Nghiên cứu ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

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

----------------------

NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG
CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành : 60 52 02 02

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015


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

----------------------

NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG
CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành : 60 52 02 02
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.TRƯƠNG VIỆT ANH

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

Luận văn Thạc sĩ đư ợc bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày tháng
năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ g ồm :
Stt

Họ và tên

Chức danh hội đồng

1
2
3
4
5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

Khoa quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP.HCM, ngày ... tháng ... năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Gia Hoàng Đăng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 01 – 1986

Nơi sinh: Tỉnh Long an

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 134 183 000 2

I-TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
-

Nghiên cứu hệ thống pin năng lượng mặt trời.

-

Mô hình ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời.

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 18 – 08 – 2014

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 03 - 2015
V-CÁN BÔ HƯỚNG DẨN
CÁN BỘ HƯỚNG DẨN

PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghên 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 đư ợc ghi rõ nguồn góc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Gia Hoàng Đăng


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ
TP.HCM. Xin chân thành cảm ơn tập thể quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt
trí thức giúp em học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại Trường Đại
học Công Nghệ TP.HCM.
Tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẩn PGS.TS. Trương Việt Anh đã nhiệt
tình hư ớng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm để em
thực hiện luận văn này. Với sự nhiệt tình hướng dẫn của Quý Thầy đã làm động lực
cho em có tinh thần cố gắng, nỗ lực trong tìm tòi, nghiêng cứu để hoàn thành Luận
văn này.
Em cũng xin lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Công Nghệ
TP.HCM, Phòng Quản lý Khoa học và Đào tạo Sau Đại học đã h ổ trợ và giúp đỡ
em trong quá trình học tập.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, b ạn bè đã đ ộng viên, giúp đỡ
và tạo cho em niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !

Tp.Hồ Chí Minh, ngày....tháng....năm 2015
Người thực hiện

Nguyễn Gia Hoàng Đăng

iii

TÓM TẮT
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao để đáp ứng nhu cầu
sinh hoạt và sản xuất của con người, trong đó nhu cầu sử dụng điện năng trong sinh
hoạt và sản xuất là không thể thiếu đối với con người. Nhưng hiện nay việc sản xuất
năng lượng điện vẫn chưa thể đáp ứng cho tất cả mọi người vì nhiều lý do khác
nhau như: nhu cầu sử dụng năng lượng điện quá lớn hoặc những vùng sâu vùng xa
chưa thể đưa nguồn điện đến được .v.v. Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn năng
lượng tự nhiên để tạo ra nguồn điện là thật sự cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sử
dụng, các nguồn năng lượng tự nhiên như: năng lượng gió, nhiệt điện, năng lượng
mặt trời,… là các nguồn năng lượng có thể đáp ứng được các nhu cầu đó. Đề tài
“Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng Mặt
Trời” là một phần trong việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên đó vào trong
sản xuất.
Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin
Năng Lượng Mặt Trời” là đề tài tìm hiểu và tính toán một ứng dụng thực tế về việc
sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các nhu cầu về sinh hoạt và sản xuất của con
người. Đề tài sẽ giúp cho những người muốn tìm hiểu và mới tìm hiểu về nhu cầu
sử dụng Năng Lượng Mặt Trời, để đưa nguồn năng lương mới phát triển rộng rãi và
giúp một phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay.


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ............................................ viii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1.

Đặt vấn đề .............................................................................................1

1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]................1
1.1.2. Năng lượng tái tạo..................................................................................5
1.1.3. Năng lượng mặt trời ...............................................................................7
1.1.4. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời ...............................12
1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện .........................................................13
1.3 Định hướng của đề tài .............................................................................14
1.4 Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................14
1.5 Kết quả mong muốn ................................................................................15
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI .....................................................................................................16
2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời ........................................................16
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời ..................................19
2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời .............................................................................20
2.3 Hệ thống pin mặt trời ...............................................................................26
2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay ...................................26
2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới.....................................................................27
2.4 Ứng dụng của pin mặt trời. [2].................................................................30
CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ MẠCH TĂNG
ÁP...................................................................................................................34
3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại. [8]................................................34

