b�n v� cơ khí i BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ ĐIỂU KHIỂN HỆ THỐNG TURBINE GIÓ QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện Mssv Lớp Lê Thanh Long 1711030017 17DCTA1 Trương Hoài Thương 1711030058 17DCTA1 Phạm Vũ Bảo 1711030063 17DCTA1 TP HCM, ngày tháng năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ix TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung của luận văn là nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển hướng góc đón.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Phát triển ngành điện tại Việt Nam
1.1.1 Tiêu thụ và nhu cầu sử dụng điện
Tổng năng lượng tiêu thụ ở Việt Nam đã gia tăng nhanh chóng trong những năm gần đây, phục vụ cho sự phát triển kinh tế đất nước Sự tăng trưởng này phản ánh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế toàn cầu sau đổi mới năm 1986 Trong đó, công nghiệp, giao thông vận tải và dân dụng là ba lĩnh vực tiêu thụ điện năng nhiều nhất, trong khi ngành thương mại, dịch vụ công, nông nghiệp và lâm nghiệp chỉ tiêu thụ một phần nhỏ hơn.
1.1.2 Tổng quan sản lượng điện
Sản lượng điện hàng năm đã tăng mạnh từ 8,6 TWh vào năm 1990 lên 240,1 TWh vào năm 2019, với tỷ lệ tăng hàng năm khoảng 12-15%, gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP Các nguồn năng lượng chính cho sản xuất điện bao gồm thủy điện, khí tự nhiên và than, trong đó than chiếm tỷ trọng cao nhất Tuy nhiên, từ đầu năm 2019, tỷ trọng năng lượng tái tạo trong hệ thống năng lượng đã tăng đáng kể, chủ yếu nhờ vào năng lượng mặt trời, trong khi năng lượng gió cũng đang phát triển mạnh.
Hình 1 1 Sản lượng điện và công suất lắp đặt theo nguồn năm 2019
(Theo Báo cáo thường niên EVN 2019)
Năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam
1.2.1 Năng lượng gió trên thế giới
Nhiều quốc gia trên thế giới đã nhận thức rõ tầm quan trọng của năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, và đang đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu cũng như ứng dụng thực tiễn nguồn năng lượng này Sự đầu tư này không chỉ giúp giảm áp lực về năng lượng mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững cho các quốc gia.
Vào năm 2009, tổng công suất sản xuất điện trên thế giới đạt 159,2 GW với 340 TWh năng lượng, cho thấy mức tăng trưởng 31% mỗi năm, bất chấp những khó khăn của nền kinh tế toàn cầu Cụ thể, điện gió chiếm 8% tổng lượng điện tiêu thụ tại Đức, 14% tại Ailen và 11% tại Tây Ban Nha.
1.2.2 Năng lượng gió ở Việt Nam
Việt Nam, với vị trí nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa và bờ biển dài gần 3000km, sở hữu điều kiện lý tưởng để phát triển năng lượng gió.
Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực châu Á, vượt trội so với các nước láng giềng như Thái Lan, Lào và Campuchia Khoảng 8,6% diện tích lãnh thổ của Việt Nam có tiềm năng rất tốt để phát triển các trạm điện gió quy mô lớn, với tổng công suất lên tới 513.360 MW Con số này lớn hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La và gấp hơn 10 lần dự báo công suất của ngành điện trong tương lai.
Năm 2020, Việt Nam có tiềm năng lớn trong việc phát triển các trạm điện gió cỡ nhỏ, với 41% diện tích nông thôn có thể khai thác So với các nước trong khu vực, tỷ lệ này cao hơn nhiều, như Campuchia chỉ có 6%, Lào 13% và Thái Lan 9%.
Tại Việt Nam, năng lượng gió có tiềm năng phát triển không đồng đều, với hai khu vực nổi bật là Sơn Hải - Ninh Thuận và vùng đồi cát phía Tây Hàm Tiến đến Mũi Né - Bình Thuận Trong những tháng gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam tại đây có thể đạt 98%, với vận tốc trung bình từ 6 đến 7 m/s, cho phép xây dựng các nhà máy điện gió công suất 3 – 3.5MW Khu vực này có dân cư thưa thớt và khí hậu khô nóng, nơi người dân đã tự chế tạo máy phát điện gió cỡ nhỏ để phục vụ nhu cầu thắp sáng.
Mặc dù năng lượng gió có nhiều lợi ích, nhưng để phát triển hiệu quả, cần lưu ý một số đặc điểm quan trọng Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió, đòi hỏi nghiên cứu chính xác về địa hình và các dòng gió Do đó, năng lượng gió không thể trở thành nguồn năng lượng chủ lực Thêm vào đó, các nhà máy điện gió có thể gây ô nhiễm tiếng ồn, làm ảnh hưởng đến cảnh quan tự nhiên và có thể tác động đến tín hiệu sóng vô tuyến.
Sự chênh lệch giá giữa năng lượng điện gió và năng lượng truyền thống không lớn ở các nước phát triển, nhưng các nước đang phát triển gặp khó khăn trong việc phát triển điện gió do chi phí cơ sở hạ tầng cao, lưới điện chưa hoàn thiện và phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài Điều này dẫn đến giá điện gió bán ra cao, như giá điện gió từ Nhà máy điện gió Bạc Liêu được đề nghị là 12 cent/kWh cho EVN trong 4 năm đầu, chưa tính đến chi phí tài nguyên và môi trường Trong khi đó, giá điện mà EVN mua từ các công ty tư nhân chỉ là 700đ/kWh, tương đương 3,33 cent/kWh.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 các nguyên cứu trong nước
Công nghệ năng lượng gió đã tiến bộ đáng kể, hiện nay giá thành điện gió tương đương với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá và khí đốt Đây là một hy vọng lớn cho tương lai của thế giới, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng.
Nghiên cứu và triển khai năng lượng gió tại Việt Nam đã có những bước khởi đầu, nhưng mức độ phát triển vẫn còn khiêm tốn so với tiềm năng lớn của đất nước Hiện tại, Việt Nam đang triển khai 20 dự án điện gió với tổng công suất dự kiến đạt 20GW.
Việt Nam đã lắp đặt thành công nhà máy điện gió công suất 858 kW trên đảo Bạch Long Vĩ, được chính phủ tài trợ Các tổ máy của nhà máy này được chế tạo bởi hãng Technology, góp phần thúc đẩy nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương.
Trung tâm Năng lượng tái tạo và Thiết bị nhiệt (RECTARE) thuộc Trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã lắp đặt hơn 800 turbine gió tại hơn 40 tỉnh thành, được tài trợ bởi Hiệp hội Việt Nam – Thụy Sỹ, với số lượng lớn nhất gần Nha Trang, trong đó gần 140 turbine đã đi vào hoạt động Tại Cần Giờ - TPHCM, nhờ sự hỗ trợ từ Pháp, 50 turbine gió cũng đã được lắp đặt Tuy nhiên, tất cả các turbine gió này đều có công suất nhỏ.
4 vài kW, mức độ thành công không cao vì không được bảo dưỡng thường xuyên theo đúng yêu cầu
Hình 1 2 Nhà máy điện gió Tuy Phong – Bình Thuận
Vào năm 2009, nhà máy điện gió Tuy Phong tại Bình Thuận đã hoàn thành giai đoạn I, đưa vào vận hành thử nghiệm 20 turbine gió với tổng công suất 30MW Nhà máy này sản xuất trung bình khoảng 85 triệu kWh mỗi năm và góp phần giảm phát thải khoảng 58.000 tấn CO2 hàng năm.
