễn Lương Hoàng Hải

13


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
•

Rotor : Bao gồm các cánh quạt và trục

•

Pitch : Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho
rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.

•

Brake : Bộ hãm phanh. Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp
bằng điện hoặc bằng động cơ.

•

Low – speed shaft : Trục quay tốc độ thấp

•

Gear box : Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có
tốc độ cao, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất
ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và
tuabin gió.

•

Máy phát điện : Năng lượng gió từ tua bin gió truyền vào một máy phát
điện qua bộ chuyển tốc , làm máy phát quay phát ra điện . Điện tạo ra
theo dây dẫn truyền xuống bộ trữ năng .

•

Controller : Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ
gió.

•

Anemoneter : Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ
điều khiển.

•

Wind vane : Chong chóng gió để xử lý hướng gió và liên lạc với Yaw
driver (lái xe trượt) để định hướng Tuabin.

•

Nacelle : Vỏ gồm Roto và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ.
Dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ.

•

Hight – speed shaft : Trục truyền tốc độ cao

Nguyễn Lương Hoàng Hải

14


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
•

Yaw driver : Dùng để dữ roto luôn hướng về hướng gió khi có sự thay
đổi hướng gió

•

Yaw motor : Động cơ cung cấp cho Yaw driver định hướng gió

•

Tower : Trụ đỡ. Được làm từ thép hình trụ hoặc lưới thép.

2. Nguyên lý hoạt động của Tua-bin gió

Hình 2.2 : Nguyên lý hoạt động của Tua-bin
Một cách đơn giản là một tuabin gió làm việc trái ngược với một máy
quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin
gió lại sử dụng gió để tạo ra điện, Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh
quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ
truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.
Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát
ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành
năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể
như là bơm nước, hoặc các máy nghiền lương thực, hoặc cho một máy phát có
thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện

Nguyễn Lương Hoàng Hải

15


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
3.Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đầu ra của Tuabin gió

Hình 2.3 : Hiệu suất của Tua-bin gió phụ thuộc vào 5 yếu tố

3.1 sức gió
Gọi : P = Sức gió
V = Tốc độ gió

=>

P = k.V.F ( với k là hằng số )

F = Lực gió
Nói một cách khác, tốc độ gió càng nhanh, và lực thổi của gió càng
mạnh thì năng lượng gió do Tua-bin tạo ra càng lớn. Tốc độ gió của các
vùng là khác nhau, do đó chúng ta dễ hiểu được mối liên hệ giữa tốc độ
gió và năng lượng gió tạo ra bởi Tua-bin.

3.2 Độ cao
Độ cao càng lên cao, tốc độ gió càng lớn, do ảnh hưởng nhiều yếu tố về
khí quyển. Các điểm cao cũng có ít độ cản của gió hơn từ đồi núi, cây cối và
nhà cửa. Và tốc độ gió cũng tăng 12% khi khoảng cách từ Tua-bin đến mặt đất
tăng 2 lần.

3.3. Độ cản gió
Gió bị cản bởi cây cối, nhà cửa, đồi núi làm ngăn sự lưu thông của các
dòng không khí tự do.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

16


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
3.4Động lực học cánh quạt

Hình 2.4 : Động lực học của cánh quạt
Hình dạng cánh quạt cần phải được chọn cho chính xác, để đạt được hiệu
quả tối đa, lực nâng với 1 cánh gió phụ thuộc rất lớn vào góc đập (góc giữa
hướng gió tương đối với cánh quạt gió). Khi góc đập quá lớn, sẽ sinh rối loạn,
làm tăng lực đẩy ngang và giảm lực nâng.

3.5 Nhiệt độ không khí
Năng lượng của Tua-bin gió sẽ tăng 16% khi nhiệt độ giảm từ + xuống với 1 tốc độ gió như nhau. Không khí lạnh hơn, thì khối lượng riêng lớn, do đó
làm tăng năng lượng gió.

