Thiết kế chọn thử nghiệm máy phát điện sử dụng sức gió công suất 1000w

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA CÔNG NGHIỆP PHÁT TRIỂN NÔNG THƠN

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHỌN THỬ NGHIỆM MÁY PHÁT ĐIỆN
SỬ DỤNG SỨC GIĨ CƠNG SUẤT 1000W.

Ngành : Cơng nghiệp phát triển nông thôn
Mã số : 102

Giáo viên hướng dẫn : Trần Kim Khơi
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đình Đạc
Khoá học 2004 – 2008

Hà tây,2008
1


MỤC LỤC
Nội dụng

trang

Chƣơng 1 : TỔNG QUAN: ............................................................................. 4
1.1. Đặt vấn đề................................................................................... 4
1.2.Sự phát triển của việc khai thác năng lƣợng gió trên thế giới .... 5
1.3.Tình hình phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam........................ 7
1.4.Phƣơng hƣớng thiết kế ................................................................ 8
Chƣơng 2: SƠ LUỢC NGHIÊN CỨU VỀ GIÓ.............................................. 9
2.1.Nghiên cứu về gió........................................................................ 9

2.2.Ảnh hƣởng của đặc tính gió đối với việc sản suất năng lƣợng ... 12
2.3.Thu năng lƣợng............................................................................ 14
Chƣơng 3: THIẾT KẾ CHỌN BỘ CHỈNH LƢU VÀ ỔN ÁP ....................... 16
3.1.Thiết kế bộ chỉnh lƣu ................................................................... 16
3.2.Thiết kế chọn ắc quy.................................................................... 21
3.3.Thiết kế bộ biến đổi một chiều – xoay chiều .............................. 22
3.4.Tính tốn chọn bộ phận ổn áp ..................................................... 29
Chƣơng 4: THIẾT KẾ CHỌN RÔTO VÀ MÁY PHÁT ................................ 30
4.1.Tính tốn chọn roto gió ............................................................... 30
4.2.Tính tốn chọn máy phát điện ..................................................... 35
4.3.Thiết kế tháp- cột đỡ .................................................................... 37
Chƣơng 5: LỰA CHỌN ĐIỂM ĐẶT HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN ........ 39
5.1.Chọn điểm đặt cho máy cỡ nhỏ ................................................... 39
5.2.Xác định vị trí đặt máy ............................................................... 40
5.3.Xác định các đăc trƣng tại vị trí đặt máy .................................... 46
DỰ TOÁN GIÁ THÀNH XÂY DỰNG ......................................................... 49
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 54
CÁC PHỤ LỤC ............................................................................................... 55
2


LỜI NÓI ĐẦU

Đã từ xa xƣa, cách đây trên hai nghìn năm trƣớc cơng ngun con ngƣời
đã biết sử dụng năng lƣợng gió vào phục vụ những mục đích khác nhau nhƣ
bơm nƣớc, xay xát hoặc là trong nghành tàu biển đã biết dùng sức gió để đƣa
thuyền đi với những chiếc buồm. Việc khai thác nguồn năng lƣợng sạch này đã
phát triển ở một số nƣớc châu âu, Bắc Phi nhƣ Đan Mạch, Tây Ban Nha, Bồ
Đào Nha, Li Bi ….Tuy nhiên, ở Việt Nam ta việc khai thác nguồn năng lƣợng

dồI dào này vẫn còn là mới mẻ. Chính vì vậy, đƣợc sự nhất trí của giáo viên
hƣớng dẫn, tơi quyết định đi thực hiện khố luận:
“Thiết kế chọn máy phát điện sử dụng năng lƣợng gió cơng suất 1000W “
Việc thực hiện khoá luận này sẽ tạo thêm cơ sở cho nƣớc ta đi sâu vào khai
thác nguồn năng lƣợng dồi dào này, để biến năng lƣợng gió trở thành một trong
những nguồn năng lƣợng quan trọng của nƣớc ta. Đồng thời đây cũng phần nào
là cơ sở để đánh giá kết quả sau bốn năm học tập và rèn luyện trong trƣờng.
Thông qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy Trần Kim Khôi cùng tồn
thể các thầy cơ đã tận tình giúp đỡ em trong bốn năm qua.

Sinh viên thực hiện :
Nguyễn Đình Đạc

3


Chuơng 1 :
TỔNG QUAN
1.1

Đặt vấn đề.
Thế kỷ 21 là thế kỷ mà thế giới có những bƣớc phát triển ngoạn mục.

