Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ

TÓM TẮT
Năng lượng là mối quan tâm hàng đầu của các nước trên thế giới, nhất là
trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Vì vậy việc áp dụng
khoa học kỹ thuật khai thác, sử dụng nguồn năng lượng sạch thay thế cho nguồn
năng lượng hóa thạch truyền thống chính là mối quan tâm hàng đầu của nhân loại.
Mơ hình lai (hybrid) là một phương pháp hữu hiệu sản xuất ra điện năng trên
toàn thế giới. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện và tiếp tục những tiến
bộ mới cho hệ thống này. Đề tải này đề xuất một hệ thống tuabin sử dụng năng
lượng gió và kết hợp năng lượng mặt trời sinh ra điện năng lưu trữ vào ắc quy dự
phòng. Hệ thống được thiết kế, tích hợp như một nguồn năng lượng điện quy mô
nhỏ đáp ứng một phần nguồn điện sinh hoạt cho những nơi khơng có điện lưới quốc
gia hoặc vùng xa xôi hải đảo.
Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình máy phát điện gió kết
hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ” nhằm nghiên cứu, tính tốn và chế tạo
được một hệ thống lai sử dụng hai nguồn năng lượng sạch từ gió và mặt trời có thể
áp dụng vào thực tế cuộc sống; đặc biệt cho các địa phương có tiềm năng dồi dào
hai nguồn năng lượng xanh này.

iv


ABSTRACT
Energy security has been a major concern throughout the human history,
especially when fossil fuels are becoming depleted, The demand of finding and
developing alternative energy resources is more crucial then ever, Some of the very
essential sources are the renewable energy which solar energy and wind energy are
the two most abundant sources that human can rely on.
Combined system to harvest several types of green energy is an effective
way to take the advantage of each source. Hybrid model for solar and wind energies
has been widely studied recently. This thesis investigates a hybrid energy system
combining solar photovoltaic and wind turbine with backup storage batteries. The

hybrid system was designed, integrated and optimized to provide electrical energy
on the household scale to rural and remote areas where electric grid is not available.
The thesis “Research, design and fabricate small scale hybrid power system
for solar and wind energy” aimed to make a hybrid model to create electricity from
solar and wind energy, This research is very practical for central coastal provinces
such as Binh Thuan where wind and solar enegy are extremely abundant.

v


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
CẢM TẠ ................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... xvi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. xvii
Chương 1 MỞ ĐẦU ....................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................2
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................2
1.3.1. Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................2
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn...........................................................................................2
1.4. Mục tiêu nghiên cứu đề tài ...................................................................................3
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .......................................................3
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................3
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu đề tài.............................................................................3

1.6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................3
1.6.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ..............................................................4
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: ........................................................4
1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước ...................................................................4
1.7.1. Các nghiên cứu trong nước ...........................................................................4
1.7.2. Các nghiên cứu ngoài nước ..........................................................................5
1.8. Định hướng nghiên cứu ........................................................................................5
1.9. Nội dung luận văn ................................................................................................6
Chương 2 TỔNG QUAN ............................................................................................7

vi


2.1. Tổng quan năng lượng gió ...................................................................................7
2.1.1. Tiềm năng gió Việt Nam ..............................................................................7
2.1.2. Tiềm năng gió tỉnh Bình Thuận ....................................................................9
2.2. Tổng quan về máy phát điện gió ........................................................................10
2.2.1. Các loại máy phát điện gió cơng suất nhỏ ..................................................10
2.2.1.1. Tuabin gió trục ngang (HAWT) ..........................................................10
2.2.1.2. Tuabin gió trục đứng (VAWT) ...........................................................11
2.2.2. So sánh HAWT và VAWT .........................................................................11
2.3. Tổng quan năng lượng mă ̣t trời tại Việt Nam, tỉnh Bình Thuận ........................12
2.3.1. Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam .................................12
2.3.2. Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Bình Thuận .............................13
2.4. Tổng quan về pin quang điện .............................................................................15
2.4.1. Pin quang điện ............................................................................................15
2.4.1.1. Giới thiệu .............................................................................................15
2.4.1.2. Cấu tạo .................................................................................................15
2.4.1.3. Nguyên lý hoạt động ...........................................................................16
2.4.1.4. Phân loại pin quang điện .....................................................................18