Hình 1 3 Nhà máy điện gió Phú Quý – Bình Thuận
Năm 2012, Nhà máy điện gió Phú Quý – Bình Thuận được đưa vào phát công suất
3 turbine gió với tổng công suất 6MW, sản xuất trung bình khoảng 25 triệu kWh/năm
Hình 1 4 Nhà máy điện gió Bạc Liêu
Tháng 04/2015, Nhà máy điện gió Bạc Liêu đã chính thức hòa vào lưới điện quốc gia tổng số 20 turbine gió có tổng công suất là 32MW
1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Scientists at the Endowed Chair of Wind Energy (Stiftungslehrstuhl Windenergie, SWE) at the University of Stuttgart, in collaboration with colleagues at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Boulder, USA, have achieved significant advancements in wind energy research.
Hệ thống LIDAR được lắp đặt trên vỏ nacelle của tuabin gió lần đầu tiên trên thế giới giúp kiểm soát tốc độ rôto và các thông số điều khiển khác dựa trên trường gió đến Kỹ thuật này giảm tải trọng do gió, cho phép chế tạo tuabin bằng vật liệu ít hơn và tăng năng suất năng lượng Để dự đoán trường gió từ sớm, một hệ thống LIDAR thương mại đã được kết hợp với một máy quét đặc biệt, cho phép hướng chùm tia laser để đo toàn bộ trường gió tại các điểm tùy ý Hệ thống này được lắp đặt tại Trung tâm Công nghệ Gió Quốc gia (NWTC) ở Boulder.
Công nghệ LIDAR sử dụng laser để đo tốc độ gió từ xa, với những tiến bộ mới cho phép thực hiện các phép đo phức tạp ngay từ vỏ turbine, thay vì chỉ từ mặt đất như trước đây.
Hình 1 6 Tua bin gió bão
Tuabin gió bão, được phát minh bởi Atsushi Shimizu, nhằm khai thác năng lượng từ các cơn bão thường xảy ra ở Nhật Bản Hệ thống này được thiết kế để chịu đựng sức gió mạnh mẽ và có trục đẳng hướng, cho phép điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt.
Hình 1 7 Tua bin gió trong không trung
Tuabin gió trên không đầu tiên, BAT-Buoyant Airborne Turbine, được giới thiệu vào năm 2014 tại Fairbanks, Alaska, do MIT Altaeros Energies thiết kế và xây dựng Thiết bị này được treo ở độ cao 1000 feet (khoảng 300 m) nhờ khí heli và có hình dáng giống như một khinh khí cầu hình trụ khổng lồ.
Tuabin gió này khai thác nguồn năng lượng gió mạnh gấp 5-8 lần so với mặt đất, và sau 18 tháng thí nghiệm, đã sản xuất đủ năng lượng cho hàng chục hộ gia đình.
Do lợi thế vị trí cao, hệ thống BAT cũng có thể cũng truyền tín hiệu WiFi và di động, cũng như các cảm biến thời tiết.
Cấu tạo chung của tuabin gió
Thiết bị tua bin gió gồm các phần chính sau:
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển
- Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay
- Bộ hãm (Brakes): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
Bộ điều khiển khởi động động cơ khi tốc độ gió đạt khoảng 2m/s đến 3m/s và tắt động cơ khi tốc độ gió lên đến khoảng 25m/s, nhằm tránh tình trạng quá nhiệt cho các máy phát.
Hộp số (Gear box) là bộ phận quan trọng trong hệ thống máy phát điện, kết nối bánh răng với trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao, giúp tăng tốc độ quay từ 30-60 vòng/phút lên 1200-1500 vòng/phút Tốc độ quay này là yêu cầu thiết yếu để sản xuất điện năng Tuy nhiên, bộ bánh răng này có chi phí cao và đóng vai trò quan trọng trong bộ động cơ và tuabin gió.
Hình 1 8 cấu tạo tua bin
1 Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay
2 Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
3 Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất, và bảo vệ cánh quạt, rotor trong điều kiện gió quá lớn
4 Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
5 Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
6 Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió
7 Generator: Máy phát Phát ra điện
8 Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng
65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng
9 Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển
10.Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió
The nacelle, which houses the rotor and external casing, is mounted atop the tower and contains essential components such as the gearbox, low and high-speed shafts, generator, controller, and brake The external casing serves to protect the internal parts, and in some designs, it is spacious enough to allow a technician to stand inside while performing maintenance.
12.High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
13.Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió
14.Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió
Tháp trụ đỡ nacelle, được chế tạo từ thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép, đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập năng lượng gió Khi chiều cao của trụ tăng lên, tốc độ gió cũng tăng, giúp tối ưu hóa lượng năng lượng gió thu được và nâng cao hiệu suất phát điện.
Các vấn đề liên quan
Hình 1 9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Tunbin
Tua-bin gió hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, trong đó năng lượng gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh rotor Rotor này được kết nối với trục chính, dẫn đến hộp số để điều chỉnh tốc độ quay, và cuối cùng nối với trục của máy phát điện, tạo ra điện năng Để tối ưu hóa việc thu thập năng lượng gió, các tua-bin gió thường được lắp đặt trên các trụ cao.
Maximum power point tracking (MPPT) là kỹ thuật xác định điểm công suất tối ưu cho hệ thống năng lượng điện, thông qua việc điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử trong bộ tăng áp boost converter Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các hệ thống năng lượng tái tạo.
Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) là phương pháp tối ưu hóa công suất cho hệ thống năng lượng mặt trời bằng cách điều chỉnh điện áp hoạt động nhằm đạt được công suất tối đa Dù có nhiều biến thể và cải tiến của thuật toán này, P&O vẫn là một trong những phương pháp MPPT cơ bản và hiệu quả nhất.
Thuật toán tăng độ dẫn (Incremental conductance) so sánh độ dẫn tăng dần với độ dẫn tức thời trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Dựa vào kết quả so sánh, thuật toán điều chỉnh điện áp bằng cách tăng hoặc giảm cho đến khi đạt được điểm công suất tối đa (MPP) Khác với thuật toán P&O, sau khi đạt MPP, điện áp sẽ không được giữ cố định.
Tỷ lệ điện áp hở mạch (Fractional open-circuit voltage) là một thuật toán dựa trên nguyên tắc rằng điện áp tại điểm công suất cực đại luôn là một tỷ lệ cố định của điện áp hở mạch Điện áp hở mạch của các cell trong tấm pin mặt trời được đo và sử dụng làm thông số đầu vào cho bộ điều khiển, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
Chính vì những lý do trên, tác giả đặt ra các mục tiêu phải thực hiện trong luận văn:
+ Thiết kế và chế tạo, lập trình và thử nghiệm cơ cấu xoay trục yaw của turbine gió hộ gia đình
+ Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm module cảm biến xác định hướng gió
+ Xây dựng khung lắp ráp và bố trí các module cảm biến để tính toán được hướng gió chính xác cung cấp cho hệ thống điều khiển trục yaw
+ Phát triển và ứng dụng thuật toán MPPT P&O tìm điểm công suất cực đại để ứng dụng vào đề tài
+ Sử dụng thuật toán PID để điều khiển góc lệch động cơ trục yaw
Hệ thống truyền nhận tín hiệu sử dụng cổng RS485 với giao thức MODBUS RTU, trong đó có một MASTER điều khiển trục động cơ yaw và nhiều SLAVE đảm nhiệm việc đọc tốc độ quay từ cảm biến.
Thông số của đề tài:
+ Turbine gió hộ gia đình với tổng khối lượng là 10Kg
+ Vận tốc gió giới hạn: Cấp 5 tương đương với vận tốc gió 30 km/h (10 m/s)
+ Khi vận tốc gió vượt ngưỡng cho phép, turbine được điều khiển lệch góc so với hướng gió để đảm bảo an toàn cho hệ thống
+ Chiều cao lắp đặt: 15m so với mặt đất
+ Đảm bảo sai số góc lệch dưới 3 độ
+ Tốc độ xoay của hệ thống đáp ứng ở vận tốc thấp đảm bảo ổn định hệ thống v 12 vòng/phút
1.5.4 Trình tự công việc cần thực hiện trong quá trình làm luận văn
Để tiến hành mô phỏng hiệu quả, cần thực hiện tính toán sơ bộ phần cơ khí cho cơ cấu yaw dựa trên các thông số đã đề ra trong đề tài, từ đó xác định các thông số cơ bản thiết yếu.
Để kiểm nghiệm tính khả thi của hệ thống, cần mô hình hóa các thông số đầu ra như công suất, điện áp và đáp ứng góc yaw Quá trình này có thể thực hiện thông qua các phần mềm mô phỏng như MATLAB, MATLAB Simulink và ASHES.
+ Đặt mua turbine, và các linh kiện khó chế tạo
+ Tính toán chính xác, chi tiết phần cơ khí
Thiết kế và gia công các bộ phận như trụ tháp và đồ gá, đồng thời kiểm nghiệm độ bền và độ chính xác, sau đó tiến hành lắp đặt phần cơ khí.
+ Thiết kế khung cảm biến, sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh in3d module cảm biến hướng gió và tiến hành thực nghiệm
+ Thiết kế, lựa chọn loại vi điều khiển, cảm biến dòng, áp, encoder sử dụng trong đề tài
+ Lựa chọn giải thuật, phương pháp điều khiển, cấu trúc điều khiển sử dụng trong đề tài
+ Tiến hành lập trình, chạy thử nghiệm cho hệ thống trong các môi trường có hướng gió xác định trước
+ Tiến hành so sánh kết quả của việc mô phỏng ban đầu so với thực tế và rút ra kết luận
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Thiết kế cơ khí
2.1.1 Lựa chọn cơ cấu xoay turbine
Bảng 2.1 Tiêu chí lựa chọn cơ cấu xoay turbine
Tiêu chí so sánh Cơ cấu xoay nằm bên trong trụ chống
Cơ cấu xoay nằm bên ngoài trụ chống
Khả năng bảo vệ khỏi thời tiết Tuyệt đối Thấp Độ phức tạp Cao Thấp
Moment quán tính khởi động Cao Thấp
Không gian lắp đặt Nhỏ Rộng
Khả năng bảo trì, nâng cấp, thay thế Khó khăn Dễ dàng Độ thẩm mỹ Cao Thấp
Tác giả đã quyết định thiết kế cơ cấu xoay nằm bên ngoài trụ chống của turbine do hạn chế về không gian lắp đặt trong dự án.
Lựa chọn: Cơ cấu xoay nằm bên ngoài trụ chống
Bảng 2.2 Tiêu chí lựa chọn cơ cấu truyền động cho hệ thống
Bộ truyền xích Bộ truyền đai răng
Khả năng làm việc ở môi trường ngoài trời Tốt Cần có biện pháp bảo vệ
Cần có biện pháp bảo vệ
Khả năng điều khiển chính xác Thấp Cao Cao
14 Độ chính xác trong lắp đặt Thấp Thấp Cao Độ chính xác trong gia công Trung bình Trung bình Cao
Bôi trơn Cần thiết Không bôi trơn Cần thiết
Chi phí bảo trì thay thế Thấp Thấp Cao
Hiệu suất bộ truyền Thấp Thấp Cao
Khả năng lắp đặt với mô hình Trung bình Cao Thấp
Tác giả đã chọn sử dụng bộ truyền đai răng kết hợp với bộ căng đai, vì khớp nối mềm này cho phép sai số trong lắp đặt và thiết kế cơ khí, đồng thời mang lại khả năng điều khiển chính xác ở mức cao.
Lựa chọn: Bộ truyền đai răng
2.1.2 Lựa chọn kiểu tháp đỡ turbine
Bảng 2.3 Tiêu chí lựa chọn tháp đỡ turbine
Khung giàn Tháp hình ống Tháp dây nối đất
Công suất ứng dụng Công suất lớn Công suất lớn Công suất nhỏ
Qui mô lắp đặt Trang trại turbine Trang trại turbine Công suất nhỏ Tiết kiệm nguyên liệu Không Có Có
An toàn Cao Cao Thấp
Diện tích Lớn Nhỏ Nhỏ
Tuổi thọ Cao Cao Ngắn
Tác giả đã chọn tháp hình ống cho mô hình turbine hiện tại vì nó là phương án tối ưu nhất, giúp tiết kiệm không gian và chi phí nguyên vật liệu Tháp hình ống không chỉ dễ gia công và vận chuyển mà còn có chi phí lắp đặt thấp, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Lựa chọn: Phương án Tháp đỡ dạng trụ ống.
Thiết kế điện
2.2.1 Lựa chọn cách thức xác định hướng gió
Bảng 2.4 Tiêu chí lựa chọn cách thức xác định hướng gió
Tiêu chí so sánh Normal wind direction sensors
No wind direction sensors Sai số về hướng gió Vượt cho phép Cho phép Cho phép
Khả năng ứng dụng Trang trại turbine Trang trại turbine Công suất nhỏ
Khả năng công nghệ Công nghệ cao Công nghệ cao Giới hạn về công nghệ đo gió
Tốc độ đáp ứng Chậm Cao Chậm
Khả năng quan trắc thực tế Có Có Không
Hiệu suất Thấp Cao Cao
Tuổi thọ sử dụng Phụ thuộc cảm biến Cao Cao
Tác giả đã chọn phương pháp ước lượng hướng gió nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra của turbine, được trình bày qua bảng so sánh Phương pháp này được giải thích thông qua sơ đồ của một module cảm biến gió do tác giả phát triển, kết hợp với các thuật toán xác định ước lượng hướng gió dựa trên công suất đầu ra.
Hình 2 1 Module cảm biến hướng gió kết hợp tự thiết kế
Lựa chọn: Phương án sử dụng kết hợp phương pháp giữa Normal wind direction sensors và phương pháp Wind direction estimation
2.2.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển
Bảng 2.5 Tiêu chí lựa chọn cấu trúc điều khiển
Tiêu chí so sánh Tập trung Phân cấp
Tiết kiệm không gian Có Không
Khả năng phát triển Khó Dễ
Dễ dàng trong thiết kế từng module Không Có
Thực hiện đa tác vụ Không Có
Tiết kiệm chi phí Có Không
Nhiễu loạn trong quá trình truyền tín hiệu Không Có
Chương trình quản lý tín hiệu Không cần Cần thiết
Tác giả đã chọn phương án sử dụng cấu trúc điều khiển phân cấp để quản lý hệ thống với nhiều cảm biến và encoder, nhằm đảm bảo đọc tốc độ chính xác Cấu trúc này cho phép tính toán và xác định góc gió chính xác nhất Hệ thống bao gồm một MASTER có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ encoder và điều khiển động cơ trục xoay chính, cùng với một số lượng SLAVE hỗ trợ.
Bài viết đề cập đến việc sử dụng cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện và thông số encoder từ module cảm biến hướng gió, với việc điều chỉnh các giá trị sao cho phù hợp Hệ thống truyền nhận tín hiệu MASTER – SLAVE sẽ áp dụng chuẩn RS485 công nghiệp và giao thức MODBUS RTU truyền thống.
Lựa chọn: Phương án sử dụng cấu trúc điều khiển phân cấp
2.2.3 Lựa chọn các chuẩn truyền thông tín hiệu
Bảng 2.6 Tiêu chí lựa chọn chuẩn truyền thông tín hiệu
Tiêu chí so sánh Truyền thông có dây Truyền thông không dây
Nhanh Nhanh Phụ thuộc vào kết nối internet
Khả năng quản lý dữ liệu Thấp Cao Cao
Khoảng cách truyền Ngắn Xa Bất cứ nơi nào có internet
Mở rộng thiết bị truyền nhận Không Có Có Ứng dụng trong công nghiệp Không Có Có
Số dây phụ thuộc vào số bit
Từ 2 – 4 dây tùy loại cổng vật lý sử dụng
Giao thức Đơn giản Phức tạp Phức tạp Ứng dụng trong thực tế Ít Mọi nơi Có mạng internet
Giao tiếp với các thiết bị cảm biến trên trị trường
Tác giả đã quyết định sử dụng chuẩn truyền thông RS485 theo dạng nối tiếp cho hệ thống điện gió, do đặc thù lắp đặt tại những khu vực hẻo lánh, nơi việc kết nối internet gặp nhiều khó khăn.
Lựa chọn: Phương án sử dụng truyền thông nối tiếp, có dây thông qua cổng vật lý RS485.
Thiết kế bộ điều khiển, giải thuật xác định hướng gió
2.3.1 Lựa chọn giao thức truyền thông
Bảng 2.7 Tiêu chí lựa chọn giao thức truyền thông
PA: 31.25kbps DP: 9.6Kbit/S to 12
H1: 31.25Kbits HSE: 100 to 1000 Mbits/S Comunication type MASTER/SLAVE
MASTER/SLAVE Peer to Peer
Single Multi-master cable Media access algorithm Token passing Token passing Token passing
Intrinsic safety Not applicable Yes Yes
Bus powered - PA YES Yes
Physical layer standar Not specified RS485, IEC 61158-2 IEC 61158
Tác giả đã chọn giao thức truyền thông MODBUS trong bảng vì đây là một chuẩn phổ biến trong ngành công nghiệp, tương thích với nhiều loại cảm biến hiện có trên thị trường.
Lựa chọn: Phương án sử dụng chuẩn giao thức truyền thông MODBUS
2.3.2 Lựa chọn giao thức truyền thông MODBUS
Bảng 2.8 Tiêu chí lựa chọn dạng giao thức truyền thông MODBUS
MODBUS ASCII MODBUS RTU MODBUS TCP/IP Đọc trực tiếp tin nhắn
Tốc độ Chậm Nhanh Nhanh
Characters ASCII 0…9 and A F Binary 0…255 Binary 0…255
Frame start Character 3.5 chars silence
Frame end Characters CR/LF 3.5 chars silence
Tác giả đã chọn giao thức truyền thông MODBUS RTU qua cổng RS485 do khả năng truyền tải tốt cho khoảng cách xa Giao thức RTU được sử dụng phổ biến trong giao tiếp công nghiệp, cho phép giám sát lỗi của hệ thống cảm biến và báo cáo tình trạng hệ thống về thiết bị MASTER.
Lựa chọn: Phương án sử dụng chuẩn giao thức truyền thông MODBUS
2.3.3 Lựa chọn giải thuật xác định điểm công suất cực đại
Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) là phương pháp tối ưu hóa công suất của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) bằng cách điều chỉnh hoạt động của các linh kiện bán dẫn trong bộ chuyển đổi Qua việc đóng mở các van theo thời gian, thuật toán này tìm kiếm điểm công suất tối đa (MPP), giúp hệ thống đạt được giá trị công suất lớn nhất ở đầu ra.
Bảng 2.9 Tiêu chí lựa chọn giải thuật xác định điểm công suất cực đại
Thuật toán nhiễu loạn và quan sát Thuật toán dẫn điện gia tăng INC
Thời gian Theo chu kì Tức thời
21 lấy mẫu Đối tượng so sánh
Sự biến thiên điện áp
Giá trị điện dẫn tức thời I/V Giá trị điễn dẫn gia tăng ∆I /∆V
Phương pháp INC mang lại kết quả tốt hơn với mức độ dao động công suất thấp hơn so với thuật toán MPPT P&O Mặc dù tác giả chọn sử dụng thuật toán Perturb and Observe (P&O) do tính đơn giản và hiệu quả cao, với đối tượng giám sát là điện áp ngõ ra và khả năng dễ dàng tích hợp cảm biến hồi tiếp vào vi điều khiển, nhưng kết quả của P&O vẫn thấp hơn so với INC, tuy nhiên vẫn nằm trong mức cho phép.
Lựa chọn: Phương án sử dụng thuật toán nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe – P&O)
THIẾT KẾ
Thiết kế cơ khí cho trục xoay yaw
3.1.1 Tính toán chọn công suất động cơ
Khi tính toán tải trọng gió tác động lên turbine, cần chú ý đến trường hợp trục turbine vuông góc với hướng gió, vì đây là thời điểm mà diện tích tiếp xúc giữa thân turbine và gió lớn nhất Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, động cơ xoay trục yaw cần cung cấp đủ momen để vượt qua lực cản từ gió.
+ Công suất đặc trưng cho động cơ:
+ Hiệu suất bộ truyền động:
𝜂 𝑑𝑟 = 0,98 là hiệu suất bộ truyền đai răng
Thay số ta được hiệu suất bộ truyền động:
+ Tải trọng gió được tính toán theo công thức của bộ tiêu chuẩn UBC – 97:
A là phần diện tích tiếp xúc với gió gây ra momen xoay (𝑚𝑚 2 )
Hình 3 1 Diện tích diện tích chịu tải A trọng gió của mô hình
Với áp lực gió được tính theo công thức:
𝐶𝑒 là hệ số kết hợp chiều cao, độ tiếp xúc và độ giật của gió Tra từ bảng 16-
G trong UBC ứng với 3 kiểu tiếp xúc liên quan đến địa hình Chọn kiểu địa hình B (địa hình có nhà cửa, cây cối hay có sự không đồng đều
𝐶𝑑 là hệ số áp lực Hệ số lực cản tiêu chuẩn của ống trụ dài là:
𝑄𝑠 là hệ số áp lực trì trệ của gió Tính theo công thức
𝑙𝑤 là hệ số quan trọng Thường:
Tải trọng gió tác dụng lên turbine tính theo công thức trên sẽ là:
Khi xem như tải trọng tập trung ở vị trí xa nhất của turbine, tương ứng với momen xoắn lớn nhất, momen xoắn này sẽ gây ra chuyển động xoay theo chiều gió.
Khi thay đổi trạng thái chuyển động, tubine gió sẽ sinh ra một moment quán tính cản trở chuyển động xoay
Để giữ turbine ổn định trong quá trình xoay, động cơ cần cung cấp một moment sau hộp số ít nhất bằng 𝑀 Tuy nhiên, việc tính toán chính xác momen quán tính cho các biên dạng khác nhau là rất phức tạp Do đó, tác giả quyết định sẽ tiến hành tính toán lại sau khi thiết kế để lựa chọn động cơ phù hợp.
Khi chọn tỉ số truyền của bộ truyền đai là u = 3.75 và tốc độ quay nhanh nhất của động cơ đạt 𝑛 𝑑𝑐 = 65 𝑣/𝑝ℎ, tốc độ của bánh bị động có thể được tính toán theo công thức nhất định.
Tỉ số truyền bộ truyền đai
Công suất trên trục bánh bị động:
Suy ra công suất trên trục động cơ:
Vậy động cơ chọn cần có thông số:
Dựa vào các tiêu chí đó ta chọn được động cơ kèm hộp giảm tốc là: Động cơ Plannet 24V 60W 65rpm, với hộp số có tỉ số truyền 1:139
Hình 3 2 Động cơ DC planet 24V – 60W, encoder 13 xung,hộp số 1:139
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của hệ thống. Động cơ Trục công tác
3.1.2 Tính toán bộ truyền đai răng
+ Tính toán công suất thiết kế theo công thức:
𝐾 0 là hệ số tải trọng Tra theo bảng 4.11, với động cơ làm việc là động cơ
DC, hệ thống làm việc liên tục, chọn:
+ Chọn dạng đai phụ thuộc vào công suất và số vòng quay theo hình 4.28 Chọn đai có gờ hình tròn, đai dạng XL
Bước răng được tính theo công thức thực nghiệm:
Thực tế, ta chọn bước răng:
𝑘 với đai gờ hình tròn thì:
Hệ số tải trọng động (C_r) có giá trị từ 1,3 đến 2,4, với giá trị lớn thường xuất hiện ở các thiết bị làm việc chịu va đập hoặc quá tải cục bộ thường xuyên.
+ Xác định số răng bánh đai
Khi chọn số răng 𝑧 1 của bánh đai chủ động theo bảng 4.12, đối với dạng đai XL, số răng nhỏ nhất của bánh chủ động là 10 răng, áp dụng cho số vòng quay bánh chủ động nhỏ hơn 900 v/p Do đó, số răng chủ động được chọn sẽ bằng với số răng của đĩa encoder.
Từ đó, với tỉ số truyền u =3,75 Ta tính được số răng bánh bị động sẽ là:
𝑧 𝑏𝑑 = 𝑢 𝑧 𝑐𝑑 = 225 𝑟ă𝑛𝑔 (3.13) + Xác định chiều rộng đai
𝑃 𝑑 là công suất thiết kế Với:
𝑃 𝑠 là công suất tải của đai tiêu chuẩn, tra bảng
𝑏 𝑝 chiều rộng đai tham chiếu, tra bảng Với đai dạng XL, hệ số 𝑏 𝑝 :
𝐾 𝑚 là hệ số xét đến ảnh hưởng góc ôm đai tra theo bảng 4.14 Với hệ số u 3,75, chọn:
Suy ra, chiều rộng đai 𝑏 𝑤 = 7,47 𝑚𝑚 Chọn bề rộng đai:
𝑧 1 là số răng bánh đai nhỏ (răng)
𝑑 2 , 𝑑 1 là đường kính vòng chia bánh đai lớn và nhỏ (mm)
𝑎 là khoảng cách trục (mm)
+ Kiểm tra công suất thiết kế theo công thức:
Trong đó, 𝐾 𝑏 là hệ số xét đến ảnh hưởng chiều rộng đai, tra bảng 4.15, với dạng đai XL kí hiệu đai 031, chiều rộng đai 𝑏 𝑤 = 7,9 𝑚𝑚, hệ số:
Sau kiểm nghiệm, công suất thiết kế được đảm bảo
Khoảng điều chỉnh khoảng cách trục bao gồm cả điều chỉnh trong Ci và ngoài Cs Giá trị giới hạn cho khoảng cách trục được quy định trong bảng.
3.1.3 Kiểm nghiệm độ bền của trụ chống
Vì đường kính khớp nối giữa turbine và trụ tháp là 55 mm Đề tài sử dụng ống thép rỗng đường kính 55mm bề dày 3mm
Phân bố tải trọng dọc do trọng lượng trụ và phần thân turbine trên đỉnh trụ
𝑤 𝐼𝐹 là tải phân phối của toàn bộ khối lượng turbine
𝐴(𝑧) là diện tích mặt cắt ngang ở độ cao z
𝑦 là khối lượng riêng vật liệu tháp
Sơ đồ phân bố lực của trụ ống:
Hình 3 3 Sơ đồ phân bố lực trên trụ tháp
Hình 3 4 Kiểm nghiệm khả năng chịu bền của trụ tháp
Sử dụng phần mềm SolidWorks Simulation, chúng tôi đã kiểm tra chuyển vị của trụ thép có đường kính 55 mm, và kết quả cho thấy chuyển vị gần như bằng 0, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho turbine phía trên.
3.1.4 Kết quá của thiết kế trên phần mềm Solidworks
Sau quá trình tính toán, tác giả đưa ra được thiết kế:
Hình 3 5 Cơ cấu xoay trục yaw.
Các thiết bị điện
3.2.1 Lựa chọn encoder trong module cảm biến
Module cảm biến bao gồm 8 cảm biến đặt cách đều trên một đường tròn nên tiêu chí lựa chọn encoder bao gồm:
+ Encoder thiết kế nhỏ gọn, giảm khối lượng của module
+ Encoder cần độ chính xác cao do vận tốc gió là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến công suất đầu ra của turbine
+ Số lượng encoder sử dụng trong bộ module khá nhiều nên yếu tố giá cả cần được cân nhắc
Dựa trên các tiêu chí nêu ở trên và giá cả trên thị trường hiện tại Lựa chọn encoder tương đối 2 kênh với 400 xung/vòng
Hình 3 6 Encoder tương đối 400 xung
3.2.2 Lựa chọn encoder sử dụng trong hệ thống xoay turbine
Hệ thống xoay của turbine càng chính xác về góc, thì khả năng hướng gió của turbine càng tốt, từ đó tối ưu hóa công suất gió sản sinh Tuy nhiên, do hệ thống xoay hoạt động liên tục, sai số vị trí có thể tích lũy theo thời gian, dẫn đến sai lệch lớn và cần được hiệu chỉnh kịp thời.
Hệ thống cần thời gian nghỉ để sửa chữa và nâng cấp, do đó, encoder phải ghi nhớ vị trí hiện tại của turbine so với vị trí gốc để đảm bảo độ chính xác Encoder absolute là lựa chọn hàng đầu cho dự án, nhưng do đây là phiên bản 1 của hệ thống turbine gió, chi phí cho một encoder absolute là khá cao Vì vậy, tôi đã chọn một encoder tương đối với 200 xung/vòng và sử dụng bộ vi điều khiển được cấp nguồn riêng để đảm bảo vị trí cho hệ thống.
Hình 3 7 Encoder tương đối 200 xung
3.2.3 Lựa chọn vi điều khiển
Vi điều khiển cần chọn tần số đọc nhanh hơn tần số ngắt của hai chân tín hiệu A và B trên encoder Tuy nhiên, với encoder có số xung cao, việc ngắt liên tục hai chân này sẽ tạo ra tần số ngắt lớn Để giảm tần số ngắt, ta sử dụng ngắt bằng timer, với tần số ngắt bằng timer cần cao hơn khoảng 4 lần tần số do một kênh A hoặc B của encoder tạo ra.
Trong đề tài, ở module cảm biến đo gió:
+ Ứng với sức gió cấp 5 (tức tốc độ lớn nhất), tốc độ của cánh quạt module cảm biến là 𝑣 = 30 vòng/s
+ Encoder sử dụng với đĩa xung là:
Vậy số xung trong 1s mà 1 cảm biến trả về là 𝑓 = 𝑣 𝑝 = 12000 xung/s, tương đương với 12000Hz Suy ra tần số ngắt của timer sẽ là:
Hệ thống được thiết kế với 2 vi điều khiển hoạt động như 2 slave và 1 master Hai vi điều khiển slave có nhiệm vụ điều khiển timer để đo tốc độ quay của cảm biến và truyền dữ liệu về vi điều khiển master Để đảm bảo hiệu suất, tần số hoạt động của các slave cần phải lớn hơn 48kHz Vi điều khiển master không chỉ nhận dữ liệu mà còn quản lý toàn bộ hệ thống.
Để đảm bảo kết nối hiệu quả với các thiết bị feedback như cảm biến đo điện áp, cảm biến đo dòng điện và driver, cần có tần số 34 và số lượng chân đủ để hỗ trợ các thiết bị này.
Lựa chọn của đề tài dựa trên các tiêu chí trên:
Hình 3 8 Hai loại Arduino sử dụng trong đề tài
3.2.4 Lựa chọn driver Động cơ sử dụng trong đề tài sử dụng điện áp 24 VDC Vì vậy driver cần có khả năng phân phối được đủ áp cho động cơ hoạt động bình thường
Turbine điện gió hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, do đó, việc đảm bảo tuổi thọ và sự ổn định của hệ thống là rất quan trọng Bài viết so sánh hai loại Driver điều khiển động cơ, bao gồm BTS7960 43A và driver cầu XY, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho việc điều khiển động cơ trong turbine điện gió.
Hình 3 9 Driver BTS7960 và Driver XY-160D
Bảng 3.2 So sánh thông số kỹ thuật Driver BTS7960 và Driver XY-160D
Thông số kỹ thuật Driver BTS7960 Motor Driver XY-160D Điện áp đầu vào 5 VDC đến 27 VDC 7 VDC đến 24 VDC
Dòng điện tải mạch 43A 20A Điện áp logic
3,3 VDC đến 5VDC Logic High: 3 ~ 6,5 VDC
Tần số hoạt động 25kHz 10kHz
2 động cơ (sử dụng 2 động cơ chỉ đạt 70% công suất)
Tác giả đã chọn driver BTS7960 cho đề tài do khoảng điện áp sử dụng đáp ứng yêu cầu lâu dài Việc sử dụng driver XY-160D cho dự án chỉ với một động cơ là lãng phí, trong khi giá thành của driver BTS7960 lại hợp lý hơn và phù hợp cho tần số hoạt động cao hơn.
3.2.5 Lựa chọn cảm biến đo cường độ dòng điện
Cảm biến dòng điện đo cường độ dòng điện đầu ra của turbine gió, hỗ trợ tính toán công suất hồi tiếp Turbine gió trong nghiên cứu có công suất tối đa 300W và dòng điện đầu ra 24 VDC Dựa trên điều kiện gió lý tưởng, ta có thể tính được dòng điện cao nhất mà turbine có thể xuất ra.
Trên thị trường hiện có nhiều loại cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall, như INA219 và ACS712, cùng với các cảm biến ampe kìm đo gián tiếp cường độ dòng điện Đối với cường độ dòng điện 12,5A của turbine gió, tác giả đã chọn cảm biến ACS712 20A vì đây là phương án an toàn nhất, đảm bảo độ chính xác cao nhờ vào việc cảm biến được kết nối cố định trực tiếp vào hệ thống.
Hình 3 10 Cảm biến dòng điện ACS712 20A
Cảm biến ACS 712 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, trong đó sự thay đổi dòng điện vào Ip sẽ dẫn đến sự thay đổi điện áp VIOUT Mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện Ip và điện áp VIOUT được minh họa rõ ràng trong hình 3.10.
Hình 3 11 Mối quan hệ giữa Ip và VIOUT
Từ tín hiệu điện áp VIOUT, ta sẽ đọc giá trị ADC để tính toán dòng Ip Vi điều khiển sẽ thực hiện việc chuyển đổi giá trị VIOUT từ dạng Analog sang Digital thông qua các bước cụ thể.
Tính toán điện áp đầu ra Volt dựa trên giá trị Analog:
Tính ra giá trị cường độ dòng điện Amps:
𝐴𝐷𝐶 là giá trị Analog đọc về từ vi điều khiển
𝐴𝐶𝑆𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 là giá trị bù điện áp (mV)
𝑚𝑉𝑝𝑒𝑟𝐴𝑚𝑝 là độ phân giải của cảm biến ACS
3.2.6 Lựa chọn cảm biến đo điện áp Điện áp hồi tiếp là giá trị rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sự chính xác của hệ thống Vì vậy, tác giả sử dụng hai phương pháp để đo giá trị điện áp nhằm tăng độ chính xác, giúp hệ thống hoạt động tốt nhất:
Phương pháp 1 để đo điện áp là sử dụng cảm biến INA219, có khả năng đo trong khoảng 0 ~ 26 VDC, phù hợp với điện áp đầu ra tối đa 24 VDC của turbine Tuy nhiên, cảm biến này có nhược điểm là thời gian đáp ứng chậm và mặc dù tích hợp đo cường độ dòng điện, công suất hoạt động tối đa khi đo cả hai chỉ đạt 83,2 W Do đó, tác giả chỉ sử dụng cảm biến này để đo điện áp đầu ra.
Bộ chiết áp ứng dụng của mạch phân áp điện trở là một mạch đơn giản giúp biến đổi điện áp lớn thành điện áp nhỏ hơn Bằng cách sử dụng hai điện trở nối tiếp cùng với một điện áp đầu vào, chúng ta có thể tạo ra điện áp đầu ra chỉ bằng một phần nhỏ của điện áp đầu vào Mạch phân áp điện trở là một trong những mạch cơ bản nhất trong lĩnh vực điện tử.
Hình 3 13 Mạch phân áp điện trở
Thiết kế bộ điều khiển
3.3.1 Động lực học và hàm công suất của wind turbine
- Phương trình động lực học yaw systems:
Nguyên tắc D’Alembert cho phép chuyển đổi một hệ thống động thành hệ thống tĩnh phân tích trong điều kiện cân bằng tĩnh Trong trường hợp này, tại mỗi điểm, các lực có độ lớn δ𝑚 𝑖 𝑓 𝑖 được đặt theo hướng ngược lại với gia tốc của chúng, trong đó 𝑚 𝑖 là khối lượng và 𝑓 𝑖 là gia tốc Lực của D’Alembert trên cánh quạt của turbine được minh họa trong Hình 4.1, trong khi định hướng của cánh quạt và cánh gió đuôi được thể hiện trong Hình 4.2.
Hình 3 14 Turbine gió công suất nhỏ và lực D’Alembert
Vận tốc gió tại cánh đuôi luôn lớn hơn vận tốc dòng chảy gần cánh quạt một giá trị là:
Trong đó 𝑘 ′ là hệ số cảm ứng dọc trục trung bình của turbine gió Được xác định theo công thức
Dựa vào Hình 4.3, ta suy ra được mối quan hệ:
𝑉 𝑣𝑡 = √(𝑈 1 + 𝑙 𝑣 𝜂̇ sin 𝜂) 2 + (𝑙 𝑣 𝜂̇ cos 𝜂) 2 (4.3) Góc tới của gió đối với cánh đuôi gió 𝜂′ :
Ta có phương trình cánh đuôi gió:
Lực nâng lực kéo 𝑅 𝑙𝑣 và 𝑅 𝑑𝑣 được tính theo công thức:
Hình 3 15 Khí động học và biều đồ vận tốc cho cánh đuôi gió
Thay thế các giá trị 𝐶 𝑙𝑣 , 𝐶 𝑑𝑣 , 𝑅 𝑙𝑣 , 𝑅 𝑑𝑣 vào công thức của 𝐹 𝑢 ta được phương trình lực nâng tại cánh đuôi gió:
2 𝐾 0 𝑉 𝑣𝑡 2 𝜌 𝐴 𝑣 (sin η ′ cos η ′2 + sin η ′3 ) (4.11) Moment khí động học của cánh đuôi gió quanh trục k là:
2 𝐾 0 𝑉 𝑣𝑡 2 𝜌 𝐴 𝑣 (sin η ′ cos η ′2 + sin η ′3 ) (4.12) Khi đó phương trình chuyển động theo góc yaw của hệ thống sẽ là:
𝑀 𝑘 là Moment D’Alembert của turbine quanh trục k
𝑀 𝑅𝑘 là Moment khí động học của cánh turbine quanh trục k
𝑀 𝑇𝑘 là Moment khí động học của cánh đuôi gió quanh trục k
2 𝐾 0 𝑉 𝑣𝑡 2 𝜌 𝐴 𝑣 (sin η ′ cos η ′2 + sin η ′3 ) (4.14) Với giá trị η rất nhỏ, phương trình có thể được tính bằng:
Phương trình chuyển động theo góc yaw sẽ được viết lại bằng:
2 𝐾 0 𝑉 𝑣𝑡 2 𝜌 𝐴 𝑣 η ′ (4.16) Moment khí động học của cánh turbine 𝑀 𝑅𝑘 được tính toán chi tiết theo công thức (28) trong Tài liệu tham khảo [1]
- Hàm công suất đầu ra wind turbine
Gió được xác định bởi tốc độ và hướng, chịu ảnh hưởng bởi vị trí địa lý, khí hậu, độ cao và địa hình Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ năng lượng động học và chuyển đổi thành năng lượng có thể sử dụng.
Năng lượng của luồng không khí được tính như sau (Borkar and Kulkarni, 2015):
𝑃 𝑤𝑖𝑛𝑑 là công suất của luồng khí (𝑊)
𝜌 là mật độ không khí (𝑘𝑔/𝑚 3 trong điều kiện nhiệt độ 150 độ C và áp suất 101,325 kPa)
𝐴 là diện tích quét ngang của turbine (𝑚 2 )
𝜂 là hệ số công suất
𝜃 là góc lệch của turbine với hướng gió
Trong thực tế, hệ số công suất của turbine gió thường nhỏ hơn giới hạn Betz Công suất thu được từ gió sẽ phụ thuộc vào góc hướng gió.
𝜌 là mật độ không khí (𝑘𝑔/𝑚 3 trong điều kiện nhiệt độ 150 độ C và áp suất 101,325 kPa)
𝐴 𝑟 là diện tích che phủ bởi cánh quạt (𝑚 2 )
𝑉 𝑤𝑖𝑛𝑑 là vận tốc gió (𝑚/𝑠) η là hiệu suất θ là góc lệch so với hướng gió
𝐶 𝑝 (𝜆, 𝛽) là hệ số hiệu suất của turbine, 𝜆 là tỉ lệ tốc độ đầu cánh, 𝛽 là góc lật cánh
Hệ số 𝐶 𝑝 được tính theo công thức:
Mối quan hệ giữa moment cơ 𝑇 𝑚 và công suất cơ 𝐶 𝑝 được cho bởi biểu thức dưới đây (Eid et al., 2006; Omijeh at al., 2013):
Trong đó 𝑇 𝑚 là moment cơ sinh ra bởi công suất (Nm)
3.3.2 Mô hình toán học máy phát điện PMSG
- Phương trình điện áp và dòng điện
Moment điện từ trong máy phát PMSG được mô tả bởi phương trình sau (Rolan at el., 2009):
𝐿 𝑑 và 𝐿 𝑞 là độ tự cảm của máy phát điện trên trục d và q (H)
𝑖 𝑑 và 𝑖 𝑞 là dòng điện trên các trục d và q (A)
𝑣 𝑑 và 𝑣 𝑞 là điện thế trên các trục d và q (V)
𝜔 𝑚 là tốc độ góc rotor (rad/s)
𝜆 0 là từ thông của nam châm vĩnh cửu (Wb) p là số cặp cực
3.3.3 Thuật toán MPPT P&O tìm điểm công suất cực đại cho turbine gió
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là giải pháp tối ưu cho các turbine gió nhờ vào tính ổn định và an toàn trong quá trình hoạt động, đặc biệt là khả năng hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió thay đổi mà không cần nguồn điện một chiều để kích từ Với kích thước nhỏ, hiệu suất cao, chi phí bảo dưỡng thấp và dễ dàng vận hành, PMSG ngày càng trở nên phổ biến trong ngành năng lượng tái tạo.
Maximum power point tracking (MPPT) là phương pháp tối ưu hóa công suất trong hệ thống năng lượng điện, sử dụng điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử trong bộ tăng áp boost converter Có nhiều kỹ thuật MPPT như thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O, điều khiển tốc độ đầu cánh TSR, và điều khiển tối ưu - mối quan hệ - cơ sở ORBC Trong số này, thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O được ưa chuộng vì tính đơn giản và dễ áp dụng Mặc dù thuật toán TSRC cũng đơn giản và trực giác, nhưng nó phụ thuộc nhiều vào độ chính xác trong việc đo lường tốc độ gió.
Thuật toán ORBC gặp phải 45 khó khăn, trong đó nhược điểm chính là yêu cầu hiểu biết chính xác về các thông số của hệ thống Những thông số này không chỉ khác nhau giữa các hệ thống mà còn có thể thay đổi theo thời gian, do đó cần phải được cập nhật liên tục.
Thuật toán MPPT P&O giúp giảm chi phí vì không cần đo tốc độ gió Sự đơn giản của thuật toán này không yêu cầu hiểu biết trước về các thông số của hệ thống, làm cho nó trở nên đáng tin cậy và ít phức tạp hơn (Dalala et al.).
2013) Vì vậy, phương pháp MPPT P&O được sử dụng vào việc mô phỏng để tìm điểm công suất cực đại của hệ thống máy phát điện gió
Hình 3 16 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (MPPT P&O)
Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (MPPT P&O) được ưa chuộng nhờ tính đơn giản và dễ thực hiện Thuật toán này phân tích sự thay đổi tốc độ rotor theo chu kỳ để xác định điểm làm việc tối ưu với công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên tốc độ rotor dẫn đến tăng công suất, biến thiên tiếp theo sẽ tiếp tục theo hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu công suất giảm, biến thiên tiếp theo sẽ thay đổi hướng để tối ưu hóa hiệu suất.
Năm 2011, khi điểm công suất tối đa (MPP) được xác định trên đường cong đặc tính, tốc độ rotor sẽ biến thiên xung quanh MPP đó Phương pháp theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) P&O, hay còn gọi là phương pháp Perturb and Observe, là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng trong quá trình này.
Hình 3 17 Giải thuật của thuật toán MPPT P&O ứng dung trong đề tài
- Thuyết minh giải thuật MPPT P&O:
Khi góc θ được tăng lên và công suất thu được tăng, chu kỳ tiếp theo sẽ tiếp tục tăng góc θ Ngược lại, nếu khi tăng góc θ mà công suất thu được giảm, chu kỳ sau sẽ tiếp tục tăng góc θ.
+ Nếu giảm tăng góc θ, công suất thu được tăng, thì chu kì sau tiếp tục giảm tăng góc θ
+ Nếu giảm tăng góc θ, công suất thu được giảm, thì chu kì sau tăng tăng góc θ
3.3.4 Sơ đồ khối điều khiển
+ Sơ đồ khối điều khiển hệ thống:
Hình 3 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 3 19 Sơ đồ khối MPPT P&O Control
Hình 3 20 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
MÔ HÌNH HÓA
Mô hình hóa động cơ với đầu ra sau hộp giảm tốc
Để dễ dàng trong việc điều khiển, động cơ và driver được kết hợp thành một khối Chúng ta sẽ kiểm tra mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của khối này bằng cách cung cấp xung PWM và ghi lại giá trị vận tốc của động cơ.
Hình 4 1 Kết cấu hệ thống đổi hướng
Sử dụng Arduino Uno với chế độ hiển thị monitor kết hợp mạch driver IBT để điều khiển động cơ planet kèm hộp giảm tốc tỉ số truyền 1:139, có gắn encoder với độ phân giải 13 xung/vòng Động cơ được cấp nguồn 24V, cho phép quan sát chế độ hiển thị monitor và ghi lại giá trị vận tốc động cơ tương ứng, với thời gian lấy mẫu 10ms.
Khảo sát đáp ứng theo thời gian của khối driver – động cơ:
+ Cấp cho động cơ một điện áp ổn định, ở đây ta cấp PWM = 250, tương đương với 75% ứng với điện áp 24V
+ Ghi lại giá trị encoder, tính toán xuất ra giá trị vận tốc đầu ra, chọn thời gian lấy mẫu:
Hình 4 2 Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và tốc độ đầu ra
Dựa vào đồ thị, ta thấy không có độ vọt lố, suy hàm truyền của hệ thống có dạng bậc nhất:
K là hằng số độ lợi của động cơ (RPM/PWM)
T là thời gian đáp ứng (s)
Hình 4 3 Đồ thị đáp ứng của hệ tuyến tính bậc nhất
KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
Thiết kế cơ khí
5.1.1 Kết quả thiết kế và gia công bộ phận yaw system
- Trụ tháp được lựa chọn là dạng trụ tròn rỗng với đường kính ban đầu là ϕ56
Ổ lăn được chọn trong hệ thống là loại KOYO với đường kính trong ϕ55, do đó cần tiến hành tiện tinh để giảm đường kính ngoài của trụ thô từ ϕ56 xuống Với chiều dài 1500 mm, việc định tâm hai đầu của trụ là cần thiết do sai số lệch tâm của thép đúc Vị trí lắp đặt ổ lăn cách đỉnh tháp 800 mm, tác giả quyết định tiện thô 660 mm trước, chấp nhận sai số đường kính ϕ54 H9/d9, sau đó tiện tinh 60 mm với sai số ϕ55 H7/g6 Cuối cùng, trên đoạn 200 mm, tiến hành tiện một rãnh sâu 1 mm để định vị trí vòng phe ϕ55.
Sau khi hàn phần đế với trụ tháp để tăng cường độ vững chắc trong quá trình hoạt động, tác giả đã hàn thêm 3 chân để cố định vị trí của thân tháp.
- Phần gá động cơ được hàn từ 3 tấm thép được khoét rãnh để phục vụ mục đích căng đai
5.1.2 Kết quả thiết kế và gia công bằng phương pháp in 3d module thử nghiệm
Module sensor được thiết kế bằng phần mềm SolidWorks và sau đó được chuyển sang Repetier Host với các thông số đã được thiết lập sẵn để tạo mẫu Cuối cùng, sản phẩm được in bởi một đơn vị bên ngoài Kết quả gia công và quá trình in được thể hiện qua các hình ảnh 6.1, 6.2, 6.3.
Repetier Host là ứng dụng chuyển đổi file STL từ các phần mềm thiết kế thành file GCODE cho máy in 3D Để sử dụng hiệu quả, người dùng cần thiết lập các thông số quan trọng trong phần mềm.
+ Nhiệt độ đầu mũi in: 180°C – 200°C
+ Chiều rộng bàn in: 150 mm x 150 mm x 226 mm
+ Độ dày lớp mực in đầu tiên: 0,1 mm
+ Độ dày lớp lớp mực in: 0.2 mm
+ Tốc độ mũi in: 30 mm/s
Hình 5 1 Môi trường SolidWorks Hình 5 2 Môi trường Repetier Host
Điều khiển và công suất hồi tiếp
Điện áp hồi tiếp từ cảm biến dòng điện ACS712 là giá trị analog, được ghi lại bằng hàm analogRead(A0) trên Arduino Giá trị analog này được đọc liên tục trong thời gian ngắn và kết hợp với phương pháp so sánh độ chênh lệch mức áp để đảm bảo tính chính xác trong việc đo lường dòng điện.
52 trên chân A0 của Arduino với điện áp chuẩn 5V, gây ra hiện tượng nhiễu rất lớn, từ đó làm cho hệ thống hoạt động không ổn định (đường màu xanh)
Chính vì vậy, tác giả lựa chọn sử dụng bộ lọc Kalman để lọc lại tín hiệu analog đầu vào của hệ thống (đường màu đỏ)
Hình 5 4 Dòng điện đầu vào trước và sau bộ lọc Kalman
Qua đồ thị trên, ta thấy giá trị điện áp trả về sau bộ lọc ổn định hơn rất nhiều Hệ thống hoạt động cũng ổn định hơn
Hồi tiếp điện áp đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chính xác công suất đầu ra của turbine Tác giả đã áp dụng cả hai phương pháp hồi tiếp điện áp để đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán.
+ Đọc tín hiệu từ cảm biến điện áp: INA219 Trả giá trị về thông qua giao tiếp I2C
+ Đọc trực tiếp tín hiệu analog qua cầu phân áp với 2 điện trở 𝑅 1 = 100𝐾 và 𝑅 2 10𝐾
Qua thực nghiệm, điện áp hồi tiếp của cảm biến INA219 và giá trị sau bộ lọc Kalman của cầu phân áp hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên, thời gian hồi tiếp của INA219 chậm hơn so với phương pháp đọc trực tiếp từ cầu phân áp Ưu điểm của cảm biến này là khả năng hoạt động lâu dài và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ so với cầu phân áp.