Nguyễn Lương Hoàng Hải

17


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE TỰ
ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
1. Mạch nguồn

Hình 3.1. Sơ đồ mạch nguồn
Đây là mạch nguồn ổn áp dùng IC7815, đầu ra ổn định 15V-1A. Các linh
kiện trên mạch: U2 là ic ổn áp KA7815, P1 là đầu vào từ máy phát điện, các tụ
C6, C7, C8, C5 để lọc nguồn. Diode D3 dùng để chống dòng điện chạy ngược,
đèn led D6 để báo hiệu có nguồn, điện trở R3 dùng để hạn dòng cho led.

2. Mạch điều khiển nạp điện cho ác quy

Nguyễn Lương Hoàng Hải

18


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

Hình 3.2. Sơ đồ mạch nạp điện cho ác quy
Mạch điều khiển sử dụng chip ATMega8A, P3 là chân nạp chương trình
cho chip. Các tụ C1,C2,C3,C4,C9 dùng để lọc nguồn, U1 là IC ổn áp 7805 có
tác dụng tạo điện áp 5V ổn định cho chip, tụ C10 và C11 để chống nhiễu cho
xung nhịp. thạch anh X1 có giá trị 8MHz để tạo xung nhịp.
Rơ le RL1 có tác dụng tự động chuyển nguồn, dùng nguồn từ má phát
hay từ acquy. Rơ le RL2 dùng để đóng cắt,điều khiển quá trình sạc pin, các
diode D1 và D7 dùng để chống dòng điện ngược do cuộn hút rơ le gây ra, các
tranzitor Q1, Q2 dùng để đóng cắt và các điện trở R1, R7 dùng để mở tran
tương ứng với RL1 và RL2.
Diode D8 và điện trở R2 dùng để tạo tín hiệu nhận biết nguồn đang sử
dụng là từ máy phát hay từ acquy, các diode D2,D4,D5 để chống dòng điện
chạy ngược.
Led D9 để báo hiệu việc sạc acquy, led sáng tức là đang sạc. điện trở R4
dùng để hạn dòng cho led, cặp hai điện trở R5 và R6 để chia áp từ acquy rồi
đưa vào bộ ADC của chip, điện trở R8 để treo chân reset lên mức ao giúp chip
luôn hoạt động. P2 là đầu ra nối với acquy, P4 là đầu ra nối với LED.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

19


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp

•

Phân tích lựa chọn bộ vi xử lý

 Các bộ xử lý thường dùng
Để điều khiển hệ thống cánh tay robot người ta có thể sử dụng các chip
Vi điều khiển, PLC hay các bo nhúng FPGA.
Các bộ vi điều khiển thường được sử dụng trong các hệ thống robot nhỏ,
cần sự chính xác hơn là tốc độ. Ưu điểm nổi bật của vi điều khiển là giá thành
cự kì rẻ so với PLC và FPGA. Về tốc độ, có thể nói với những hệ thống nhỏ là
chấp nhận được cùng với đó là việc lập trình cũng khá đơn giản. Nhược điểm
của các bộ vi điều khiển là độ ổn định khi hoạt động ở môi trường công nghiệp
không cao, chưa thật sự đáp ứng được với các hệ thống lớn, cần xử lý nhiều.
Các bộ PLC cũng rất hay được dùng để điều khiển robot. Ưu điểm của
loại này là độ ổn định trong môi trường công nghiệp rất cao, hơn bất kì loại nào
khác. Tuy nhiên nhược điểm của nó là tốc độ xử lý hơi thấp, giá thành tương
đối cao ko hiệu quả về kinh tế. Thêm vào đó là việc lập trình với những giao
tiếp cao cấp rất khó .
Một loại bộ xử lý thường hay dùng nữa là các bo nhúng FPGA có ưu
điểm là tốc độ xử lý cao, hoạt động ổn định, có thế xử lý gần như tất cả các tín
hiệu. Tuy nhiên loại này cũng có giá thành cao cộng với việc lập trình cũng khó
hơn hai loại kia rất nhiều.
Trong phạm vi môn học, nhóm quyết định chọn Vi điều khiển là bộ xử lý
điều khiển tay máy vì những lý do sau:
- Giá thành thấp hơn PLC và FPGA nên đảm bảo tính kinh tế.
- Việc lập trình đơn giản trên cơ sở chương trình học.
- Dễ tìm tài liệu tham khảo, dễ vận hành và xử lý lỗi.
Vi điều khiển được sử dụng trong đề tài là ATMega8 họ AVR của hãng Atmel.
 Vi điều khiển AVR
o Vài nét về lịch sử phát triển