2.4.2. Ưu nhược điểm pin quang điện ..................................................................20
2.5. Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời ......................................20
2.5.1. Các thành phần của hệ thống ......................................................................20
2.5.2. Ưu nhược điểm ...........................................................................................21
Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................22
3.1. Tuabin gió ..........................................................................................................22
3.1.1. Định luật Bezt .............................................................................................22
3.1.2. Hệ số cơng suất Cp .....................................................................................23
3.1.3. Tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR....................................................................25
3.1.4. Số cánh quạt ................................................................................................26
3.1.5. Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió ..........................................26
3.1.6. Lực tác dụng lên rotor .................................................................................27

vii


3.1.7. Ảnh hưởng của chiều cao tháp tuabin gió ..................................................29
3.1.8. Cơng suất gió trung bình tính theo hàm mật độ xác suất Rayleigh ............30
3.2. Hệ thống pin quang điện ....................................................................................30
3.2.1. Các đặc trưng điện của pin quang điện ......................................................30
3.2.1.1. Sơ đồ tương đương ..............................................................................30
3.2.1.2. Phương trình tương đương của pin quang điện ...................................31
3.2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến pin quang điện ..........................................31
3.2.1.4. Phương trình tương đương của bộ pin quang điện ..............................32
3.2.2. Góc nghiêng của dàn pin quang điện ..........................................................34
3.2.3. Xác định tổng năng lượng hàng ngày của hệ pin quang điện .....................35
3.2.4. Tính cơng suất của hệ pin quang điện (Watt Peak) ....................................35
3.2.5. Số lượng tấm pin quang điện ......................................................................35
3.2.6. Tính số mơ đun pin quang điện mắc song song và nối tiếp........................35
3.3. Tính, lựa chọn cụm điều khiển và lưu trữ điện năng .........................................36

3.3.1. Dung lượng của ắc quy axit – chi ...............................................................36
3.3.2. Công suất của bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter) .........................................37
3.3.3. Bộ điều khiển sạc ........................................................................................37
Chương 4 PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ......................39
4.1. Phân tích yêu cầu ...............................................................................................39
4.1.1. Tải tiêu thụ ..................................................................................................39
4.1.2. Vị trí địa lý, khí hậu tại vị trí lắp đặt ..........................................................39
4.1.3. Chọn tỉ lệ công suất định mức phát của hệ pin quang điện và tuabin gió ..40
4.2. Phương án thiết kế tuabin gió ............................................................................40
4.2.1. Yêu cầu thiết kế ..........................................................................................40
4.2.2. Các phương án thiết kế ...............................................................................40
4.2.3. Lựa chọn phương án thiết kế ......................................................................41
4.3. Phương án thiết kế hệ pin quang điện bám theo mặt trời ..................................42
4.3.1. Yêu cầu thiết kế ..........................................................................................42
4.3.2. Các phương án thiết kế ...............................................................................42

viii


4.3.3. Lựa chọn phương án thiết kế ......................................................................42
Chương 5 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ –
MẶT TRỜI................................................................................................................44
5.1. Tính tốn, thiết kế tuabin gió .............................................................................44
5.1.1. Xác định diện tích quét ...............................................................................44
5.1.2. Năng lượng điện nhận được hàng ngày từ hệ thống điện gió .....................44
5.1.3. Chọn góc đặt cánh β, số lượng và kích thước - biên dạng cánh .................45
5.1.4. Số vòng quay của tuabin .............................................................................47
5.1.5. Lựa chọn máy phát điện (Dynamo) và xác định tỉ số truyền .....................47
5.1.6. Bộ truyền đai ...............................................................................................49
5.1.6.1. Tính tốn bộ truyền đai ..........................................................................49

5.1.6.2. Lực tác dụng lên trục .............................................................................51
5.1.7. Chọn vật liệu trục ........................................................................................52
5.1.8. Thiết kế máy phát điện gió .........................................................................52
5.2. Tính tốn, thiết kế của hệ pin quang điện tự xoay một trục ...............................54
5.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................54
5.2.2. Sơ đồ khối ...................................................................................................54
5.2.3. Tính tốn lựa chọn hệ pin quang điện ........................................................55
5.2.4. Thiết kế kết cấu hệ thống cơ khí .................................................................56
5.2.4.1. Thiết kế hệ thống khung gá hệ pin quang điện ......................................57
5.2.4.2. Cơ cấu dẫn động tịnh tiến ......................................................................57
5.2.4.3. Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ khí pin quang điện xoay quanh một trục
...................................................................................................................................58
5.2.5. Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng ...................................................................59
5.2.6. Hệ thống điều khiển trung tâm ...................................................................60
5.2.7 Giải thuật và chương trình điều khiển .........................................................63
5.2.7.1 Giải thuật chương trình ........................................................................63
5.2.7.2. Chương trình điều khiển ......................................................................64
5.3. Hệ thống điều phối năng lương và ắc quy lưu trữ điện năng ........................64

ix


5.3.1. Bộ điều khiển sạc hybrid ............................................................................64
5.3.2. Bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter) ................................................................66
5.3.3. Đồng hồ hiển thị công suất DC...................................................................66
5.3.4. Dung lượng ắc quy hệ thống Hybrid ..........................................................67
5.3.5. Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng ......................................68
5.3.6. Lắp đặt mơ hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng mặt
trời công suất nhỏ ......................................................................................................70
Chương 6 KIỂM NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................71