Tuy nhiên, song song với sự phát triển này thì nhu cầu về năng lƣợng cũng
ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn năng lƣợng chủ đạo hiện nay nhƣ năng
lƣợng hoá thạch, năng lƣợng thuỷ điện đang ngày càng bị khai thác kiệt quệ.
Không những thế việc khai thác các nguồn năng lƣợng này cịn đang dẫn đến ơ
nhiễm môi trƣờng hoặc làm thay đổi điêu kiện tự nhiên, mà hậu quả là sự biến
đổi khí hậu tồn cầu, thiên tai xảy ra thƣờng xuyên khiến cho nhiều quốc gia
phải chịu thiệt hai nặng nề. Vấn đề đặt ra là phải tìm cho ra một nguồn năng

lƣợng tái tạo nào có trữ lƣợng dồi dào dễ khai thác, rẻ tiền và an tồn với mơi
trƣờng. Trong các nguồn năng lƣợng sạch thì năng lƣợng gió là một trong
những nguồn năng lƣợng an tồn nhất đối với mơi trƣờng.
Đứng trên phƣơng diện kinh tế thì năng lƣợng gió rất hiệu quả. Đầu tiên
gió là nguồn tài nguyên có sẵn trong tự nhiên và khơng có biên giới. Tiếp đó
xây dựng một nhà máy phát điện từ gió khơng tốn nhiều tiền bằng chi phí xây
dựng một nhà máy sản xuất điện từ các nguồn năng lƣợng khác. Máy phát điện
từ gió có thể dễ dàng bổ sung từ những máy phát điện thông thƣờng khi nhu
cầu điện của ngƣời dân tăng lên. Mặt khác chi phí đầu tƣ thấp làm cho chi phí
sản xuất điện từ gió giảm đột ngột trong hai thập niên gần đây.
Trên góc độ mơi trƣờng , gió là nguồn ngun liệu sạch, khơng làm ơ
nhiễm mơi trƣờng, Điện năng làm từ gió cịn rất sạch có khả năng giảm đáng kể
CO2 thải ra mơi trƣờng.
Tuy nhiên làm thế nào để khai thác nguồn năng lƣợng này một cách hiệu
quả thì chúng ta cần đi sâu hơn vào việc nghiên cứu gió và việc chế tạo các
máy móc để thu đƣợc nguồn năng lƣợng này một cách tốt nhất. Chính vì việc
đi nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phát điện ứng dụng sức gió là một phần
trong cơng cuộc nghiên cứu năng lƣợng gió ứng dụng vào cuộc sống. Đây vừa
4


là cơ sở để đánh giá kết quả học tập trong bốn năm học qua, vừa là cơ sở để
năng lƣợng gió đƣợc khai thác hiệu quả hơn, nhất là trong điều kiện nền kinh tế
Vệt Nam đang trên đà phát triển nhu cầu về năng lƣợng ngày một lớn. Việc
phát triển năng lƣợng gió sẽ tăng thêm nguồn năng lƣợng phục vụ kinh tế phát
triển, giảm ô nhiễm mô trƣờng, đƣa kinh tế Việt Nam phát triển bền vững.
1.2.

Sự phát triển của việc khai thác năng lƣợng gió trên thế giới.
Năng lƣợng gió đã đƣợc sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Con ngƣời đã

biết dùng năng lƣợng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khi cầu, ngoài
ra năng lƣợng gió cịn đƣợc sử dụng để tạo ra cơng cơ học nhờ vào các cối xay
gió. Ý tƣởng dùng năng lƣợng gió để sản xuất điện hình thành ngay từ khi các
phát minh ra điện và máy phát điện ra đời. Từ cuối thập niên 1920, ngƣời Mỹ
đã biết sử dụng những cối xay gió nhỏ để cung cấp điên cho những khu vực
nông thôn. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ đƣợc biến đổi nhỏ, thay vì
là chuyển đổi động năng của gió thành năng lƣợng cơ học thì dùng máy phát
điện để sản xuất năng lƣợng điện. Khi bộ môn cơ học phát triển thì các thiết bị
xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng đƣợc cải tiến cho phù hợp.Ngày
nay ngƣời ta gọi nó là những tuốc bin gió khái niệm về cối xay gió khơng cịn
phù hợp nữa. Những năm 1970, cuộc khủng hoảng dầu hỏa đã làm thay đổi
toàn cảnh năng lƣợng thế giới, việc nghiên cứu sản xuất năng lƣợng từ những
nguồn khác đƣợc đẩy mạnh tren toàn thế giới. Những cối xay gió cơ học ngày
càng đƣợc xây dựng kỹ thuật hơn với những cánh quạt đƣợc chế tạo từ sợi
thuỷ tinh hoặc những vật liệu có sức chịu đựng tốt.
Trƣớc đây, một nhà máy phát điện từ gió thơng thƣờng có thể sản xuất từ
1,5-4 triệu KWh điện mỗi năm, đủ để cung cấp điện cho 150-400 hộ gia đình.
Ở Mỹ, các nhà máy phát điện năng từ gió có thể cung cấp 10 tỉ KWh điện mỗi
năm. Sản lƣợng này chiếm 1% nhu cầu năng lƣợng cho cả nƣớc. Vào những
năm 1980 Mỹ là vua sử dụng năng lƣợng gió khi sản lƣợng điện chiếm 90%
sản lƣợng thế giới. Đến năm 1996 sản lƣợng này giảm xuống cịn 30%. Gần
đây do chi phí đầu tƣ khai thác nguồn năng lƣợng gió giảm và kỹ thuật cải tiến
5