Nguyễn Lương Hoàng Hải

20


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
AVR là một sản phẩm của công ty Atmel. Atmel cũng là công ty có sản
phẩm là các vi điều khiển họ 89C51 mà đã được nhiều người biết đến. AVR rất
mạnh và đang phát triển rất nhanh trong thời gian gần đây. AVR có đặc tính
hơn hẳn, dễ sử dụng và đặc biệt là về chức năng.
o Các đặc điểm chính:
- Cấu trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) với hầu hết các lệnh
có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh nghi đa
năng.
- Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ
biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung
(PWM), …
- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.
- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc
từng loại chip cụ thể.
- Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip.
- Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi
đang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi
bản mạch.
- Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C.
- Hầu hết các chip AVR đều có các tính năng (fetures) sau:
+ Có thể sử dụng xung clock lên đến 16 MHz, hoặc sử dụng xung clock
nội lên đến 8 MHz ( sai số 3%)
+ Bộ nhớ chương trình flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung
lượng lớn, có SRAM (Ran tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình

được EEPROM.
+ Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional).
+ 8 bít, 16 bít timer/counter tích hợp PWM.
+ Các bộ chuyển đổi Analog – Digital phân giải 10 bít, nhiều kênh.
+ Chức năng Analog comparator.
+ Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS – 232).
Nguyễn Lương Hoàng Hải

21


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
+ Giao diện nối tiếp Two – Wire – Serial (chuẩn tương thích I2C) Master
và Slaver.
+ Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)
 Một số loại chíp AVR
o AT90S1200
o AT90S2313
o AT90S2323 and AT90S2343
o AT90S2333 and AT90S4433
o AT90S4414 and AT90S8515
o AT90S4434 and AT90S8535
o AT90C8534
o ATtiny10, ATtiny11 and ATtiny12
o ATtiny15
o ATtiny22
o ATtiny26
o ATtiny28
o ATmega8/8515/8535
o ATmega16

o ATmega161
o ATmega162
o ATmega163
o ATmega169
o ATmega32
Nguyễn Lương Hoàng Hải

22


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
o ATmega323
o ATmega103
o ATmega64/128
o AT86RF401

Hình 3.3. Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega
 Kiến trúc tổng quan

Hình 3.4. Sơ đồ kiến trúc AVR
Để tối đa hoá hiệu năng tính năng và song song, AVR sử dụng kiến trúc
Harvard với bộ nhớ riêng biệt và các BUS cho chương trình và dữ liệu. Các câu
lệnh trong bộ nhớ chương trình được hoạt với một đường ống lệnh mức đơn.
Trong khi một lênh đang thực hiện, lệnh tiếp theo sẽ được nạp trước vào từ bộ
nhớ chương trình. Điều này làm cho các lệnh được thực hiện trong mọi chu kỳ
đồng hồ. Bộ nhớ chương trình là bộ nhớ In-System Reprogrammable Flash. Tập
thanh ghi truy cập nhanh bao gồm 32 thanh ghi đang năng 8 bit với thời gian
ttruy cập là 1 chu kỳ đơn. Điều này cho phép ALU hoạt động trong một chu kỳ
Nguyễn Lương Hoàng Hải