6.1. Kiểm nghiệm hiệu suất tấm pin quang điện tự xoay một trục so với tấm pin
quang điện đặt cố định ..............................................................................................71
6.1.1. Bố trí thí nghiệm .........................................................................................71
6.1.2. Các thơng số đo tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục và
tấm pin quang điện đặt cố định  = 210 ....................................................................71
6.1.2.1. Bố trí đo điện thế, dịng điện, cơng suất của tấm pin quang điện .......72
6.1.2.2. Bố trí đo bức xạ mặt trời và góc xoay của tấm pin quang điện đặt trên
hệ thống tự xoay một trục .........................................................................................72
6.1.2.3. Các giá trị đo điện áp, cường độ dịng điện, cơng suất, góc xoay, bức
xạ mặt trời .................................................................................................................74
6.1.2.4. Cơng suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục
so với tấm pin quang điện đặt cố định  = 210 và bức xạ nhận được của pin quang
điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục ...................................................................75
6.1.2.5. Sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một
trục trong mỗi giờ ......................................................................................................76
6.1.2.6. Đánh giá...............................................................................................77
6.2. Kiểm nghiệm máy phát điện tuabin gió .............................................................77
6.2.1. Bố trí đo vận tốc vịng trục tuabin, vận tốc vịng trục Dynamo, công suất
phát điện Dynamo tương ứng với các chỉ số vận tốc gió ..........................................77
6.2.2. Mối liên hệ giữa tốc độ gió và cơng suất phát Dynamo .............................78
6.2.3. Mối liên hệ giữa vận tốc vịng Dynamo và cơng suất phát ........................78

x


6.2.4. Mối liên hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và tốc độ gió nhận được của tuabin
...................................................................................................................................79
6.2.5. Mối liên hệ giữa vận tốc vịng Dynamo và cơng suất phát - tốc độ gió .....80
6.2.6. Đánh giá ......................................................................................................80
Chương 7 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ..........................................................................81

7.1. Kết luận ..............................................................................................................81
7.2. Đề nghị ...............................................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82
PHỤ LỤC ..................................................................................................................85

xi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Dự án phong điện 1 (Bình Thuận) ..............................................................1
Hình 1.2: Dự án điện - gió kết hợp máy phát điện diesel (Phú Quý - Bình Thuận) ...1
Hình 1.3: Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời ..................................5
Hình 2.1: Bản đồ gió tại độ cao 65 m [20] .................................................................7
Hình 2.2: Bản đồ gió tại độ cao 30 m [20] ..................................................................8
Hình 2.3: Tuabin đón gió từ phía sau [9] ..................................................................10
Hình 2.4: Tuabin đón gió từ phía trước [9] ...............................................................10
Hình 2.5: Các loại tuabin gió trục đứng ....................................................................11
Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản tuabin trục đứng và trục ngang [11] .................................11
Hình 2.7: Cấu tạo tế bào pin quang điện ...................................................................16
Hình 2.8: Cấu tạo tấm pin quang điện [17] ...............................................................16
Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của pin quang điện [11] ..........................................17
Hình 2.10: Một số tế bào pin quang điện ghép thành một mô đun, ..........................17
một số mô đun ghép thành một hệ pin quang điện [17] ............................................17
Hình 2.11: Các phương pháp lắp đặt pin quang điện [17] ........................................18
Hình 2.12: Cấu trúc gấp của một pin quang điện vơ định hình Si [10] ....................18
Hình 2.13: Cấu trúc điển hình của một pin quang điện màng mỏng hệ CuInSe2 [10]
...................................................................................................................................19
Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc của một pin quang điện hệ vật liệu CdTe [10]................19
Hình 2.15: Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời ............21
Hình 2.16: Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với cơng suất 8,6

kW .............................................................................................................................21
tại Trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng ..................................................................21
Hình 2.17: Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với cơng suất 9 kW
...................................................................................................................................21
tại Ga Nha Trang, Khánh Hịa...................................................................................21
Hình 3.1: Ống động lực học Bezt trong điều kiện lý tưởng [3] ................................23

xii


Hình 3.2: Đường cong cơng suất lý tưởng của tuabin gió [11] ................................27
Hình 3.3: Lực tác dụng lên cánh [3] .........................................................................27
Hình 3.4: Giá trị cản gió của một số hình dạng hình học [3] ....................................29
Hình 3.5: Mạch điện tương đương của pin quang điện [11] .....................................30
Hình 3.6: Mơ hình pin quang điện một đi ốt lý tưởng [11]. .....................................32
Hình 3.7: Mơ đun pin quang điện [11] ......................................................................33
Hình 3.8: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau [11] ..........................................34
Hình 3.9: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau [11] .........................................34
Hình 4.1: Mơ hình tuabin gió trục đứng cánh trịn [3] ..............................................40
Hình 4.2: Mơ hình tuabin gió trục đứng cánh NACA ..............................................41
Hình 4.3: Mơ hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục [18] ....................42
Hình 4.4: Mơ hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục [26]. ....................42
Hình 5.1: Kích thước và biên dạng cánh ...................................................................45
Hình 5.2: Bản vẽ thiết kế góc đặt cánh của đĩa gắn cánh quạt .................................46
Hình 5.3: Đĩa gắn cánh quạt ......................................................................................47
Hình 5.4: Dynamo Bpe-mg 100 W, 12 VAC, 3 Pha ................................................48
Hình 5.5: Biểu đồ giữa tơc độ vịng và cơng suất của Dynamo Bpe-mg 100 W, .....48
12 VAC, 3 Pha theo đánh giá của nhà sản xuất [33] ................................................48
Hình 5.6: Đai răng ký hiệu bước XL ........................................................................49
Hình 5.7: Kết quả tính tốn puli răng và đai răng (Pulley Centre Calculation) ........50

Hình 5.8: Bộ truyền đai răng hồn chỉnh ..................................................................50
Hình 5.9: Trục tuabin gió Þ 42, dài 1,150 mm .........................................................52
Hình 5.10: Thiết kế kết cấu máy phát điện gió trục đứng cơng suất nhỏ .................52
Hình 5.11: Sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor và ổ đỡ ................................53
Hình 5.12: Máy phát điện gió trục đứng cánh trịn cơng suất nhỏ hồn chỉnh .........54
Hình 5.13: Sơ đồ khối của hệ pin quang điện tự xoay một trục [18] ........................55
Hình 5.14.a: Tấm pin quang điện SN 100Wp ...........................................................56
Hình 5.14.b: ...............................................................................................................56
Nhãn thơng số kỹ thuật .............................................................................................56

xiii


Hình 5.15: Thiết kế kết cấu hệ thống khung gá pin quang điện xoay quanh một trục
...................................................................................................................................57
Hình 5.16: Thiết kế cơ cấu dẫn động tịnh tiến chiều dài hành trình 210 mm ...........57
Hình 5.17: Cơ cấu dẫn động tịnh tiến lắp ráp hồn chỉnh........................................58
Hình 5.18: Mơ hình hồn chỉnh hệ thống cơ khí ......................................................58
pin quang điện xoay quanh một trục .........................................................................58
Hình 5.19a: Quang trở LDR ......................................................................................59
Hình 5.19b: Mơ đun quang trở ..................................................................................59
Hình 5.20: Cơ chế làm việc của LDR hướng Tây và LDR hướng Đơng .................59
Hình 5.21: Hộp đựng bộ cảm bỉến LDR ...................................................................60
Hình 5.22: Vị trí lắp đặt bộ cảm biến LDR ...............................................................60
Hình 5.23: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm ...........................................................61
Hình 5.24: Hệ thống điều khiển trung tâm hồn chỉnh .............................................62
Hình 5.25: Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ DC ...............................................63
Hình 5.26: Bộ điều khiển sạc - Controller Wind & Soalr Hybrid ............................65
Hình 5.27: Bộ Inverter 500W....................................................................................66
Hình 2.28: Đồng hồ hiển thị công suất DC 0 – 60V, 0 – 100A ................................67

Hình 5.29: Hệ thống bình ắc quy ..............................................................................68
Hình 5.30: Các thiết bị của tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng ..........69
Hình 5.31: Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng lắp đặt hồn chỉnh ....69
Hình 5.32: Sơ đồ lắp ráp mơ hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng
mặt trời cơng suất nhỏ. ..............................................................................................70
Hình 6.1: Bố trí đặt hai tấm pin quang điện ..............................................................71
Hình 6.2: Sơ đồ đo cơng suất tấm pin quang điện ....................................................72
Hình 6.3: Đo cơng suất hai tấm pin quang điện ........................................................72
Hình 6.4: Dụng cụ đo gắn trên hệ thống tự xoay một trục .......................................73
Hình 6.5: Vị trí góc xoay tối đa của tấm pin quang điện ..........................................73

xiv


Hình 6.6: Biểu đồ cơng suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một
trục so với tấm pin quang điện đặt cố định  = 210 và bức xạ nhận được của pin
quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục. ........................................................75
Hình 6.7: Biểu đồ sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên ..........................76
hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ ..................................................................76
Nhận xét: Theo hình 6.7 ta thấy mỗi giờ tấm pin quang điện xoay được một góc có
giá trị trung bình 12,980 xung quanh trục mà tốc độ quay của trái đất 150 mỗi giờ,
vậy đường trục của bộ thu pin quang điện bám theo mặt trời một trục tương đối
luôn hướng thẳng góc với mặt trời. ...........................................................................76
Hình 6.8: Bố trí thí nghiệm máy phát điện gió .........................................................77
Hình 6.9: Biểu đồ quan hệ tốc độ gió và cơng suất phát Dynamo ............................78
Hình 6.10: Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc vịng Dynamo và cơng suất phát .............78
Hình 6.11: Biểu đồ quan hệ vận tốc vịng Dynamo và tốc độ gió nhận được của
tuabin .........................................................................................................................79
Hình 6.12: Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc vịng Dynamo ..........................................80
và cơng suất phát - tốc độ gió....................................................................................80