nên gió trở thành một trong những nguồn năng lƣợng mới tạo ra điện có sức
cạnh tranh nhất trong một số khía cạnh.
Tại châu Âu các tuốc bin gió đƣợc nối mạng tồn châu Âu, nhờ vào đó
mà việc sản xuất điện năng đựơc điều hoà một phần. Sự phát triển năng lƣợng

gió đƣợc tài trợ của nhiều nƣớc thơng qua nhiều hình thức khác nhau nhƣ qua
việc hồn trả thuế ( tại Hoa Kỳ) hay thơng qua mơ hình hạn nghạch đấu thầu
(nhƣ ở Anh và Ý ). Trên nhiều thị trƣờng điện năng lƣợng gió phải cạnh tranh
với các nhà máy điện mà một phần đã đƣợc khấu hao tồn bộ từ lâu. Vì thế mà
tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ những nhà cung cấp năng
lƣợng thơng thƣờng dƣới hình thức luật năng lƣợng tái sinh. Bộ luật này quy
định giá tối thiểu mà các doanh nghiệp vận hành lƣới điện phải trả cho các nhà
máy sản suất điện từ năng lƣợng tái sinh.
Theo thống kê cho thấy, hiện nay sản lƣợng điện năng sản xuất từ gió đứng đầu
là Đức tiếp theo đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ. Tong số 20
thị trƣờng lớn nhất thế giới thì châu Âu có 13 nƣớc đứng đầu là Đức, sản lƣợng
của Đức bỏ xa các nƣớc khác. Ở châu Phi ngoại trừ Ai Cập với sản lƣợng 145
MW các nƣớc khác đều có cơng st lắp đặt ít hơn 100 MW. Theo số liệu
thống kê mới nhất của Viện năng lượng gió Đức tháng 5 năm 2005: (Nguồn:
WINDPOWER MONTHLY 04/2005 )
Số thứ tự Quốc gia
01
Đức

Công suất (MW)
16.628

02

Tây Ban Nha

8.263

03

Hoa Kỳ

6.752

04

Đan Mạch

3.118

05

Ấn Độ

2.983

06

Ý

1.265

07

Hà Lan

1.078

08

Nhật

940

09

Liên hiệp Anh và Bắc Ireland 897

10

Trung quốc

764

11

Áo

607
6


12

Bồ Đào Nha

523

13

Hy Lạp

466

14

Canada

444

15

Thụy Điển

442

16

Pháp

390

17

Úc

380

18

Ireland

353

19

New Zealand

170

20

Na Uy

160

Các nƣớc còn lại

951

Tổng cộng trên toàn thế giới 47.574

Bảng 1.1: Sản lƣợng điện từ gió của một số nƣớc trên thế giới

Có thể nhận ra rằng nhiều nƣớc mới chỉ khám phá ra nguồn năng lƣợng
gió trong những năm gần đây và dự đốn sẽ có tăng truởng mạnh trong những
năm sắp tới. Trong năm 2005 theo tính tốn có khoảng 10000 MW đƣợc lắp đặt
mới trên tồn thế giới trong đó có 2000 MW ở Đức.

1.3.

Tình hình phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam
Nƣớc ta là một nƣớc có vùng bờ biển dài trên hai nghìn cây số, hàng

năm lƣu lƣợng gió thổi vào đất liền là rất lớn nhất là vào mùa hè. Tốc độ gió
thổi vào cũng rất cao rất thích hợp cho việc phát điện.
Lịch sử của việc sử dụng năng lƣợng gió ở nƣớc ta đã có từ lâu đời. Tuy
nhiên sử dụng năng lƣợng gió để chạy máy phát điện thì mãi cho tới những
năm gần đây mới đƣợc để ý tới, và sự phát triển này cịn rất chậm. Hiện nay ở
tỉnh Bình Định đang có một dự án xây dựng một nhà máy phát điện sức gió
nhƣng cơng suất chỉ đạt 20 KW. 10 năm trƣớc ở thành phố Hồ Chí Minh đã
xuất hiện một công ty chuyên nhận cung cấp các linh kiện về máy phát điện sức
gió.
Dự kiến đến năm 2020 khi nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của nƣớc ta
bƣớc vào hoạt động thì sản lƣợng điện đáp ứng 80% nhu cầu. Có một giải pháp
7


để đáp ứng nhu cầu điện trong một thời gian khơng xa đó là xây dựng các trạm
điện bằng sức gió.
Sau khi gia nhập WTO, nền kinh tế Việt Nam đứng trƣớc nhiêu thách
thức lớn. Để vƣợt qua đƣợc cần có nền cơng nghiệp điện năng phát triển. Xây
dựng điện bằng sức gió là một trong những giải pháp hiệu quả để đáp ứng nhu
cầu này.

1.4.