23


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
đơn. Một thao tác điển hình với 2 toán hạng được của ALU, 2 toán hạng được
lấy ra từ tệp thanh ghi để thực hiện, và và kết quả được lưu trữ lại trong tệp
thanh ghi trong một chu kỳ đồng hồ. 6 trong số 32 thanh ghi có thể sử dụng như
là 3 thanh ghi con trỏ địa chỉ gián tiếp 16 bit để chỉ vào vùng dữ liệu phục vụ
cho tính toán địa chỉ hiệu dụng. Một trong các con trỏ địa chỉ này cũng có thể
được sử dụng làm con trỏ địa chỉ trỏ vào bảng dữ liệu trong bộ nhớ chương
trình Flash. Các thanh ghi này là X, Y và Z.
ALU thực hiện các phép toán logíc và số học giữa các thanh ghi hoặc giữa
thanh ghi với một hằng số. Cũng có thể thao tác với các thanh thanh ghi đơn
trong ALU. Sau khi thực hiện phép toán số học, các thanh ghi trạng thái được
cập nhật các thông tin về kết quả thực hiện.
Dòng chương trình được điều khiển bởi các phép nhảy có điều kiện hoặc
không điều kiện đến các lệnh được gọi, và chỉ đến các địa chỉ trực tiếp trong
không gian địa chỉ. Hầu hết các lệnh AVR đều thực hiện với dữ liệu 16 bit. Mỗi
địa chỉ bộ nhớ chương trình đều chứa 1 lệnh 32 bit hoặc 16 bit.
Không gian bộ nhớ chương trình Flash được chia thành 2 vùng, vùng
chương trình boot và vùng chương trình ứng dụng, cả hai vùng này đều có bit
khoá chuyên dụng để bảo vệ cho việc ghi và đọc/ghi. Lệnh SPM dùng để ghi
vào vùng bộ nhớ ứng dụng phải có trong vùng chương trình boot. Trong khi
thực hiện các ngắt và các thường trình, địa chỉ trở về của bộ đếm chương trình
(PC) được lưu trữ trong stack. Nhìn chung stack được định vị trong SRAM, và
do vậy kích cỡ stack được giới hạn bởi kích cỡ toàn bộ của SRAM, và cách sử
dụng của SRAM. Tất cả các chương trình của người sử dụng phải khởi tạo SP
trong thường trình reset (trước khi thường trình hoặc ngắt được thược hiện). SP
có thể trỏ được vào không gian I/O. SRAM có thể được truy cập một cách dễ
dàng thông qua 5 chế độ địa chỉ khác nhau hỗ trợ bởi kiến trúc AVR.

Không gian bộ nhớ trong kiến trúc AVR là bản đồ bộ nhớ thông thường
và tuyến tính.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

24


Trường ĐHSPKT Hưng YênĐồ án tốt nghiệp
Một module ngắt linh động có các thanh ghi điều khiển của nó trong
không gian I/O cùng với thêm vào bit khởi tạo ngắt toàn cục trong thanh ghi
trạng thái. Tất cả các ngắt có vector ngắt riêng biệt trong bảng vector ngắt. Các
ngắt này có mức độ ưu tiên theo vị trí của vector ngắt tương ứng. Mức có địa
chỉ càng thấp thì có quyền ưu tiên càng cao.
Không gian bộ nhớ I/O có 64 địa chỉ cho các chức năng ngoại vi của CPU
như là các thanh ghi điều khiển, SPI, và các chức năng I/O khác. Bộ nhớ I/O có
thể truy cập trực tiếp, hoặc như là vị trí không gian dữ liệu theo chúng của tệp
thanh ghi, $20-$5F. Thêm vào đó, nó có không gian I/O mở rộng từ $60 đến
$FF trong SRAM, các không gian này chỉ có các lệnh ST/STS/STD và
LD/LDS/LĐ có thể sử dụng.

Hình 3.5. Cấu trúc của Vi điều khiển AVR

Vi điều khiển atmega8
 Tổng quan atmega 8.
ROM : 8kbytes.
Nguyễn Lương Hoàng Hải

25