3.2 Các phương pháp dò công su ất cực đại- MPPT.......................................35


v
3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter.........................................39
3.4.1 Cơ sở tính toán ......................................................................................39
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG
LƯỢNG MẶ T TRỜI .....................................................................................45
4.1 Xây dựng mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời....................45
4.1.1 Thiết kế mô hình bơm nư ớc sử dụng năng lượng mặt trời ...................45
4.1.1.1 Yêu cầu mô hình ................................................................................45
4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển.....................................45
4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại ...................................46
4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại.......................46
4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình..........................................................................46
4.1.2.3 Kết quả thi công mạch........................................................................47
4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết ...........47
4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10].............................................................47
4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm ................................................48
4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11]. ......................................49
4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy ..........................................................54
4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống ...............................................................................55
4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế.............................56
4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả ................................58
4.2 Bài toán thực tế ........................................................................................58
4.2.1 Tính toán công suất máy bơm ...............................................................59
4.2.2 Tính toán chọn công suất pin mặt trời...................................................60
4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10] ........................................................60
4.2.4 Tính solar charge controller [10] ........................................................61
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ...................63

5.1. Kết luận của đề tài...................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PV

: PhotoVotaic : Pin quang điện (pin mặt trời)

PPT (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực
đại
MPPT

: Maximum Power Point Tracking : Dò tìm điểm cực đại

DC (Direct current)

: Điện một chiều

AM (Air Mass ratio) : Tỷ số khối khí Phổ bức xạ
DSC (dye-Sensitized solar Cell): chất màu (một loại Pin mặt trời giá rẻ)
NLTT

: Năng Lượng Tái Tạo.

NLMT

: Năng Lượng Mặt Trời

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch ..............................................1
Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu) ............2
Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) ...............................4
Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) ..............................4
Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010 .........................................6


viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 ...................3
Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam ........................................................4
Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam ..................................................................5
Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT:
GW).............................................................................................................................7
Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất .....................................8
Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời ..................................9
Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol ...........................10
Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời ................................................................................11
Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005 -2010 ......11
Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời .................................13
Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11]. ..............................................................................16
Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ .[7]. .............................................................................17
Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời......................................................................................18
Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2]. ..........................................................................19

Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6]. ...................................................................20
Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11]. ......................................20
Hình 2.6 Mộ t số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11]. .................................................22
Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] ..................................................23
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời ......................................................23
Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7]. ...............................24
Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6]. ........................................................................24
Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện ....................................25
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6]. ..............................................26
Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7]. .......................................27
Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC .............................................................29
Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11]. ............................................................29
Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián
tiếp năng lượng Mặt Trời .[7]. ..................................................................................31
Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7]. .......................................................................31
Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11]. .............................................................................33


ix
Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình
[11]. ...........................................................................................................................33
Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất
cực đại khi nhiệt độ của pin ở 25 C .........................................................................34
Hình 3.2 Đặc tính I -V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất

cực đại khi nhiệt độ của pin ở 50 C .........................................................................35
Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O. [8]. ....................36
Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O .......................................................36
Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8]. .........37
Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost ......................................................................................39

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost .....................................................................40
Hình 3.8 Mạch điệ n khi đóng S ................................................................................40
Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S .......................41
Hình 3.10 Mạch điện khi S mở .................................................................................41
Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở ...............................................42
Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. [8]. ............................43
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển .............................................46
Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành ...............................47
Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi .........................................47
Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11]. ............................................................................49
Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11] ...................................................................50
Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4]. .......................................50
Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] ................................................................51
Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] ...................................53
Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thốn g ....................................................................................55
Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành .........................................................56
Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời .........................................................................56
Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nướcẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có
tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết.
Nhận dạng: máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và
ống đẩy nằm trên mép cánh.

Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11].
4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11].
Khi lực nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phí mép bơm, sẽ xuất
hiện khoảng trống máy bơm nước tại tâm cánh bơm. Áp suất tại kho ảng trống này
có thể nhỏ hơn áp suất khí trời và thậm chí có lúc đạt gần tới độ chân không tuyệt
đối. Bơm ly tâm lý thuyết có thể hút nước ở độ sâu tối đa 10m so với tâm cánh bơm.
Thực tế bơm ly tâm hút được nước ở độ sâu từ 3 – 8 m, tùy loại bơm.
Lực ly tâm tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì không khí nhẹ hơn 1000

lần so với nước nên nếu khí lọt vào tâm cánh quạt bơm, lực ly tâm sẻ nhỏ hơn 1000
lần và không đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân không cho lượng
chất lỏng kế tiếp tràn vào. C ánh bơm vẫn quay mà nước thì không bơm được. Đậy
là hiện tượng lọt khí vào ống hút đang hoạt động. thực tế thường gọi là “bơm bị e
(air).& Rdquo”. Vì lý do của bơm ly tâm lúc nào cũng phải đẩy nước.