xv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất [6] .................8
Bảng 2.2 Tốc độ gió trung bình tỉnh Bình Thuận .......................................................9
Bảng 2.3 Năng lượng trung bình của gió tại các trạm Phan Thiết, Phú Quý ..............9
Bảng 2.4 So sánh ưu nhược điểm HAWT và VAWT ...............................................12
Bảng 2.5: Phân bố năng lươ ̣ng mă ̣t trời ta ̣i các vùng trên lañ h thổ Viê ̣t Nam [21]. .13
Bảng 2.6: Ngày Mặt trời qua thiên đỉnh - Hiện tượng trịn bóng lúc giữa trưa [2]. .13
Bảng 2.7: Thời gian Mặt trời chiếu sáng vào ngày 15 hàng tháng [2]. ....................14
Bảng 2.8: Lượng bức xạ tổng cộng thực tế [2]. ........................................................14
Bảng 2.9: Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm [2]. .......................................15
Bảng 2.10: Ưu nhược điểm pin Mặt trời tinh thể silic và pin Mặt trời màng mỏng
[21]. ...........................................................................................................................20
Bảng 3.1: Các giá trị khác nhau của hệ số ma sát α [1]. ...........................................30
Bảng 4.1: Các thiết bị sử dụng điện thiết yếu trong hộ gia đình ...............................39
Bảng 4.2: Tiêu chí so sánh pin Mặt trời bám theo Mặt trời một trục và hai trục .....43
Bảng 4.3: Tiêu chí so sánh tuabin gíó trục đứng cánh trịn và cánh NACA .............41
Bảng 5.1: Kết quả tính tốn hệ pin Mặt trời độc lập .................................................56
Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật pin Mặt trời SN 100Wp ..............................................56
Bảng 5.3: Thông số của Dynamo Bpe-mg 100 W ....................................................48
Bảng 6.1: Vị trí góc xoay của tấm pin Mặt trời ........................................................73
Bảng 6.2: Các giá trị đo tấm pin Mặt trời gắn trên hệ thống tự xoay một trục và tấm
pin Mặt trời đặt cố định  = 210 ................................................................................74
Bảng 6.3: Mỗi giờ tâm pin Mặt trời xoay được một góc ..........................................75

xvi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MIS

Metal Isolation Semiconductor

NOCT

Normal Operating Cell Temperature

PV

PhotoVoltaic

TSR

Tip Speed Ratio

HAWT

Horizontal Axis Wind Turbines

VAWT

Vertical Axis Wind Turbines

xvii


Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Việt Nam là nước được các tổ chức phi chính phủ thế giới khảo sát, đánh giá
có tiềm dồi dào, phong phú nguồn năng lượng tái tạo. Nếu được đầu tư và nghiên
cứu công nghệ đúng hướng để chuyển đổi các nguồn năng lượng tái tạo thành điện
năng đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt, sản xuất tại vùng sâu vùng xa, hải đảo khơng
có lưới điện quốc gia nói riêng hoặc đấu nối, hịa vào mạng lưới điện quốc gia nói
chung góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững kinh tế xã hội, nâng cao năng lưc
cạnh tranh cấp độ quốc gia trong bối cảnh Việt Nam hội nhập nền kinh tế toàn cầu.

Hình 1.1: Dự án phong điện 1 (Bình Thuận)

Hình 1.2: Dự án điện - gió kết hợp máy phát điện diesel (Phú Quý - Bình Thuận)

Trang 1


Đặc biệt, tỉnh Bình Thuận có tiềm năng năng lượng gió, mặt trời dồi dào,
phong phú. Để sử dụng hữu hiệu hai nguồn năng lượng xanh của địa phương, do đó
nghiên cứu phân tích u cầu kỹ thuật thiết kế, chế tạo mơ hình thiết bị sản xuất
điện cơng suất nhỏ kết hợp nguồn năng lượng gió và mặt trời hiện đang nhận được
nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, việc lựa chọn công nghệ sử dụng để sản xuất điện năng công suất
nhỏ từ năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trời, gió) phát triển nhanh và mạnh không chỉ
riêng ở Viê ̣t Nam mà còn cả trên thế giới. Mỗi vùng, lãnh thổ có điều kiện tự nhiên
- khí hậu khác nhau nên tiềm năng năng lượng tái tạo cũng không giống nhau. Do
vậy, để hạn chế được các yếu tố bất lợi và dung hòa về điều kiện tự nhiên liên quan
đến 2 nguồn năng lượng tái tạo (mặt trởi – gió) cần tiến hành các nghiên cứu khảo sát
cụ thể.

Việc phát triển một mơ hình phát điện cơng suất nhỏ kết hợp năng lượng gió
và mặt trời để hỗ trợ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của người dân tại địa phương chưa
có điện lưới quốc gia có ý nghĩa cấp thiết. Theo mục tiêu này, đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo mơ hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời cơng
suất nhỏ” được hình thành một thiết bị phù hợp phục vụ việc sản xuất điện năng
cơng suất nhỏ tại các địa phương có tiềm năng, đặc biệt là các vùng thuộc tỉnh Bình
Thuận.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.1. Ý nghĩa khoa học
- Đề xuất được kết cấu hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời
qui mơ nhỏ phù hợp với điều kiện gió và bức xạ mặt trời ở tỉnh Bình Thuận.
- Xác định điều kiện lắp đặt và phương thức vận hành hệ thống phát điện hỗn
hợp gió – mặt trời phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt.
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đề tài phù hợp với chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo đã được
phê duyệt của tỉnh Bình Thuận.

Trang 2


- Góp phần và việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo của tỉnh Bình Thuận,
đặc biệt hướng tới các hộ gia đình cho phép có được nguồn điện phục vụ sinh hoạt
mà không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia.
- Hệ thống phát điện hỗn hợp có kết cấu khơng phức tạp, có thể chế tạo tại các
cơ sở cơ khí thuộc tỉnh để góp phần tạo động lực ngành cơ khí tỉnh Bình Thuận
từng bước làm chủ cơng nghệ và có điều kiện phát triển.
- Là tài liệu tham khảo cho các cơng trình nghiên cứu có liên quan, giúp ích
cho việc đào tạo và từng bước giúp thay đổi nhận thức về sử dụng nguồn năng
lượng tái tạo phục vụ cho cuộc sống của con người.
1.4. Mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Nghiên cứu xác định nguyên lý hoạt động, kết cấu hệ thống phát điện hỗn
hợp gió – mặt trời qui mơ nhỏ phù hợp với điều kiện gió và bức xạ mặt trời ở tỉnh
Bình Thuận.
- Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời và khảo
nghiệm để xác định chế độ vận hành phù hợp.
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ pin quang điện tự xoay một trục.
- Tuabin gió trục đứng cơng suất nhỏ.
- Thiết bị điều khiển sạc và ắc quy cho hệ thống phát điện hỗn hợp.
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu đề tài
Do phạm vi nghiên cứu rộng nên đề tài sẽ tập trung giải quyết những vấn đề
sau:
- Chỉ nghiên cứu hệ pin quang điện một trục tự xoay theo hướng mặt trời
Đông – Tây.
- Tuabin gió dạng trục đứng cơng suất nhỏ có cánh cố định.
- Một mơ hình thiết bị phát điện hỗn hợp có cơng suất khơng q 250 W gồm
pin quang điện một trục tự xoay theo hướng mặt trời Đơng – Tây và tuabin gió.
1.6. Phương pháp nghiên cứu

Trang 3


Để thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đã được lựa chọn và sử
dụng:
1.6.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thơng tin có liên
quan đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể.
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm

nhằm đánh giá ảnh hưởng hiệu suất chuyển đổi điện năng của hệ pin quang điện,
máy phát điện gió.
1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
1.7.1. Các nghiên cứu trong nước
- Đề tài“Nghiên cứu, điều tra, khảo sát và đánh giá các hệ thống phát điện kết
hợp các dạng năng lượng tái tạo cho cụm dân cư ở vùng ngoài lưới điện quốc gia”
của Phạm Hồng Vân thuộc Viện Năng lượng, Bộ Công thương đã nghiên cứu đi đến
một số kết luận về việc lựa chọn ứng dụng một số thiết bị sản xuất điện năng từ
nguồn năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này chủ yếu đưa ra một số các tiêu chí lựa
chọn thiết bị, điều kiện áp dụng. Việc thiết kế, chế tạo thiết bị không là nội dung
nghiên cứu của đề tài [30].
- Cơng trình nghiên cứu “Ga Nha Trang sử dụng điện phát từ năng lượng mặt
trời và sức gió” tại tỉnh Khánh Hòa [31] đã lựa chọn, lắp đặt và đánh giá khả năng
hoạt động của hệ thống phát điện hỗn hợp có tổng cơng suất 9 kW. Hệ thống gồm 1
tuabin gió trục đứng cơng suất 4 kW và 20 tấm pin quang điện với tổng công suất là
5 kW. Hệ thống này được nhập từ nước ngoài, không phải là thiết bị được nghiên
cứu chế tạo trong nước.
- Đề tài “Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng ứng dụng năng lượng mặt trời
và gió vào đào tạo và nghiên cứu khoa học” đã sử dụng hệ thống phát điện hỗn hợp
nhập từ nước ngồi với tổng cơng suất 8,6 kW. Hệ thống gồm 01 tuabin gió trục
ngang cơng suất 1,8 kW, hệ thống pin quang điện có tổng công suất 6,8 kW để phục
vụ công tác nghiên cứu khoa học [32].

Trang 4


Hình 1.3: Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời
công suất 8,6 kW tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng [32]
1.7.2. Các nghiên cứu ngoài nước
- “Tối ưu hóa của một hệ thống phát điện hỗn hợp sử dụng tuabin gió kết hợp

pin quang điện”, tác giả R. Eke và cộng sự ở Trường Đại học Mugla - Thổ Nhĩ Kỳ,
nghiên cứu xây dựng mơ hình tối ưu mối tương quan giữa tiềm năng năng lượng gió
và mặt trời trên cơ sở dữ liệu khí tượng tại vị trí lắp đặt để định cỡ cho hệ thống
phát điện hỗn hợp căn cứ vào nguồn năng lượng tiếp nhận được trên mỗi đơn vị
diện tích chuyển đổi [21].
- “Thiết kế và phân tích của một hệ thống lai năng lượng gió – pin quang
điện”, tác giả Slt. Ing. Trincu Viorica Ionela và Ing. Secosan Cristlan ở học viện Kỹ
thuật Quân sự Romania, đã nghiên cứu đưa ra: phương pháp phân tích, tính tốn,
thiết kế hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời. Hệ thống này được
đề xuất trên cơ sở dữ liệu tốc độ gió và bức xạ mặt trời trung bình hàng tháng trong
năm để xác định nguồn năng lượng tiếp nhận được trên mỗi đơn vị diện tích chuyển
đổi [22].
1.8. Định hướng nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết đánh giá được tiềm năng năng lượng gió, mặt trời tại
tỉnh Bình Thuận.

Trang 5


- Tìm hiểu về phương pháp, giải pháp nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng
của hệ pin quang điện, tuabin gió.
- Phân tích, xác định các thơng số của hệ pin quang điện và tuabin gió đề xuất:
kết cấu liên quan, công suất định mức phân định cho từng tác nhân trên cơ sở định
mức công suất tổng của mơ hình phát điện hybrid.
- Thiết kế, chế tạo hệ pin quang điện tự xoay một trục theo hướng mặt trời
Đơng – Tây và tuabin gió trục đứng cơng suất nhỏ.
- Thực nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả.
1.9. Nội dung luận văn
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, thuyết minh nghiên cứu củ đề tài
có kết cấu như sau:

- Chương 1: Mở đầu
Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp
nghiên cứu để thực hiện đề tài.

- Chương 2: Tổng quan
Đề cập đến các loại máy phát điện gió, điện mặt trời cùng các nghiên cứu trong và
ngồi nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng
nghiên cứu.

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan về tính tốn thiết kế máy phát điện gió, điện
mặt trời. Một hệ thống các cơng thức cần sử dụng đã được tổng hợp và trình bày
phục vụ cho u cầu tính tốn của đề tài.

- Chương 4: Phân tích yêu cầu và phương án thiết kế
Xác định các u cầu, các đặc tính kỹ thuật của mơ hình phát điện hỗn hợp gió –
mặt trời cơng suất nhỏ lắp đặt tại Bình Thuận. Từ các thơng số đã chỉ ra tiến hành
đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế khả thi.

- Chương 5: Thiết kế, chế tạo hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời
- Chương 6: Kiểm nghiệm – Đánh giá kết quả
- Chương 7: Kết luận – Đề nghị

Trang 6


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan năng lượng gió
2.1.1. Tiềm năng gió Việt Nam

Trong năm 2001, Ngân hàng Thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước
Việt Nam - Lào - Campuchia - Thái Lan nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho
khu vực [6]. Bản nghiên cứu này với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn và
dữ liệu từ phần mềm mô phỏng MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở
Việt Nam tại độ cao 65 m và 30 m cách mặt đất.

Hình 2.1: Bản đồ gió tại độ cao 65 m [20]

Trang 7


Hình 2.2: Bản đồ gió tại độ cao 30 m [20]
Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng gió của Việt Nam là lớn
nhất so với 3 nước cịn lại: hơn 39% tổng diện tích Việt Nam được ước tính có diện
tích gió trung bình hằng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương với tổng
công suất 512 GW. Đặc biệt hơn, hơn 8% diện tích Việt Nam, được xếp có tiềm
năng gió rất tốt như bảng 2.1.
Bảng 2.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất [6]

Ở độ cao 30 m và 65 m, nơi có tiềm năng lớn để phát triển phong điện là vùng
núi và cao nguyên Tây Nguyên đặc biệt là khu vực rộng lớn tiếp giáp 2 tỉnh Ninh
Thuận và Bình Thuận, duyên hải Nam Trung Bộ mà tiềm năng lớn nhất là Ninh

Trang 8


Thuận và Bình Thuận (vùng này có vận tốc gió trung bình lớn, xu hướng ổn định và
có số lượng bão trong khu vực ít), xa hơn về phía bắc là khu vực hai tỉnh Quảng
Bình và Quảng Trị. Tại những khu vực này gió mạnh, vận tốc 6 – 8 m/s phù hợp để
lắp đặt các tuabin có cơng suất lớn (3 – 3,5 MW).

2.1.2. Tiềm năng gió tỉnh Bình Thuận

Ở Bình Thuận tốc độ gió trung bình năm ở độ cao 10 m trên đất liền dao
động từ 1,6 - 3,2 m/s, còn ở huyện đảo Phú Quý thì tương đối lớn tốc độ trung
bình năm là 5,6 m/s, với dao động các tháng trong năm từ 2,9 - 8,0 m/s.
Tháng có tốc độ gió trung bình lớn nhất thường là vào thời kỳ gió mùa Đơng
bắc (tháng 1, tháng 2, tháng 3), vùng ven biển dao động trong khoảng 3,9 m/s;
đi sâu vào đất liền thì dao động trong khoảng 1,6 - 1,9 m/s [2].
Bảng 2.2: Tốc độ gió trung bình tỉnh Bình Thuận
Tháng
Trạm
Phan Thiết
La Gi
Phú Q

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

3,9 3,9 3,9 3,3 2,8 3,0 3,0 3,3 2,6 2,4
1,6 1,8 1,9 1,7 1,4 1,5 1,6 1,6 1,3 1,4
7,1 5,5 3,9 2,9 3,6 6,3 7,3 8,0 5,8 3,8

Đơn vị: m/s
TB
11 12
năm
3,0 3,2 3,2
1,5 1,4 1,6
6,0 7,4 5,6

Bảng 2.3: Năng lượng trung bình của gió tại các trạm Phan Thiết, Phú Q
Đơn vị: W/m2
Tháng
Trạm
Phan Thiết
Phú Quý

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

36,5 36,5 36,5 22,1 13,5 16,6 16,6 22,1 10,8 8,5 16,6 20,2
220 102 36,5 15 28,7 154 239 315 120 33,7 133 249

Nhận xét: Tỉnh Bình Thuận nằm trong khu vực nội chí tuyến gió mùa, có địa
hình phía Đơng tiếp giáp biển, là nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ gió mùa mùa
Đơng và gió mùa mùa Hè, nên tốc độ gió trung bình của khu vực này tương đối cao,
phù hợp việc phát triển phong điện công suất nhỏ phục vụ nhu cầu sinh hoạt tối thiểu
cho hộ gia đình.

Trang 9

2.2. Tổng quan về máy phát điện gió
2.2.1. Các loại máy phát điện gió cơng suất nhỏ
Tuabin gió là thiết bị biến đổi động năng của khơng khí thành cơ năng, từ cơ
năng biến đổi thành điện năng thông qua máy phát điện. Máy phát điện dùng sức gió.
Tuabin gió công suất nhỏ (≤ 3,5 KW) thường dùng cho việc phát điện cho các
hộ gia đình và có nhiều thiết kế khác nhau cho tuabin gió, được chia ra làm hai loại
cơ bản là tuabin gió trục ngang (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbines) và tuabin
gió trục đứng (VAWT – Vertical Axis Wind Turbines).
2.2.1.1. Tuabin gió trục ngang (HAWT)

Hình 2.3: Tuabin đón gió từ phía sau [9]

Hình 2.4: Tuabin đón gió từ phía trước [9]

Tuabin gió trục ngang (HAWT) có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm
ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên trong thực tế kiểu loại 3 cánh
quạt được sử dụng nhiều nhất vì cho hiệu quả cao nhất [9].
Tuabin gió trục ngang thường gồm hai loại chủ yếu: tuabin đón gió từ phía sau
(down wind rotor) và tuabin đón gió từ phía trước (up wind rotor). Tuy nhiên tuabin
đón gió từ phía sau có nhược điểm là dịng gió ln bị xáo động làm cho lực tác
động vào tuabin gió khơng được phân bố đều làm ảnh hưởng tới độ bền của cánh
cũng như cả hệ thống, gây ra độ ồn cao. Vì vậy, khoảng từ năm 1995 tuabin đón gió
từ phía sau khơng cịn được sử dụng rộng rãi. Phần lớn những tuabin gió hiện đại
được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước.

Trang 10


2.2.1.2. Tuabin gió trục đứng (VAWT)
Tuabin gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm theo trục chính, loại nhỏ hoạt động

khơng phát sinh tiếng ồn cao nên có thể lắp đặt tại khu dân cư, trên những nóc nhà
cao,… Loại này khơng cần thiết phải có hệ thống điều chỉnh theo hướng gió, và có thể
hoạt động với bất kỳ hướng gió nào và tuabin tùy theo loại có thể khởi động ở tốc độ
gió khoảng 0,5 m/s [9]. Cơ bản gồm các loại tuabin: Savonius, Giromill, Gorlov,…

a) Tuabin Savonius

b) Tuabin Giromill

c) Tuabin xoắn Gorlov

Hình 2.5: Các loại tuabin gió trục đứng
2.2.2. So sánh HAWT và VAWT
- Về cơ bản, các loại tuabin gió sẽ bao gồm các thành phần như ở hình 2.6.

1. Chiều gió đến của HAWT
3. Chiều cao của Hub
5. Hộp số
7. Vỏ
9. Chiều gió phía sau rơ to
11. Tháp VAWT
13. Cánh rơ to với góc bước cố định.

2. Đường kính rơ to
4. Cánh rơ to
6. Máy phát
8. Tháp HAWT
10. Chiều cao rơ to
12. Độ cao kính xích đạo.
14. Móng rơ to.

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản tuabin trục đứng và trục ngang [11]

Trang 11