Phƣơng hƣớng thiết kế
Trong bối cảnh tồn cầu hố hiện nay thì phát triển khai thác năng lƣợng

là một lĩnh vực hết sức quan trọng đối với nền kinh tế nƣớc ta nhất là việc khai
thác các nguồn năng lƣợng sạch, mang tính bền vững nhƣ năng lƣợng gió. Việc
nghiên cứu khai thác này địi hỏi vừa mang tính kỹ thuật vừa mang tính kinh tế.
Trong khi đó nền cơng nghiệp nƣớc ta lại cịn non trẻ vẫn đi sau nhiều nƣớc
phát triển trên thế giới. Bởi vậy để đảm bảo tính kinh tế ta thiết kế chọn, hay
nói khác là tính tốn để sử dụng các thiết bị có sẵn trên thị trƣờng để đƣa và lắp
đặt hệ thống trong khóa luận.
Với phƣơng pháp thiết kế đó nội dung của khóa luận đƣợc trình bày nhƣ
sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Sơ lƣợc nghiên cứu về gió
Chƣơng 3: Thiết kế lựa chọn bộ chỉnh lƣu và ổn áp
Chƣơng 4: Thiết kế chọn roto gió và máy phát
Chƣơng 5: Lựa chọn điểm đặt cho hệ thống máy phát điện.
Chƣơng 6: Kết luận và kiến nghị.

8


Chƣơng 2
SƠ LƢỢC NGHIÊN CỨU VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ
2.1. Nghiên cứu về năng lƣợng gió
Năng lƣợng gió là động năng của khơng khí chƣyển động với vận tốc v.
Khối lƣợng đi qua một mặt phẳng hình trịn vng góc với chiều gió trong thời
gian t là:
m =  .V =  . A.v.t =  . .r 2 .v.t

(2.1)

Trong đó  là tỉ trọng của khơng khí, V là thể tích khối lƣợng khơng khí

đi qua mặt cắt ngang hình trịn diện tích A, bán kính r trong thời gian t.
Vì thế động năng E và cơng suất P của gió là:
E=

1

m.v2 = .  .r 2 .t.v 3
2
2

(2.2)

P=

E 
= .  .r 2 .v 3
t
2

(2.3)

Ta thấy cơng suất gió tăng theo luỹ thừa bậc ba của vận tốc gió vì thế
vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định đến công suất cũng nhƣ chất
lƣợng khi muốn sử dụng năng lƣợng gió.
Khi rotor gió đặt ở nơi có gió, luồng gió tới sẽ bị chặn lại gây ra sự
chênh lệch áp suất và sự nhiễu động trƣớc và sau cánh gió. Trƣớc cánh gió
dịng chảy khơng khí bị dồn lại làm cho áp suất tăng lên. Nhƣng khi vƣợt qua
cánh thì vậ tốc và năng lƣợng phía sau bị giảm đi, trong khi đó dịng chảy
khơng khí khơng đi qua cánh gió vẫn tiếp tục chuyển động khơng đổi làm cho
áp suất phía sau cánh gió giảm đi, đồng nghĩa với nó là năng lƣợng giảm theo.

Áp suất và vận tốc sinh ra do sự tƣơng tác giữa luồng gió và rotor gió
khơng phải là một hệ khép kín. Các nhiễu loạn sóng thay đổi theo từng thời
điểm. Ngoài ra hệ quả của sự tƣơng tác này cịn phụ thuộc vào từng loại rơto
phát điện. Tƣơng tác của rơto trục ngang với dịng khí chuyển động sẽ làm cho
nhiễu động có dạng hình trụ, cịn khi dịng khí tƣơng tác với rơto trục đứng nó
sẽ là hình phức tạp. Sự nhiễu này đƣợc mơ tả nhƣ hình vẽ sau:

9


- Với rơto trục ngang:
Vùng nhiễu

vùng nén khí

Hình 2-1: Vùng bị nhiễu của gió khi đi qua rơto trục ngang
Vùng nén khí

vùng nhiễu động

Hình 2-2: Vùng bị nhiễu của gió khi đi qua rơto trục đứng
Tuy nhiên, mục đích cuối cùng của ta ở đây là thu đƣợc năng lƣợng tối
đa trong vận tốc tối thiểu. Nhƣng nếu nhƣ toàn bộ năng lƣợng gió biến đổi
hồn tồn thành năng lƣợng cơ thì vận tốc gió sau cánh gió sẽ bằng không, điều
này là không thể xảy ra. Nhƣ vậy để đảm bảo lƣu thơng dịng khí một cách tốt

10


nhất đồng thời cánh gió thu đƣợc năng lƣợng tối đa thì vận tốc gió sau cánh

bằng 2/3 vận tốc gió ở trƣớc cánh gió.
Theo Carl Betz thì số phần trăm cực đại của năng lƣợng gió có thể thu
nhận đƣợc tính theo cơng thức sau:
Pmax
V3
= 0,593.
2
A

(2.4)

Trong đó:
P : là cơng suất của máy gió.
V: là vận tốc gió ban đầu.
A :là là diện tích qt của rơto.
Từ đó ta có:
- Nếu V2 = 0 thì tồn bộ năng lƣợng gió chuyển thành năng lƣợng cơ.
Khi đó, cơng suất của máy gió sẽ đạt tối đa. Nhƣng điều này thực tế khơng xảy
ra vì dịng khí sẽ ln ln chuyển động, đồng nghĩa với việc V2 khác 0.
- Trong trƣờng hợp V2 = V1 khi đó gió sẽ khơng mất đi năng lƣợng đồng
nghĩa với rơto gió sẽ khơng nhận đƣợc chút năng lƣợng nào.(P=0).
Lƣợng khơng khí đi qua rơto trong một giây đƣợc tính theo cơng thức:
M =  . A.

V1  V2
2

(kg/s)

(2.5)

Trong đó:
 : là khối lƣợng riêng của khơng khí.

A : là diện tích qt của rơto(phụ thuộc vào cánh rôto và loại rôto)
Trong thực tế ngƣời ta chứng minh đƣợc công suất cực đại của máy phát
sẽ đạt đƣợc khi V2 =

1
V1 và nó đƣợc biểu diễn qua cơng thức sau:
3

Pmax = 0,593.P0

(2.6)

Trong đó: 0,593 gọi là hệ số Betz.
Từ những thí nghiệm thực tế ngƣời ta đã đƣa ra đƣợc mối quan hệ giữa
V1 và V2 để đƣợc công suất tối đa theo biểu đồ sau:

11


Cơng suất ra của máy gió

P

0

0,2

0,4 0,6 0,8

1

V2/ V1

0.33
Hình 2-3: biểu đồ quan hệ V1/V2 và công suất của máy phát
2.2 Ảnh hƣởng của đặc tính gió đối với việc sản xuất năng lƣợng.
Sự sản suất năng lƣợng gió đƣợc đánh giá thông qua sự kết hợp giữa
kiến thức về đặc tính gió và thơng tin về tính chất hồn thiện thiết của bị. Tính
chất của máy gió thƣờng đƣợc xác định bởi hẹ số công sản sinh ra và tốc độ
gió, đƣợc xác định trong điều kiện ổn định nhƣ phịng thí nghiệm
Nhƣng trong thiên nhiên tình hình thực tế lại khác. Thực tế trong thiên
nhiên gió bị nhiễu và sự tƣơng tác giữa gió và máy gió là tƣơng đối phức tạp.
Đánh giá năng lƣợng sản sinh ra trong một thời gian tƣơng đối dài, chẳng hạn
một tháng một mùa hay một năm có thể thực hiện bằng cách lấy tổng thời gian
năng lƣợng sản sinh xác định bởi chuỗi thời gian của tốc độ gió và đặc tính
máy gió.
Ngƣời ta cũng có thể tính sự sản sinh năng lƣợng trung bình bằng hàm số
mật độ xác suất cho tốc độ gió tại vị trí đặt máy. Hàm số mật độ xác suất của
tốc độ gió giảm trong một thời gian nhất định. Tại một vùng nào đó dạng chính
12


xác của hàm mật độ phụ thuộc vào khoảng thời gian mà tốc độ gió đƣợc tính
trung bình và thời kỳ mà hàm số ứng dụng ( nghĩa là một ngày, một tháng, một
mùa hay một năm ). Vì mƣời phút là thời gian mà tổ chức khí tƣợng quốc tế đề
nghị cho việc đo gió, nên đó cũng là thời gian trung bình thƣờng đƣợc dùng để

triển khai hàm mật độ xác suất. Tuy nhiên, việc thực hành ở mỗi bƣớc có thể
khác nhau. Chúng ta đã biết hàm số này, cơng suất trung bình có thể tính theo
cơng suất sau:


P =  P v   f  v   dv
0

Trong đó:
P(v) : là hàm số thực hiện vững chắc.
ƒ(v) : là hàm số mật độ xác suất.
Cách xác định hàm số mật độ xác suất khách quan nhất ở một điểm nào
đó là thu thập những số liệu thích hợp và quy tốn chụng. Nếu khơng thực hiện
đƣợc điều đó ta có thể dùng nhiều hàm số mật độ xác suất để đánh giá đặc tính
gió ở một điểm. Cách đơn giản nhất là phân bố Rayleigh:
ƒ(v) =

 .v


exp(-

4. v

v2
2

)

2. v

Trong đó:
v: là vận tốc gió tức thời.


v : là vận tốc gió trung bình trong một thời gian dài.

Hoặc ta có thể dùng phân bố Weibull:
 V K 
K
D K1
ƒ(v) = ( ).( ) .exp   
C
C
 C  

Phân bố Weibull có hai thơng số điều chỉnh là C và K có thể điều chỉnh
để phù hợp với dải rộng của hàm số mật độ xác suất khảo sát. Với K=2 thì phân
bố Weibull chính xác hơn phân bố Rayleigh.
2.3 Thu năng lƣợng
13


Việc nghiên cứu lắp đặt hệ thống máy phát điện sức gió có thể tóm tắt
nhƣ sau:
- Nghiên cứu điều tra cơ bản.
- Thu thập các số liệu gió.
- Lập kế hoạch triển khai vận hành hệ thống.
Trong đó việc điều tra cơ bản thu thập số liệu là rất quan trọng. Đây là
công việc của các nhà nghiên cứu.

Để thu đƣợc năng luợng gió trƣớc hết ta phải xem : có thể thu từ gió bao
nhiêu năng lƣợng? Có hai cơ sở cơ bản để đánh giá: đó là hiệu suất và công
suất. Hiệu suất là tỉ số giửa năng lƣợng điện đầu ra và năng lƣợng gió đầu vào
của hệ thống. Theo lý thuyết của Carl Betz đƣa ra năm 1926 hiệu suất tối đa có
thể chuyển hố từ năng lƣợng gió thành năng lƣợng cơ là 59,3%. Ta có thể
miêu tả q trình chuyển hóa năng lƣợng theo sơ đồ sau:

động

bộ

máy

accu

năng lƣợng

cơ gió

truyền,

phát

dây

đầu ra

ổ đỡ

dẫn

tổn hao
ma sát

tổn hao

tổn hao dây dẫn

biến đổi NL

tổn thất khí động
Hình 2-4 : Sơ đồ chuyển hố năng lƣợng
Nhƣ vậy có thể thấy năng lƣợng điện đầu ra nhỏ hơn rất nhiều so với
năng lƣợng gió đầu vào, bởi vậy thiết kế của ta phải làm sao để giảm tối đa tổn
thất qua các khâu trung gian nhƣng đảm bảo tất cả các yếu tố về kỹ thuật cung
14


nhƣ kinh tế. Sau khi đi phân tích các yếu tố kinh tế kỹ thuật và khả năng thi
công ta có sơ đồ hệ thống máy phát điện sức gió nhƣ sau:

Turbin gió

Máy phát

Chỉnh lƣu
(~/-)

Ắc qui

Tải sử dụng

Hộp phân
phối

Chỉnh lƣu
(-/~)
Ổn áp

Hình 2-5 : Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện sức gió.

15


Chƣơng 3
THIẾT KẾ LỰA CHỌN BỘ CHỈNH LƢU VÀ ỔN ÁP
3.1.Thiết kế bộ chỉnh lƣu.
Để chỉnh lƣu dòng điện ba pha thành dịng điện một chiều ta có hai
phƣơng pháp chính:
Chỉnh lƣu dịng có bộ điều khiển. Với phƣơng án này thì mạch

-

chỉnh lƣu làm việc phức tạp vì cần có bộ phận tạo xung để các Thyristor ở
trang thái đóng mở khác nhau, hơn nữa phƣơng án này địi hỏi chi phí cao nên
ta khơng sử dụng phƣơng án này.
Chỉnh lƣu dịng khơng có bộ điều khiển. Đây là phƣơng án đơn

-

giản , giá thành rẻ nên trong thiết kế của khóa luận này ta sử dụng phƣơng án
này. Đối với phƣơng án này ta đƣa ra hai sơ đồ mạch chỉnh lƣu đơn giản có
hiệu suất cao đang đƣợc áp dụng cho các máy gió hiện nay:
3.1.1. Sơ đồ chỉnh lƣu dịng điện ba pha hình tia.
Ta có sơ đồ ngun lý:
ea

Da

ia

eb

Db

ib

ec

Dc

ic

N

-

+

Hình 3-1: Sơ đồ chỉnh lƣu dịng điện hình tia

Suất điện động trên các pha sẽ là:
ea = 2 .E2.sin  (  =  t)
eb = 2 .E2.sin(  -

16

2
)
3

(3.1)


ec = 2 .E2.sin(  -

4
)
3

Từ sơ đồ trên ta thấy điện áp trung bình sau khi chỉnh lƣu sẽ là:
U = 1,17.E2.- ∆U 

(3.2)

Trong đó: ∆U  là : điện áp phụ tải mất đi do hiện tƣợng trùng dẫn.
∆U  =

3..Ln.I 0
2.

(3.3)

Ln là cảm kháng nguồn .
Sơ đồ này có ƣu điểm là cấu tạo và nguyên lý hoạt động tƣơng đối đơn
giản dễ thực hiện .
Nhƣng nó có nhƣợc điểm là điện áp của dịng điện sau khi chỉnh lƣu
khơng cao do đó cơng suất khơng tăng lên nhiều . Nếu sử dụng sơ đồ này thì
máy phát điện của ta phải có cơng suất lớn tƣơng đƣơng với kích thƣớc lớn.
Ngồi ra sơ đồ này cịn có nhƣợc điểm là điện áp ra dao động mạnh kém ổn
định.
3.1.2 Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha
Chỉnh lƣu ba pha theo sơ đồ cầu gọi là cầu Larionov có sơ đồ nhƣ hình
vẽ. Với sáu Diode tạo thành hai nhóm:
-

Nhóm Cathode chung :D1, D3, D5.

-

Nhóm anode chung : D2, D4,D6.

Suất điện động của từng pha sau khi ra khỏi máy phát là:
ea = 2 .E2.sin  (  =  t)
eb = 2 .E2.sin(  -

2
)
3

ec = 2 .E2.sin(   Sơ đồ nguyên lý :

17

4
)
3

(3.4)


D1
ea

D2

D3

A

+

eb

B

ec

D4

C

D5

Pt

D6

-

Hình 3-2: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha.

3

U

0

2
ea

eb

ec


2

0



6

t


3

2
3

1

1

2

2

3

3

1

5

6

6

4

4

5

5

1
Diode
Thơng

Hình 3-3: Đồ thị điện áp ra và thứ tự làm việc của các diode
Ta thấy với sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha này thì nó có ƣu điểm: điện áp ra
ổn định hơn và cao hơn so với trƣờng hợp chỉnh lƣu theo sơ đồ hình tia. Bởi
vậy ta sử dụng sơ đồ này để chỉnh lƣu cho hệ thống máy gió thiết kế.
 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha nhƣ sau:
Thứ tự làm việc của các diode và điện áp từng pha thay đổi theo từng
khoảng thời gian. Cụ thể nhƣ sau:

18


- Trong khoảng thời gian từ

3

đến
6
6

Nhìn trên đồ thị điện áp ra của máy phát và ta thứ tự làm việc của các
diode ta thấy suất điện động của các pha có mối quan hệ: e a >ec >eb tƣơng ứng
với điện thế tại các điểm A, B, C trên sơ đồ quan hệ với nhau:

VA

>VC>VB. Vì thế nên:
Trong số các cathode chung thì diode D1 có thế dƣơng cao nhất nên
diode D1 thơng, cịn các diode D2, D3 ở trạng thái khố.
Trong số các anode chung thì diode D5 có thế âm cao nhất nên D5 thơng,
cịn các diode D4, D6 ở trạng thái khoá.
Vậy trong khoảng thời gian này D1 và D5 thơng, và dịng điện của ta đi
nhƣ sau:
Nguồn

D1

phụ tải

- Trong khoảng thời gian từ

D5

Nguồn

3
5
đến
6

6

Nhìn trên đồ thị điện áp ra của máy phát và ta thứ tự làm việc của các
diode ta thấy suất điện động của các pha có mối quan hệ: e a >eb >ec tƣơng ứng
với điện thế tại các điểm A, B, C trên sơ đồ quan hệ với nhau:

VA >VB >

VC. Vì thế nên:
Trong số các cathode chung thì diode D1 có thế dƣơng cao nhất nên
diode D1 thơng, cịn các diode D2, D3 ở trạng thái khoá.
Trong số các anode chung thì diode D6 có thế âm cao nhất nên D6 thơng,
cịn các diode D4, D5 ở trạng thái khố.
Vậy trong khoảng thời gian này D1 và D6 thông, và dòng điện của ta đi
nhƣ sau:
Nguồn

D1

phụ tải

- Trong khoảng thời gian từ

D6

Nguồn

5
7
đến

6
6

Nhìn trên đồ thị điện áp ra của máy phát và ta thứ tự làm việc của các
diode ta thấy suất điện động của các pha có mối quan hệ: e b > ea > ec tƣơng ứng
19


với điện thế tại các điểm A, B, C trên sơ đồ quan hệ với nhau:

V B >VA >

VC. Vì thế nên:
Trong số các cathode chung thì diode D2 có thế dƣơng cao nhất nên
diode D2 thơng, cịn các diode D1, D3 ở trạng thái khoá.
Trong số các anode chung thì diode D6 có thế âm cao nhất nên D6 thơng,
cịn các diode D4, D5 ở trạng thái khố.
Vậy trong khoảng thời gian này D2 và D6 thơng, và dịng điện của ta đi
nhƣ sau:
Nguồn

D2

phụ tải

D6

Nguồn

Tƣơng tự nhƣ vậy ta có thể biết đƣợc dịng điện đi trong từng khoảng:

7
9
9
11
đến
,
đến
,
6
6
6
6

11
13
đến
6
6

đƣợc biểu diễn qua bảng sau:

Chiều đi của dòng

Điện áp qua phụ

điện

tải U0

1 và 5

Từ A qua tải về B

ea – eb

3
5
÷
6
6

1 và 6

Từ A qua tải về C

ea – ec

5
7
÷
6
6

2 và 6

Từ B qua tải về C

eb – ec

9

7
÷
6
6

2 và 4

Từ B qua tải về A

eb – ea

9
11
÷
6
6

3 và 4

Từ C qua tải về A

ec – ea

11
13
÷
6
6

3 và 6

Từ C qua tải về B

ec – eb

Khoảng

Diode thơng

3

÷
6
6

Thơng qua bảng giá trị điện áp tức thời của điện áp qua phụ tải trong sơ
đồ mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha ta thấy điện áp tức thời bằng hiệu giá trị tức thời
của các suất điện động hai pha đang chạy qua phụ tải. Hay đó chính là hiệu giá
trị tức thời của hai pha có thế dƣơng cao nhất và pha có thế âm cao nhất. Hiệu
20


điện thế U0 đƣợc thể hiện nhƣ trên đồ thị 3-3. Các đƣờng 1,2 trên đồ thị thể
hiện điện thế đầu vào và đầu ra phụ tải. Đƣờng 3 thể hiện giá trị hiệu điện thế ở
hai đầu phụ tải, hay chính bằng giá trị đƣờng 2 trừ đƣờng giá trị 1. Kết quả là
điện áp trên phụ tải U0 trong một chu kỳ dòng điện ba pha là sáu nhóm sinus
ứng với sáu mạch đập.
Giá trị điện áp tức thời của dòng chỉnh lƣu ở đầu ra xét trong một khoảng
thời gian (giả sử từ

3

÷
) là :
6
6

U0 = ea – eb = 2 .E2.sinθ - 2 .E2.sin(θ U0 = 6 .E2.cos(θ -

2
)
3


)
3

(3.5)
(3.6)

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu trong một chu kỳ là:
U0 =

U0 =

6
.
2

3

6



6 cos(θ -


6


)dθ
3

3 6
.E2 = 2,34E2


(3.7)

(3.8)

Điện áp ngƣợc lớn nhất mà diode có thể phải chịu là:
Ung max = 6 .E2 ≈ 2.45.E2

(3.9)

3.2.Thiết kế chọn ắc quy.
Hiện nay trên thị trƣờng có rất nhiều loại ắc quy với nhiều chủng loại và
kích cỡ khác nhau. Tuy nhiên giá thành của ắc quy hiện nay là rất cao, hơn nữa
ắc quy có dung lƣợng càng lớn thì giá thành lại càng cao , mà mục tiêu của ta là

giả chi phí xây dựng hệ thống đến mức thấp nhất để giảm giá thành sử dụng
cho 1Kwh điện. Chính vì vậy mà tơi thiết kế cho hệ thống một ắc quy có điện
áp 24V và dung lƣợng 1500Ah. Do không cần cơ động nên ta có thể xây trực
tiếp ắc quy dƣới chân cột máy phát điện. Kết cấu của ắc quy đƣợc mô tả qua
hình 3-4 sau:

21


A

A

Nhựa đƣờng

Bê tơng

Hình 3-4: Mơ hình ắc quy

3.3. Thiết kế bộ biến đổi một chiều – xoay chiều.
Các bộ biến đổi một chiều – xoay chiều là thiết bị có thể biến đổi dòng
một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số nào đó cố định hoặc thay đổi.
Thiết bị này còn gọi là bộ nghịch lƣu độc lập. Có nhiều kiểu thiết bị biến đổi

22


dòng một chiều thành dòng xoay chiều, sau đây là một số kiểu biến đổi phổ
biến:
3.3.1. Sơ đồ cầu.

L
+
K1

L

R1

K2

U

K1

C

K2

Hình 3-5: Sơ đồ chỉnh lƣu một chiều – xoay chiều dạng cầu
3.3.2. Sở đồ hai khố song song.

Su

a
L

b
m/2

m/2

+
Si

A
Th1

B
C

Th2

Hình 3-6: Sơ đồ chỉnh lƣu một chiều-xoay chiều dạng hai khoá song song

23


3.3.3. Sơ đồ nối tiếp.
+
Th1
L1
U

L2
Pt
Th2
C

_
Hình 3-7: Sơ đồ chỉnh lƣu một chiều-xoay chiều dạng nối tiếp

3.3.4. Sơ đồ song song - nối tiếp.
+

U

Th1

D1

Th2

D2

RT
+
C
U

-

Hình 3-8: Sơ đồ chỉnh lƣu một chiều-xoay chiều dạng song song-nối tiếp

24


Sau khi đi phân tích một số yếu tố ta nhận thấy sơ đồ hai khố mắc song song
là có nhiều ƣu điểm: Nó tạo ra đƣợc dịng diện xoay chiều và điện áp ra Su có
thể sử dụng đƣợc ngay không cần phải qua máy biến áp hay thiết bị nào khác.
Do đó ta chọn sơ đồ này để sử dụng vào hệ thống đang thiết kế.
3.3.5. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ mắc hai khoá song song.

Trên sơ đồ hai khóa song song ta thấy có một cuộn cảm L với trị số lớn
nối tiếp với mạch tải, cuộn cảm này có hai tác dụng:
Giữ cho dịng cung cấp ra tải đƣợc ổn định.
Hạn chế dòng điện cực đại.
Bởi thế sơ đồ làm việc nhƣ sau:
Giả sử lúc đầu cho xung điều khiển thơng Th 1 cịn Th2 ở trạng thái khố
nhƣ hình vẽ(3-9).
Nửa bên trái của cuộn sơ cấp đựơc đặt dƣới điện áp Uma = U. Khi đó Uma
tăng thì cuộn sơ cấp nhƣ một biến áp tự ngẫu làm suất hiện một suất điện
động. Do đó , có một điện áp Ubm = U (Vì số vịng dây của hai nửa cuộn bằng
nhau). Két quả là tụ điện C đƣợc nạp địên với điện áp U ba = 2U với cực tính
nhƣ hình vẽ:
Su

a

b

L
+

u

u

ing
U

Th1

-

Hình 3-9
25

-C+