50

Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11]
Bánh xe công tác (rotor, impeller):
-

Là bộ phận quay chính cung cấp lực li tâm cho lưu chất.

-

Có thể có 1 hoặc nhiều bánh xe công tác tùy theo yêu cầu cột áp.

-

Bánh xe công tác có 3 loại: dang hở, dạng nửa hở và dạng nửa đóng.

Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4].
Khi thiết kế trạm bơm và phân tích hiệu quả kinh tế sự làm việc của máy
bơm nước trong trạm bơm phải xác định được điểm làm việc của nó. Muốn vậy
trước hết phải dựng được đặc tính đường ống ứng với điều kiện làm việc của máy
bơm.

51

Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4]
Khảo sát bơm ly tâm có đường đặc tính Q – H làm việc trong hệ thống bơm
nước từ bể chứa lên bể chứa áp lực. Muốn vận chuyển qua hệ thống đường ống một
lưu lượng Q cần cung cấp cho hệ thống một năng lượng đủ để khắc phục chiều cao
bơm nước hình học và tổn thất áp lực trên ống hút, ống đẩy. Năng lượng đó được
xác định theo công thức:
H = Hhh + hh + hđ (m)
H = Hhh + ∑h

(m)

Trong đó:
H - là áp lực yêu cầu của hệ thống (m).
Hh - là tổng tổn thất áp lực trên ống hút (m).
Hđ - là tổng tổn thất áp lực trên ống đẩy (m).
∑h - là tổng tổn thất áp lực trên đường ống.
∑h = S.Q2
Hhh - chiều cao bơm nước hình học, xác định bằng khoảng cách theo chiều thẳng
đứng tính từ mực nước trong bể hút đến bể chứa.
S - sức cản toàn phần trong hệ thống ống.
S = λ + ζbp
λ - sức cản dọc đường.
ζbp - sức cản cục bộ.
Q - lưu lượng chất lỏng di chuyển qua hệ thống (m3)
Do đó :
H = Hhh + S.Q2

52
Phương trình này là phương trình đặc tính đường ống biểu diễn dưới dạng đồ
thị gọi là đặc tính đường ống .
Đường đặc tính Q – H của máy bơm biểu diễn năng lượng H mà bơm có thể
cấp được cho chất lỏng khi bơm với một lưu lượng là Q nào đó.
Điều kiện làm việc ổn định của hệ thống là giữa bơm và hệ thống phải có sự
cân bằng năng lượng. Điều đó có nghĩa là năng lư ợn H mà bơm cấp vào hệ thống
phải bằng năng lượng H mà hệ thống yêu cầu. Đó là giao điểm của đặc tính Q – H
của máy bơm nước và đặc tính đường ống của hệ thống ( điểm A).


Tính toán ống hút của máy bơm:

Trị số chân không trên trục máy bơm

ℎ =h+
ℎ =h+

+ ∑ℎ = h +

Trong đó :

(1+ ∑ + λ ).

(1+ ∑ + λ ).

h - độ cao của trục máy bơm so với mặt thoáng nước ( độ cao hút).
v và Q - vận tốc trung bình và lưu lượng trong ống.
l và d - chiều dài và đườn kính ống hút.

λ và ζ - hệ số sức cản dọc đường và cục bộ.
Trong bài toán khảo xác ta có số liệu:

l = 50cm = 0,5m
d: Ø 21 = 0,021m
h =25cm = 0,25m


lưu lượng lớn nhất Qmax :

=

∑

Trong đó hckcp là trị số chân không cho phép, lớn nhất ứng với kết cấ u bơm.
- Xác định hệ số cản dọc đường (hệ số trở kháng ma sát).
Khi dòng chảy tầng Re ≤ 2. 10

λ=


53
Khi dòng chảy rối Re > 104
 

1
(1.82  log Re1.64) 2

Với Re là hệ số Reynol
Re =

Trong đó
- độ nhớt động học của nước m2/s.
- tốc độ nước m/s.

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4]

 Theo điều kiện thông thường nhiệt độ của nước khoảng 300C
=> Độ nhớt 0,8.10-6m2/s
=> Re 

d

1,2  0.014

2,110 4

0.810 6

Re= 2,110 4 >104=> dòng chảy rối.
Suy ra:  

1
1
0.02
2 
(1.82  log Re1.64)
(1.82  log 2,110 4  1.64) 2

 Khảo sát thực tế ta được hckcp = 7.5m và ∑ζ = 0,3
Lưu lượng lớn có thể tính gần đúng

=

1,92.

2,3

/h


54
 Tính toán vòi phun nước:

Chiều cao phun nước lên của dòng nước thẳng đứng :
ℎ

=

Trong đó :

ℎ =

(1- ζdt)

v và Q - là vận tốc trung bình và lưu lượng ống đẩy cung cấp.
hw - cột nước bị tổn thất do sức cản không khí gây nên.
d - đường kính tiết diện ra.
Ζdt - hệ số sức cản của dòng tia.
Theo Liuge:
ζdt=
H: cột nước toàn phần ở miệng lổ ra : H =

.

K: hệ số bằng ; K =

ζdt=

=

,

Chiều cao dâng nước :
ℎ

,

; với d là đường kính lổ ra (m).
,

,

. ,

. ,

×

×

= 3,772 m

= H ( 1 – ζdt ) = 4(1-0.057) = 3,772 m

Tổn thất : 4 – 3,772 = 0,228 m
4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy
Ta không dùng acquy làm nguồn lưu trữ năng lượng điện cho máy bơm.
-

Để tiết kiệm chi phí đầu tư.

-

Mục tiêu của đề tài là dùng nước để phục vụ tưới tiêu cho nông – lâm nghiệp

vì vậy khi trời nắng Pin mặt trời sẻ tạo ra mức năng lượng điện cần thiết cung cấp
nguồn điện cho máy bơm để bơm nước lên bồn.
-

Để tránh trời nắng gắt điện áp có thể tăng vọt gây hư hại cho máy bơm khi ta

chọn động cơ DC không chổi than - BLDC (Brushles Dc motor) [11] là một dạng
động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh
cửu dán trên rotor. Động cơ đồng bộ là dộng cơ có tốc độ quay của rotor bằng tốc
độ quay của từ trường, tốc độ quay cảu rotor được xác định bằng công thức


55

Với:

là tốc độ của rotor ,

là tần số Hz) và

là số cực từ

+

Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt

trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn.
+

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên

không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng
cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nnam
am châm trên rotor.
+

Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.
Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.
Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt
được điều khiển vị trí một cách chính xác).
Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không. Vận hành ở tốc độ cao.
4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống
Hình 4.9 giới thiệu tổng quan về hệ thống
Pin mặt trời được lắp sao cho hứng nguồn ánh sáng nhất của mặt trời Pin mặt

trời sinh ra điện áp theo dây dẩn qua qua bộ điều khiển tại đây làm tăng điện áp ra
và ổn định diện áp ra, bộ điều khiển được tích hợp điểm dò công suất cực đại gọi là
điểm MPP, điểm MPP được dò bằng giải thuật P&O, điện áp tăng khi qua bộ điều
khiển để cung cấp điện áp cho máy bơm nước hoạt động.

Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thống


56
4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế

Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành

Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời

Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước


57

Hình 4.12 Đài phun nước [11]
Trong quá trình bơm nước ta dùng phần mềm Hyper Terminal để theo dõi
các thông số ngõ ra của mạch DC/DC thông qua cổng RS 232.

Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal


58

Hình 4.14 Kết quả khảo sát ngõ ra thu đư ợc

4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả


Kết quả đạt được: chế tạo thành công mô hình bơm nước sinh hoạt bằng

năng lượng Mặt Trời có MPPT.


Đánh giá kết quả:
Mô hình mạch ổn định điện áp cho bơm nước sinh hoạt bằng năng lượng mặt

trời có tính linh động cao, kết quả đo đạt phù hợp với tính toán.
Mô hình mạch ổn định điện áp cho bơm nước bằng năng lượng Mặt trời có độ tin
cậy cao, mạch chạy ổn định.
Với việc chế tạo thành công mô hì nh này sẻ góp phần góp sức cho đất nước
ta khai thác tốt hơn về nguồn năng lượng siêu sạch và vô tận này.
4.2 Bài toán thực tế
Ở những khu vực vùng sâu vùng xa, đặc biệt là vùng đồi núi thì để kéo
nguồn điện từ lưới điện quốc gia đến những nơi này để phục vụ cho nhu cầu sản
xuất là rất khó khăn. Sử dụng những nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng
mặt trời là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề năng lượng đó. Nhu cầu
nguồn nước để sử dụng cho việc tưới tiêu các loại cây trồng vào mùa khô ở vùng
đồi núi là rất khó khăn. Để giải quyết bài toán này, ta chọn giải pháp khoan giếng và


59
sử dụng năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho máy bơm.
Theo quy định thì việc khai thác nguồn nước ngầm chỉ được phép khai thác
thác tối đa 20

/ngày.

Bài toán cụ thể: nhu cầu bơm nước sinh hoạt chỉ hoạt động 5h/ngày, chiều
sâu khoan giếng là 70m, từ vị trí khoan đến nơi tiêu thụ là 50m, chiều cao đặt bồn
chứa là 10m.
4.2.1 Tính toán công suất máy bơm


Lưu lượng:
/5h  Q = 4

Q = 20

/h = 1,12 (l/s)



Vận tốc : v = 1,2 m/s



Đường kính ống :

D=


.

.

=

,

Cột áp :

H=z+
Trong đó :
+

. ,

= 0,35 dm = 35mm

.

+ ∑ℎ

+

z: chiều cao cột áp (1m đứng, 5m ngang)

+

: áp suất tại bồn chứa

+

: áp suất tại vị trí hút.

+
+

: hệ số hiệu chỉnh động năng ( chọn

: trọng lượng riêng.
g = 9,81 m/ .
∑ℎ = ℎ

Trong đó :

=1)

v: vận tốc chảy của dòng nước

+
+

(4.1)

ℎ

ℎ

đ

=

đ

+ℎ

+

= 0 (sử dụng bơm hỏa tiển).

: hệ số trở kháng ma sát.
l: chiều dài đường ống (m).
d: đường kính ống (mm).

(4.2)


60
.ξ: tổn thất qua các thiết bị (lưới chắn rác, co, van,...)
.

=
Với

, . ,

=

là độ nhớt của nước ở 30 C.

= 5,3.10 > 10 .

, .

 Dòng chảy rối:

=(

Suy ra:



.

ℎ

Suy ra :
H = 90 +

,

,

. ,

)

,
đ

=(

,

= 4,75 + 0,02.

.
,

, .

.

,

. ,

,

)

= 0,02

= 5,8 m

+ 5,8 ≈ 96 (m nước)

Công suất máy bơm:

N=
Với η là hi ệu suất bơm nước.
N=

,

. ,

,

.

.

= 1507 W ≈ 1,5 kW

4.2.2 Tính toán chọn công suất pin mặt trời

Số wh (watt-hour) sử dụng mỗi ngày của bơm là: Pt = 1507.5=7530 wh.
Tuy nhiên do tổn hao trong hệ thống nên công suất của pin mặt trời phải cao
hơn tổng số watt-hour của tải, thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần.
→ PPV = 1,3.Pt = 1,3.7530 = 9789 Wh
4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10]
Để tính toán lựa chọn kích cỡ của các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính
Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại
tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng một tấm pin mặt trời nhưng
đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để
thiết kế chính xác, người ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng
vùng các tháng trong năm và đưa ra một hệ số trung bình gọi là "panel generation
factor" gọi là hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời. Hệ số này là tích số của hiệu
suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar


61
radiation), đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).

Mức hấp thu năng lượng mặt trời của nước Việt Nam ta là 4,58
kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 4,58 ta sẽ có
tổng số Wp của tấm pin mặt trời.
Mỗi tâm pin mặt trời đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của
tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt
trời cần dùng.
 Tổng số Wp của tấm pin mặt trời
Wp =

.

= 2137 W.

 Chọn thông số của mỗi PV module là:
PV : Pm = 110 Wp
Điện thế làm việc : Vm = 16.7 Vdc
Dòng điện làm việc tối ưu: Im = 6.6 A
Điện áp hở mạch: Voc = 20.7 A
Dòng điện ngắn mạch : Isc = 7.5 A
 Số lượng tấm pin mặt trời
PV =

= 19,43 (tấm)

Vậy số lượng Pin mặt trời cần dùng là 20 tấm
Với cách tính trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời
cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn. Nếu có ít pin
mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát. Nếu thiết kế nhiều pin
mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không
cần thiết. Vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều

có thời tiết khác nhau cũng cần được quan tâm. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các
chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng.
Khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp
tất cả các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối
tiếp và song song, do một hay nhiều solar controller đảm trách.
4.2.4 Tính solar charge controller [10]
Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời