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

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

TỔNG QUAN

Tổng quan năng lượng gió

2.1.1 Tiềm năng gió Việt Nam

Vào năm 2001, Ngân hàng Thế giới đã tài trợ cho việc xây dựng bản đồ gió cho bốn quốc gia Việt Nam, Lào, Campuchia và Thái Lan nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió trong khu vực Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu gió từ các trạm khí tượng thủy văn và phần mềm mô phỏng MesoMap, cung cấp ước tính sơ bộ về tiềm năng gió tại Việt Nam ở độ cao 65 m và 30 m so với mặt đất.

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

Hình 2.2: Bản đồ gió tại độ cao 30 m [20]

Theo bản đồ năng lượng gió, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất so với ba nước khác, với hơn 39% tổng diện tích quốc gia có tốc độ gió trung bình hàng năm vượt 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương với tổng công suất 512 GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được đánh giá có tiềm năng gió rất tốt.

Việt Nam có tiềm năng gió lớn ở độ cao 65m, đặc biệt tại vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên Khu vực giáp ranh giữa hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận ở duyên hải Nam Trung Bộ là nơi có tiềm năng phong điện lớn nhất, với Ninh Thuận là điểm nổi bật.

Khu vực Thuận và Bình Thuận nổi bật với vận tốc gió trung bình lớn và ổn định, đồng thời ít chịu ảnh hưởng của bão Xa hơn về phía bắc, hai tỉnh Quảng Bình và Quảng Trị có gió mạnh với vận tốc từ 6 đến 8 m/s, rất phù hợp cho việc lắp đặt các tuabin gió công suất lớn từ 3 đến 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 Đông 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 Đơn vị: m/s

Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TB năm Phan Thiết 3,9 3,9 3,9 3,3 2,8 3,0 3,0 3,3 2,6 2,4 3,0 3,2 3,2

Bảng 2.3: Năng lượng trung bình của gió tại các trạm Phan Thiết, Phú Quý Đơn vị: W/m 2

Tỉnh Bình Thuận, nằm trong khu vực nội chí tuyến gió mùa, có địa hình tiếp giáp biển ở phía Đông, chịu ảnh hưởng trực tiếp từ gió mùa Đông và gió mùa Hè Với tốc độ gió trung bình cao, khu vực này rất phù hợp cho việc phát triển các hệ thống phong điện công suất nhỏ, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt tối thiểu cho các hộ gia đình.

Tổng quan về máy phát điện gió

2.2.1 Các loại máy phát điện gió công suất nhỏ

Tuabin gió là thiết bị chuyển đổi động năng của không khí thành cơ năng và sau đó thành điện năng thông qua máy phát điện sử dụng sức gió Các tuabin gió công suất nhỏ (≤ 3,5 KW) thường được sử dụng để cung cấp điện cho hộ gia đình Chúng có nhiều thiết kế khác nhau, chủ yếu được chia thành hai loại: tuabin gió trục ngang (HAWT) và tuabin gió trục đứng (VAWT).

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) được thiết kế với rotor kiểu chong chóng và trục chính nằm ngang Mặc dù số lượng cánh quạt có thể thay đổi, nhưng loại ba cánh quạt thường được sử dụng nhất do mang lại hiệu quả cao nhất.

Tuabin gió trục ngang chủ yếu có hai loại: 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 gặp phải nhược điểm là dòng gió bị xáo động, dẫn đến lực tác động không đều, ảnh hưởng đến độ bền của cánh và toàn bộ hệ thống, đồng thời gây ra độ ồn cao Do đó, từ năm 1995, tuabin đón gió từ phía sau đã không còn được sử dụng phổ biến, và phần lớn tuabin gió hiện đại hiện nay được thiết kế để đón gió từ phía trước.

2.2.1.2 Tuabin gió trục đứng (VAWT)

Tuabin gió trục đứng (VAWT) có thiết kế cánh theo trục chính, hoạt động êm ái, phù hợp lắp đặt tại khu dân cư hoặc trên nóc nhà cao Loại tuabin này không cần hệ thống điều chỉnh hướng gió và có khả năng hoạt động hiệu quả với bất kỳ hướng gió nào, với tốc độ khởi động khoảng 0,5 m/s Các loại tuabin phổ biến bao gồm Savonius, Giromill và 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 2 Đường kính rô to

3 Chiều cao của Hub 4 Cánh rô to

9 Chiều gió phía sau rô to 10 Chiều cao rô to

11 Tháp VAWT 12 Độ cao kính xích đạo

13 Cánh rô to với góc bước cố định 14 Móng rô to

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

- Ưu nhược điểm của hệ thống HAWT và VAWT được thể hiện ở bảng 2.4

Bảng 2.4: So sánh HAWT và VAWT Chỉ tiêu kinh tế & kỹ thuật

Công suất Phù hợp công suất lớn Phù hợp công suất nhỏ

Vận tốc gió Vận tốc gió khác nhau Vận tốc gió cao

Moment khởi động Nhỏ Lớn

Sử dụng Phổ biến Ít

Giá thành sản xuất Lớn Nhỏ

Từ cấu tạo và các ưu nhược điểm trên ta có một số nhận xét sau:

Khi thiết kế, việc lựa chọn giữa mô hình trục đứng và trục ngang sẽ phụ thuộc vào tiềm năng gió tại vị trí lắp đặt cũng như các chỉ tiêu thiết kế cụ thể.

Máy phát điện gió công suất nhỏ cần đáp ứng các tiêu chí quan trọng như kích thước nhỏ gọn, khả năng phát điện hiệu quả ngay cả khi tốc độ gió thấp, độ bền cao và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng tối thiểu.

- Để đáp ứng các yêu cầu này ta thấy loại Savonius là loại máy phát điện gió trục đứng phù hợp.

Tổng quan năng lượng mă ̣t trời tại Việt Nam, tỉnh Bình Thuận

2.3.1 Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ vĩ độ 8 đến 23 độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt đới với tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời Số giờ nắng trung bình hàng năm tại các vùng miền khác nhau phụ thuộc vào điều kiện địa hình và thời tiết, nhưng nhìn chung, số giờ nắng ở Việt Nam khá cao Năng lượng mặt trời quy đổi trên mỗi đơn vị diện tích của Việt Nam thuộc hàng cao trên thế giới.

Với sự trải dài từ Bắc vào Nam, lãnh thổ Việt Nam được chia thành 5 khu vực địa lý khác nhau về phân bố năng lượng mặt trời Các đặc trưng của năng lượng mặt trời tại từng khu vực được thể hiện rõ trong bảng 2.5 dưới đây.

Qua bảng 2.5 ta rú t ra được các nhâ ̣n xét sau:

Khu vực Bắc Bộ chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc vào mùa đông, dẫn đến nhiệt độ thấp nhất trong cả nước Điều này cũng do vị trí địa lý của khu vực này, nằm xa đường xích đạo hơn so với các khu vực khác.

- Khu vực Nam Bộ, từ Đà Nẵng trở vào, bức xạ mặt trời và số giờ nắng cao hơn

Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất hứa hẹn, và nếu được phát triển đúng cách, nguồn năng lượng này có khả năng đáp ứng một phần lớn nhu cầu năng lượng cho xã hội hiện đại trong tương lai gần.

Bảng 2.5: Phân bố năng lượng mă ̣t trời ta ̣i các vùng trên lãnh thổ Viê ̣t Nam [23]

2.3.2 Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại Bình Thuận

Tỉnh Bình Thuận tọa lạc tại vĩ độ Bắc từ 10°33'42" đến 11°33'18", hưởng chế độ khí hậu nhiệt đới với đặc điểm nổi bật là mặt trời đi qua thiên đỉnh hai lần mỗi năm Độ cao của mặt trời không thay đổi nhiều trong suốt năm, tạo nên sự ổn định về ánh sáng mặt trời Bên cạnh đó, do vị trí nằm trong khu vực nội chí tuyến, độ dài ban ngày tại Bình Thuận có sự biến đổi nhất định từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn.

Thời gian ban ngày ở Bình Thuận kéo dài từ 11 đến 13 giờ, ít thay đổi trong suốt năm Tháng 6 là tháng có độ dài ban ngày dài nhất, trong khi tháng 1 là tháng ngắn nhất.

Bảng 2.6: Ngày mặt trời qua thiên đỉnh - Hiện tượng tròn bóng lúc giữa trưa [2]

Vĩ độ bắc Lần thứ nhất Lần thứ hai

Bảng 2.7: Thời gian mặt trời chiếu sáng vào ngày 15 hàng tháng [2] Đơn vị: giờ Tháng Địa danh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Hà Nội 10,9 11,3 11,9 12,5 13,0 13,3 13,2 12,7 12,2 11,6 11,0 10,7 Phan Thiết 11,4 12,1 12,3 12,3 12,5 13,0 12,6 12,4 12,1 12,0 11,5 12,2 TP,HCM 11,4 11,7 11,9 12,2 12,5 12,6 12,6 12,4 12,1 11,8 11,5 11,4

Bức xạ tổng cộng là tổng hợp của bức xạ trực tiếp và khuyếch tán, với trị số ở Bình Thuận hàng năm đạt từ 140 đến 150 kcal/cm²/năm Mức bức xạ này đạt cực đại vào tháng 3 và tháng 4, với giá trị từ 16 đến 18 kcal/cm²/tháng, tương ứng với thời kỳ mặt trời lên cao, thời tiết ít mây và bầu trời trong sáng.

Bảng 2.8: Lượng bức xạ tổng cộng thực tế [2] Đơn vị: kcal/cm 2 Tháng Địa danh

Bình Thuận có tổng số giờ nắng năm cao, dao động từ 2,700 đến 2,755 giờ, với trung bình hàng tháng từ 174 đến 297 giờ nắng Tháng 3 ghi nhận số giờ nắng cao nhất, từ 284 đến 297 giờ, nhờ vào sự hoạt động mạnh của lưỡi áp cao cận nhiệt đới, tạo điều kiện thời tiết ít mây và nắng nhiều Ngược lại, tháng 9 có tổng số giờ nắng thấp nhất, chỉ từ 183 đến 193 giờ, do ảnh hưởng của mùa mưa lũ chính vụ Trong năm, mùa khô thường có số giờ nắng cao hơn mùa mưa, với trung bình dao động từ 210 giờ trở lên.

297 giờ (riêng Phú Quý tháng 12 đạt 174 giờ)

Bảng 2.9: Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm [2] Đơn vị: giờ

Tiềm năng năng lượng bức xạ mặt trời tại tỉnh Bình Thuận rất phong phú trong suốt cả năm, nhờ vào vị trí địa lý ở vùng vĩ độ thấp Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng công nghệ pin quang điện nhằm chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả.

Tổng quan về pin quang điện

Pin quang điện, hay pin mặt trời, chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua các tế bào quang điện bán dẫn Những pin này hoạt động liên tục miễn là có ánh sáng mặt trời Hệ thống năng lượng mặt trời đơn giản và ít cần bảo trì, do đó, đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để ứng dụng rộng rãi.

Pin quang điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện trong lớp tiếp xúc bán dẫn p-n Một tấm pin quang điện hoàn chỉnh bao gồm các thành phần quan trọng như khung, hộp nối chống thấm nước, nhãn thông số kỹ thuật, lớp bảo vệ thời tiết có tuổi thọ lên đến 30 năm, tế bào pin quang điện, lớp kính hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời, đường dẫn điện bên ngoài và độ hở chỉnh khung.

Hình 2.7: Cấu tạo tế bào pin quang điện

Hình 2.8: Cấu tạo tấm pin quang điện [17]

Một khối pin mặt trời (PV) được hình thành từ hai lớp vật liệu bán dẫn, có thể là loại p hoặc loại n Cấu tạo của pin mặt trời có thể tham khảo qua hình ảnh dưới đây.

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của pin quang điện [11]

Khi ánh sáng chiếu vào tế bào pin quang điện, các photon có năng lượng thích hợp sẽ kích thích electron trong chất bán dẫn lớp n di chuyển sang lớp p Khi hai lớp p-n được kết nối, dòng electron từ lớp p đến lớp n tạo ra điện năng cho tải Để đạt được công suất và điện áp tối ưu, cần ghép nối các tế bào thành panel và kết nối các panel này theo kiểu song song hoặc nối tiếp thành hệ thống pin quang điện lớn.

2.4.1.4 Mô đun và hệ pin quang điện

Mô đun pin quang điện được hình thành từ việc kết hợp nhiều tế bào quang điện Hệ thống pin quang điện thường bao gồm nhiều mô đun để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

Hình 2.10: Một số tế bào pin quang điện ghép thành một mô đun, một số mô đun ghép thành một hệ pin quang điện [17]

Hình 2.11: Các phương pháp lắp đặt pin quang điện [17]

2.4.1.4 Phân loại pin quang điện

Trên cơ sở công nghệ chế tạo pin quang điện màng mỏng trên một số vật liệu quan trọng có 4 loại như sau [10]:

Pin quang điện vô định hình silicon (a-Si) có các tính chất hóa lý khác biệt so với silicon tinh thể Loại pin này có cấu trúc p-i-n với độ dày dưới 1 micromet, giúp tiết kiệm vật liệu một cách hiệu quả Quá trình chế tạo các lớp màng a-Si thường được thực hiện bằng công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) từ hỗn hợp silane.

Hình 2.12: Cấu trúc gấp của một pin quang điện vô định hình Si [10]

Pin quang điện vô định hình bán dẫn hợp chất sử dụng các lớp bán dẫn tạp chất phù hợp để tạo ra độ dẫn loại n hoặc p Việc áp dụng phương pháp a-Si để tạo lớp tiếp xúc pn hay p-i-n không hiệu quả Thay vào đó, các pin quang điện màng mỏng bán dẫn hợp chất thường sử dụng cấu trúc tiếp xúc khác chất (heterojunction) hoặc cấu trúc MIS (Metal – Isolation – Semiconductor).

Pin quang điện dựa trên vật liệu CuInSe2 có hiệu suất cao, được sản xuất thông qua quá trình bốc hơi đồng thời.

Cu, In và Se lên một đế thủy tinh đã phủ một lớp mỏng Mo và sau đó được kế tiếp một màng cửa sổ CdS hoặc (Zn Cd)S

Hình 2.13: Cấu trúc điển hình của một pin quang điện màng mỏng hệ CuInSe2 [10]

Pin quang điện CdTe (Cadmium Telluride) nổi bật với ưu điểm ít phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, cho phép các phương pháp sản xuất khác nhau đạt chất lượng tương đương Với diện tích từ 1 đến 4 cm², pin quang điện CdTe có hiệu suất dao động từ 10% đến 17%, mang lại tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc của một pin quang điện hệ vật liệu CdTe [10]

2.4.2 Ưu nhược điểm pin quang điện

Bảng 2.10: Ưu nhược điểm pin quang điện tinh thể silic và pin quang điện màng mỏng [23]

Nên chọn pin quang điện đơn tinh thể (mono) để đảm bảo hiệu suất làm việc cao và tính phổ biến trên thị trường Việt Nam.

Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời

Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời kết hợp tuabin gió và pin quang điện để chuyển đổi năng lượng gió và năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng.

2.5.1 Các thành phần cấu trúc của hệ thống

Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời bao gồm các thành phần sau:

- Máy phát điện tuabin gió (gồm tuabin gió và máy phát điện - Dynamo)

- Bộ điều khiển sạc hỗn hợp giữa năng lượng gió và mặt trời (Controller Wind

- Cụm ắc quy lưu trữ điện năng

Hình 2.15: Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 8,6 kW tại Trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng

Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 9 kW tại Ga Nha Trang, Khánh Hòa

Hệ thống này tối ưu hóa việc sử dụng hai nguồn năng lượng tái tạo là bức xạ mặt trời và vận tốc gió, giúp giảm thiểu các yếu tố bất lợi từ điều kiện tự nhiên Năng lượng được cung cấp một cách đồng đều và ổn định trong suốt cả năm, với mùa đông có ít ánh nắng nhưng lại có nhiều gió, trong khi mùa hè thì ngược lại với nhiều ánh nắng.

Sự kết hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời giúp giảm chi phí so với việc xây dựng hai hệ thống thu năng lượng riêng biệt.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tuabin gió

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo, được tạo ra từ chuyển động của không khí với tốc độ nhất định trong khoảng thời gian cụ thể Theo định luật Bezt, do nhà vật lý người Đức phát triển, năng lượng gió có thể được khai thác và sử dụng hiệu quả trong việc sản xuất điện và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Albert Bezt 1885 – 1968) về động lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang một loại năng lượng khác [9]

Khi gió thổi vào tuabin, cánh quạt quay và chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng Nguồn năng lượng này phụ thuộc vào tốc độ gió, mật độ không khí và diện tích mặt đón gió của cánh quạt Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v được tính toán dựa trên các yếu tố này.

E = ẵ m.v 2 (Nm) (3.1) trong đó: E - Động năng của năng lượng gió (Nm) m - Khối lượng không khí (kg) v - Tốc độ gió (m/s)

Thể tích không khí V chuyển động qua mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian được tính bằng công thức V = v.A (m³) Khối lượng không khí m phụ thuộc vào mật độ không khí và được xác định bởi m = ρ.v.A (kg) Công suất thu được từ khối lượng không khí chuyển động qua mặt phẳng cũng được tính dựa trên các yếu tố này.

 - Mật độ không khí (Kg/m 3 )

A - Diện tích quét (diện tích mặt đón gió của cánh quạt) (m 2 )

3.1.2 Hệ số công suất Cp

Mô hình khí động học của gió tác động lên cánh quạt được trình bày trong hình 3.1 dưới điều kiện lý tưởng Trong đó, v là vận tốc gió tại cánh quạt, v1 là vận tốc gió trước cánh quạt và v2 là vận tốc gió sau cánh quạt A đại diện cho diện tích mặt đón gió tại cánh quạt.

A 1 -Diện tích mặt đón gió trước cánh quạt; A 2 -Diện tích mặt đón gió sau cánh quạt

Để chế tạo rotor gió hiệu quả, cần đảm bảo rằng lực của gió đi qua rotor giảm, tức là vận tốc gió sau khi qua rotor (v2) phải nhỏ hơn vận tốc gió trước khi vào rotor (v1).

Trong điều kiện lý tưởng, sự khác biệt về tốc độ gió trước và sau cánh quạt dẫn đến công thức bảo toàn khối lượng: m = ρ v1 A1 = ρ v2 A2 = ρ v.A (Kg) Điều này cho thấy rằng công suất P được tính bằng sự biến thiên động năng từ đầu đến cuối cơn gió.

P = ∆E = ẵ  v.A.(v1 2 – v2 2) = ẵ m.(v1 2 – v2 2) (W) (3.6) Vận tốc gió tại cánh quạt là:

Khối lượng không khí tại cánh quạt là: m =  v.A = ẵ  A (v1 + v2) (Kg) (3.8) Công suất P sẽ là:

P = ẵ  A (v1 + v2) ẵ (v1 2 – v2 2) (W) (3.9) Theo công thức (3.9) thì công suất P là hàm phụ thuộc vận tốc gió phía sau cánh quạt v2

Vi phân hai vế của phương trình (3.9) ta có:

2 dP 0 dv  có hai trường hợp xảy ra:

+ Thứ nhất: v2 = -v1 không xảy ra (3.11)

+ Thứ hai: v2 = v1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất (3.12)

Hệ số công suất lý tưởng Cp được tính theo công suất thực của gió và công suất tuabin có thể đạt được:

Rút gọn biểu thức (2.13) ta có:

Theo (3.12) để công suất đạt cực đại khi v2/v1 = 1/3, thay vào (3.14) ta được:

Hệ số CP tối đa, hay còn gọi là hệ số Betz, là 0,593, cho thấy rằng một tuabin gió lý tưởng chỉ có thể thu được 59,3% năng lượng từ gió Do đó, công suất thực tế mà tuabin gió thu được sẽ thấp hơn mức lý tưởng này.

Trong đó: Pt - Công suất (W)

 - Hệ số công suất của máy phát và của hệ thống truyền động

Cp - Hệ số Bezt Cp max = 0,593

 - Mật độ không khí = 1,225 (kg/m 3 ) v - Tốc độ gió (m/s)

A - Diện tích mặt đón gió của cánh quạt (m 2 )

3.1.3 Tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR

Cp là mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor, thể hiện qua tỷ số giữa tốc độ quay của rotor tại điểm tiếp tuyến của cánh quạt và tốc độ gió Tỷ số này, còn được gọi là Tỉ số tốc độ gió đầu cánh (TSR - Tip Speed Ratio), là tỷ lệ giữa tốc độ vòng quay tại đầu cánh quạt và tốc độ của gió.

Trong đó:  - Tỉ số tốc độ gió đầu cánh vtop - Tốc độ quay tại đầu cánh quạt v - Tốc độ gió (m/s)

 - Vận tốc góc của rotor (rad/s)

Tỉ số tốc độ gió là yếu tố then chốt trong thiết kế tuabin gió, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động Rotor cần quay ở tốc độ tối ưu để tối đa hóa năng lượng thu được Nếu tuabin quay quá chậm, gió sẽ dễ dàng đi qua khe hở giữa các cánh, dẫn đến việc thu năng lượng kém Ngược lại, nếu tuabin quay quá nhanh, các cánh sẽ tạo thành bức tường chắn gió, cũng làm giảm hiệu quả thu năng lượng từ gió.

Vậy vấn đề đặt ra là tuabin phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với một  tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất

Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất suy ra từ mối quan hệ:

- Thời gian gió xáo động khi qua cánh trở về bình thường, tw (s)

- Thời gian cần thiết để cánh quạt quay với vận tốc ω (rad/s) đến vị trí trước đó, ts (s)

Với rotor có n cánh, thì chu kỳ để cánh di chuyển đến vị trí trước đó là:

Quãng đường luồng gió xáo động từ trước tới sau cánh quạt được ký hiệu là At (m) Thời gian cần thiết để luồng gió trở về trạng thái bình thường, tức là đạt tốc độ của môi trường không khí, được tính là t = w * t A.

Biết rằng hiệu suất đạt cực đại khi tw ≈ ts:

Vậy tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu được tính theo công thức: opt opt 2 t

Với: opt - Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu

opt - Vận tốc quay tối ưu của rotor n - Số cánh

At - Độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt (m)

Để tối ưu hóa hiệu suất của tuabin gió, cần đảm bảo rằng số cánh của tuabin là số dương Theo công thức (3.20), số cánh càng ít thì tuabin sẽ quay nhanh hơn, dẫn đến công suất thu được từ gió đạt mức tối đa.

Thông thường thì tỉ số t

3.1.5 Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió

Đường công suất là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất của tuabin gió, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra Thông số này thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng, như được minh họa trong hình 3.2.

- Vận tốc gió Cut-in (Vc): là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công suất

Vận tốc gió định mức (VR) là yếu tố quan trọng trong việc xác định công suất đầu ra của tuabin gió Khi vận tốc gió tăng, công suất đầu ra cũng tăng theo tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi đạt đến giá trị VR, công suất đầu ra đạt mức tối đa theo thiết kế Tuy nhiên, nếu vận tốc gió vượt quá VR, cần phải điều chỉnh hệ thống để giảm công suất, nhằm tránh tình trạng quá tải cho máy phát.

Vận tốc gió Cut-out (VF) là ngưỡng mà khi tốc độ gió tăng cao, hệ thống tuabin phải ngừng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, dẫn đến công suất phát ra bằng không.

Hình 3.2: Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió [11]

3.1.6 Lực tác dụng lên rotor

Khi gió thổi vào cánh quạt với vận tốc V, áp lực sinh ra sẽ khiến rotor quay Nghiên cứu lực tác động lên cánh quạt tại hai vị trí A và B đối xứng qua tâm O trong hệ tọa độ Oxy, với gốc tọa độ đặt tại tâm trục rotor, cho thấy sự phân bố lực rõ ràng.

 - góc hướng tâm (góc hợp bởi OA và OX) i - góc tới (góc hợp bởi vận tốc gió và dây cung cánh)

 - góc đặt cánh (góc hợp bởi dây cung cánh và phương hướng kính)

Hình 3.3: Lực tác dụng lên cánh [3]

Tính áp lực gió trên kỳ sinh công, xét lực tác dụng lên cánh tại vị trí A bao gồm:

- Lực gió tác dụng lên cánh: 1 1   2

- Lực cản do rotor quay: 2 2   2

- Vậy hợp lực của gió tác dụng lên cánh tại vị trí A là:

Tính áp lực gió trên kỳ cản công, xét lực tác dụng lên cánh tại vị trí B bao gồm:

- Lực gió tác dụng lên cánh: 1 2   2

- Lực cản do rotor quay: 2 2   2

- Vậy hợp lực của gió tác dụng lên cánh tại vị trí B là:

F - Lực tác động lên cánh tuabin (N)

 - Mật độ không khí (Kg/m 3 )

S - Diện tích hình chiếu bề mặt cản gió của cánh (m 2 )

C1 - Hệ số cản gió tác dụng lên bề mặt lõm của cánh, C1 = 2,3 [13]

C2 - Hệ số cản gió tác dụng lên bề mặt lồi của cánh, C2 = 1,2 [13]

Hệ thống pin quang điện

3.2.1 Các đặc trưng điện của pin quang điện

Pin năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng chất bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n Để dễ dàng trong việc tính toán và thiết kế, một mạch điện tương đương được sử dụng thay thế cho pin quang điện.

Hình 3.5: Mạch điện tương đương của pin quang điện [11]

Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V

3.2.1.2 Phương trình tương đương của pin quang điện

Dựa trên mạch điện tương đương của pin quang điện trong hình 3.5, một phương trình toán học đã được phát triển để mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra của pin quang điện.

Is - Dòng bão hòa (A) q - Điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k - Hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K

TC - Nhiệt độ vận hành của pin (K)

A - Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ: công nghệ Si-mono A=1,2, Si-Poly A = 1,3…

3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin quang điện

Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:

Isc: Dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25 0 C (A) và bức xạ 1 kW/m 2

K1: Hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/ 0 C)

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin quang điện (K)

TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin quang điện (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m 2 )

Dòng bão hòa I s là dòng các hạt tải điện không cơ bản được sinh ra từ sự kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng, dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ.

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

Năng lượng lỗ trống trong chất bán dẫn là yếu tố quan trọng đối với pin quang điện lý tưởng, trong đó điện trở dòng rò Rsh được coi là vô hạn và Rs bằng 0 Mạch điện tương đương của pin quang điện có thể được minh họa qua hình 3.6.

Hình 3.6: Mô hình pin quang điện một đi ốt lý tưởng [11]

Khi đó, biểu thức (2.31) có thể được mô tả như sau:

Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:

3.2.1.4 Phương trình tương đương của bộ pin quang điện

Công suất của tế bào pin quang điện thông thường khoảng 2 W với điện áp khoảng 0,5 V Để tạo ra công suất và điện áp lớn hơn, các pin quang điện được kết nối theo dạng nối tiếp và song song Mạch điện tương đương của mô đun pin quang điện bao gồm Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp, như mô tả trong hình 3.7.

Hình 3.7: Mô đun pin quang điện [11]

Mạch điện hình 3.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:

Pin quang điện chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện, nhưng một phần năng lượng này cũng chuyển thành nhiệt, khiến nhiệt độ của pin cao hơn nhiệt độ môi trường Để đánh giá nhiệt độ của pin trong các điều kiện khác nhau, ta sử dụng nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT - Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V của pin quang điện tương ứng với từng mức bức xạ cụ thể được mô tả chi tiết.

Hình 3.8: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau [11]

Hình 3.9: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau [11]

3.2.2 Góc nghiêng của dàn pin quang điện

Xác định góc nghiêng  của dàn pin quang điện so với mặt phẳng nằm ngang

Có thể xác định góc nghiêng tối ưu opt bằng công thức sau [10]:

Cường độ bức xạ trực tiếp hàng ngày trung bình tháng của tháng thứ i (INi) được xác định bởi vĩ độ vị trí lắp đặt (φ) và góc lệch trung bình tháng của tia mặt trời đối với mặt phẳng xích đạo (δ i) trong tháng thứ i.

Trong thực nghiệm, góc  thường được xác định gần đúng như sau:

3.2.3 Xác định tổng năng lượng hàng ngày của hệ pin quang điện

Năng lượng hàng ngày dàn pin quang điện cần phải cung cấp cho hệ thống, được xác định theo công thức sau:: panel * t

Để xác định tổng điện năng cần cung cấp hàng ngày cho các tải, cần tính đến tổn thất trong hệ thống Do đó, số Watt-hour mà tấm pin quang điện cung cấp phải lớn hơn tổng Watt-hour của toàn tải Thực nghiệm cho thấy tấm pin cần cung cấp cao hơn khoảng 1,3 lần so với tổng tải, vì vậy hệ số k thường được chọn là 1,3.

3.2.4 Tính công suất của hệ pin quang điện (Watt Peak)

Trong đó: Is - Cường độ bức xạ trung bình hàng ngày, kWh/m 2 /ngày

3.2.5 Số lượng tấm pin quang điện

3.2.6 Tính số mô đun pin quang điện mắc song song và nối tiếp

Cần lựa chọn loại mô đun PV thích hợp có các đặc trưng cơ bản sau [5]:

- Thế năng làm việc tối ưu Vmd

- Dòng điện làm việc tối ưu Imd

Số mô đun PV cần dùng trong hệ thống được tính từ tỷ số

Số mô đun PV nối tiếp thành dãy trong hệ PV được xác định từ điện thế yêu cầu của hệ V: nt md

Còn số dãy mô đun ghép song song được xác định từ dòng điện toàn phần của hệ I: ss md

Tính, lựa chọn cụm điều khiển và lưu trữ điện năng

3.3.1 Dung lượng của ắc quy axit – chi

Dung lượng của ắc quy là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng lưu trữ điện năng, thường được đo bằng Ampe – giờ (Ah) hoặc Oat – giờ (Wh).

Dung lượng ampe-giờ (Ah) của ắc quy phụ thuộc vào điện áp hệ thống (V), số ngày dự trữ năng lượng cần thiết (D) trong điều kiện không có ánh sáng mặt trời hoặc gió, hiệu suất nạp-xả của ắc quy (η b) và độ sâu xả điện phù hợp (DOS) Công thức tính dung lượng ắc quy có thể được áp dụng để xác định các yếu tố này một cách chính xác.

Khi lựa chọn số ngày dự phòng D cho hệ thống điện, không nên chọn D quá lớn để tránh tăng chi phí đầu tư Thông thường, D nên nằm trong khoảng 3 đến 10 ngày để đảm bảo cung cấp đủ điện năng dự trữ cho tải Độ sâu phóng điện (DOS) cho ắc quy chì nên được chọn trong khoảng 0,6 đến 0,7, và hiệu suất của ắc quy thường đạt khoảng 85%.

Nếu V là hiệu điện thế làm việc của hệ thống nguồn, còn v là hiệu điện thế của mỗi bình ắc quy, thì số ắc quy mắc nối tiếp trong bộ là: nt n V

Số dãy bình mắc song song là ss b n C

Trong đó mỗi bình có dung lượng Cb tính ra Ah Tổng số bình ắc quy được xác định như sau:

V: điện thế của bộ ắc quy v: là điện thế của mỗi ắc quy

3.3.2 Công suất của bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter)

Khi chọn bộ Inverter, cần đảm bảo công suất đủ lớn để đáp ứng toàn bộ tải khi sử dụng đồng thời, thường là 125% công suất tổng tải Nếu hệ thống có motor điện, cần tính thêm công suất để chịu được dòng khởi động của motor Ngoài ra, cần chọn Inverter có điện áp vào phù hợp với điện áp ra của ắc quy.

Bộ điều khiển sạc là thiết bị điện tử tự động quản lý quá trình nạp và phóng điện của ắc quy Nó theo dõi trạng thái ắc quy thông qua hiệu điện thế ở các cực, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu cho hệ thống năng lượng.

Các thông số kỹ thuật chính dưới đây cần phải quan tâm [5]

Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax là giá trị hiệu điện thế tối đa trên hai cực của bộ ắc quy khi đã nạp đầy 100% Khi hiệu điện thế đạt Vmax, bộ điều khiển sẽ tự động ngắt nạp để tránh tình trạng ắc quy quá tải Khi hiệu điện thế giảm xuống dưới ngưỡng này, bộ điều khiển sẽ tự động khôi phục quá trình nạp điện trở lại.

Ngưỡng cắt dưới Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của ắc quy khi ắc quy đạt đến cận dưới dung lượng, và nếu tiếp tục sử dụng, ắc quy sẽ bị phóng điện quá mức, dẫn đến hư hỏng Do đó, bộ điều khiển sạc sẽ tự động ngắt mạch tải tiêu thụ khi hiệu điện thế ắc quy V ≤ Vmin Khi hiệu điện thế tăng trở lại trên ngưỡng, bộ điều khiển sẽ tự động đóng mạch sạc Đối với ắc quy chì-axít, hiệu điện thế chuẩn là 12 V, với Vmax thường chọn từ 14 đến 14,5 V và Vmin từ 10,5 đến 11 V.

- Công suất P của bộ điều khiển sạc thông thường nằm trong khoảng:

Trong đó Pt là tổng công suất các tải có trong hệ nguồn.

PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Phân tích yêu cầu

Một hộ gia đình sử dụng các thiết bị điện thiết yếu như được nêu trong bảng 4.1 có tổng nhu cầu sử dụng điện là 955 Wh/ngày.

Bảng 4.1: Các thiết bị sử dụng điện thiết yếu trong hộ gia đình [25]

TT Tên thiết bị Số lượng

Số giờ sử dụng trong ngày (h)

Tổng công suất tiêu thụ (W)

4.1.2 Vị trí địa lý, khí hậu tại vị trí lắp đặt

Bình Thuận có tọa độ địa lý từ 10 o 33'42" đến 11 o 33'18" vĩ độ Bắc, từ

Năm có tổng số giờ nắng cao, dao động từ 2.700 đến 2.755 giờ, với trung bình hàng tháng khoảng 174 – 197 giờ nắng, tương đương 7,4 – 7,6 giờ nắng mỗi ngày Bức xạ trung bình đạt khoảng 5 kWh/m²/ngày Ngoài ra, nhiệt độ quanh năm cao, với nhiệt độ trung bình năm ở các vùng đồng bằng ven biển và các vùng núi thấp kế cận dao động từ 25,9 đến 27,8 độ C.

Tốc độ gió trung bình năm trên đất liền dao động từ 1,6 – 3,2 m/s tại độ cao tham chiếu 10 m

4.1.3 Chọn tỉ lệ công suất định mức phát của hệ pin quang điện và tuabin gió

Vị trí lắp đặt mô hình tại Trường Cao đẳng nghề tỉnh Bình Thuận có tọa độ địa lý (vĩ độ 10°56'34,2"N và kinh độ 108°05'32,5"E) phù hợp sử dụng năng lượng mặt trời, nhưng tốc độ gió trung bình thấp khiến nó ít phù hợp để sử dụng năng lượng gió Để tối ưu hóa công suất phát định mức bình quân hàng ngày, hệ thống hybrid sẽ phân chia năng lượng từ hai nguồn: hệ pin quang điện và máy phát điện tuabin gió, dựa trên tổng tải tiêu thụ của hộ gia đình giả định là 955 Wh/ngày.

- Hệ pin quang điện: 80% (764 Wh/ngày)

Phương án thiết kế tuabin gió

- Tuabin gió trục đứng cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, ít duy tu bảo dưỡng, bền, nhẹ, chịu được khí hậu ngoài trời

- Không phụ thuộc vào hướng gió

- Hoạt động ổn định với tốc độ gió từ: 4 – 6 m/s

- Công suất điện phát ra từ: 20 – 60 W

4.2.2 Các phương án thiết kế

- Phương án 1: Tuabin gió trục đứng cánh tròn

Tuabin gồm có 5 cánh được chặt lên hai đĩa …

Hình 4.1: Mô hình tuabin gió trục đứng cánh tròn [3]

- Phương án 2: Tuabin gió trục đứng cánh NACA

Tuabin có các cánh được chế tạo theo biên dạng NACA

Hình 4.2: Mô hình tuabin gió trục đứng cánh NACA 4.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Từ các phương án trên, ta tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí như ở bảng 4.2

Bảng 4.2: Tiêu chí so sánh tuabin gíó trục đứng cánh tròn và cánh NACA

Tiêu chí so sánh Tuabin gió trục đứng cánh tròn

Tuabin gió trục đứng cánh NACA

Cấu tạo Đơn giản Đơn giản

Bảo trì, sửa chữa Dễ dàng Dễ dàng

Chi phí Thấp Trung bình

Tự khởi động Dễ dàng Khó

Hiệu suất Thấp Trung bình

Nhận xét cho thấy rằng tuabin gió trục đứng cánh tròn là lựa chọn tối ưu cho công suất điện ra thấp từ 20 W đến 60 W, vì nó có khả năng hoạt động hiệu quả ở tốc độ gió nhỏ và cung cấp công suất đầu ra với chi phí thấp Ngược lại, tuabin gió cánh NACA có giá thành cao hơn do quá trình gia công cánh phức tạp, do đó, việc chế tạo tuabin gió trục đứng cánh tròn được ưu tiên hơn.

Phương án thiết kế hệ pin quang điện bám theo mặt trời

- Cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ vận hành, ít duy tu bảo dưỡng, bền, kinh phí đầu tư thấp, chịu được khí hậu ngoài trời

- Hệ điều khiển đơn giản,

- Hiệu suất để tiếp nhận bức xạ mặt trời cao

- Công suất tiêu thụ của hệ điều khiển thấp

4.3.2 Các phương án thiết kế

- Phương án 1: Hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục (Single-axis solar tracking system)

Hình 4.3: Mô hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục [18]

- Phương án 2: Hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục (Dual axis solar tracking system)

Hình 4.4: Mô hình hệ pin quang điện bám theo mặt trời hai trục [26]

4.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Từ các phương án trên, ta tiến hành so sánh dựa trên các tiêu chí như ở bảng 4.3

Bảng 4.3: Tiêu chí so sánh pin quang điện bám theo mặt trời một trục và hai trục

Tiêu chí so sánh Pin quang điện bám theo mặt trời một trục

Pin quang điện bám theo mặt trời hai trục

Cấu tạo Đơn giản Phức tạp

Bảo trì, sửa chữa Dễ dàng Khó

Hệ điều khiển Đơn giản Phức tạp

Hiệu suất Cao Khá cao

Tải tiêu thụ Thấp Cao

Hệ pin quang điện bám theo mặt trời một trục có thiết kế và hệ điều khiển đơn giản, đầu tư thấp nhưng vẫn mang lại hiệu suất cao, là lựa chọn tối ưu cho việc chế tạo.

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – MẶT TRỜI

Tính toán, thiết kế tuabin gió

Theo mục 4.1.2, 4.1.3, 4.3.1 máy phát điện tuabin gió được lắp đặt ở độ cao

Hệ thống điện gió yêu cầu hoạt động ổn định với tốc độ gió từ 4 – 6 m/s, chiều cao 12 m và công suất phát từ 20 – 60 W, nhằm đảm bảo sản lượng năng lượng điện hàng ngày đạt tối thiểu 191 Wh/ngày.

5.1.1 Xác định diện tích quét

Theo công thức 3.15 chọn hệ thống máy phát điện có công suất định mức tối thiểu 20 W, ta có:

Cp Hệ số công suất Cp = 0,35

 Mật độ không khí = 1,225 (kg/m 3 ) η Hệu suất của hệ thống η = 0,76

A Diện tích quét của rotor, A= H x D = 0,56 m 2

Trong đó: H là chiều cao cánh tuabin (m)

D là đường kính của cánh tuabin (m)

5.1.2 Năng lượng điện nhận được hàng ngày từ hệ thống điện gió

Theo mục 2.1 và 2.2, tốc độ gió trung bình hàng năm tại Phan Thiết đạt 3,2 m/s ở độ cao 10 m Tuabin gió được lắp đặt tại Trường Cao đẳng nghề Bình Thuận với độ cao 12 m và hệ số ma sát là 0,3 do địa hình khu đô thị có nhiều cây Hiệu suất toàn cục của hệ thống điện gió đạt 35%, áp dụng các biểu thức 3.29 và 3.30.

- Tốc độ gió trung bình ở độ cao 12 m:

- Mật độ công suất gió trung bình nhận được ở độ cao 12 m:

- Năng lượng điện trung bình nhận được hàng ngày

Nhận xét: Vậy sản lượng năng lượng điện của hệ thống điện gió cung cấp đủ cho hệ thống hybrid là 216 Wh/ngày ≥ 191 Wh/ngày

5.1.3 Chọn góc đặt cánh β, số lượng và kích thước - biên dạng cánh

Theo kết quả đo thực nghiệm và tính toán, góc đặt cánh từ 20° đến 35° cho số vòng quay của rotor cao nhất khi ở cùng một tốc độ gió.

- Cánh có hình dạng nửa đường tròn có: chiều dài cánh H = 0,8 m; chiều rộng cánh b = 0,3 x R = 0,105 m, với R là bán kính rotor (hình 5.1)

- Số lượng cánh quạt n = 9 cánh

- Chọn góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính: β = 30 o (hình 5.2)

- Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau: 40 o (hình 5.2)

Hình 5.1: Kích thước và biên dạng cánh

Hình 5.2: Bản vẽ thiết kế góc đặt cánh của đĩa gắn cánh quạt

Hình 5.3: Đĩa gắn cánh quạt 5.1.4 Số vòng quay của tuabin

TSR của tuabin Savonius từ 0,9 – 1,1 theo [12] và [19] Chọn TSR = 1

- Số vòng quay của tuabin gió với tốc độ gió 4, 6, 12 m/s:

Tính số vòng quay của tuabin ở tốc độ gió 12 m/s dùng để xác tính toán lựa chọn trục của tuabin gió

5.1.5 Lựa chọn máy phát điện (Dynamo) và xác định tỉ số truyền Để đảm bảo máy phát điện tuabin gió có công suất đầu ra nằm trong giới hạn

20 – 60 W hoạt động trong vùng tốc độ gió từ 4 – 6 m/s Chọn Dynamo có công suất phát định mức 100 W, 12 VAC, 3 pha

Bảng 5.1: Thông số của Dynamo Bpe-mg 100 W

P/NO, : BPE-PMG 100 Generation type: AC 3 Phase Rated Capacity: 100 VA Insulation Class: 200

Rated Voltage: 12 V Rated Current: 8 Amp

Shenzhen BestPower Energy Technology Co

Hình 5.4: Dynamo Bpe-mg 100 W, 12 VAC, 3 Pha

Hình 5.5: Biểu đồ giữa tôc độ vòng và công suất của Dynamo Bpe-mg 100 W,

12 VAC, 3 Pha theo đánh giá của nhà sản xuất [33]

Theo hình 5.5 để Dynamo đạt được công suất từ 20 – 60 W phải có vận tốc vòng trong khoảng 280 – 440 vòng/phút

- Tỉ số truyền (u) giữa trục tuabin gió ở tốc độ gió 4 m/s và Dynamo với vận tốc vòng là 280 vòng/phút là: 4 /

- Tỉ số truyền (u) giữa trục tuabin gió ở tốc độ gió 6m/s và Dynamo với vận tốc vòng là 440 vòng/phút là: 6 /

 n   Vậy cần chọn tỉ số truyền giữa tuabin gió và Dynamo là: n mp  3 n tb

5.1.6.1 Tính toán bộ truyền đai Để không xảy ra hiện tượng trượt trơn trong quá trình truyền động nên chọn đai răng với ký hiệu bước XL như hình 5.6

Hình 5.6: Đai răng ký hiệu bước XL

Tỉ số truyền giữa trục tuabin gió và trục máy phát là 1:3, do đó, cần chọn bánh đai dẫn với 60 răng và bánh đai bị dẫn với 20 răng Khoảng cách giữa hai tâm bánh đai ước lượng khoảng 120 mm.

Sử dụng công cụ tính toán Puli răng và đai răng trực tuyến (Pulley Centre Calculation) để nhập các thông số như số răng trên bánh đai nhỏ và lớn, chọn bước răng cùng loại đai răng Công cụ sẽ tính toán chiều dài dây đai theo tiêu chuẩn, giúp bạn dễ dàng có được kết quả chính xác.

Hình 5.7: Kết quả tính toán puli răng và đai răng (Pulley Centre Calculation)

Thông số của puli răng và đai răng với ký hiệu bước XL theo [28], [29], như sau:

- Đường kính puli đai dẫn động d1 = 97,021 mm

- Đường kính puli đai bị dẫn d2 = 32,340 mm

- Khoảng cách thực giữa hai tâm puli a = 122,739 mm

Vậy chọn đai răng có ký hiệu 180XL-037 phù hợp với các thông số yêu cầu như trên

Hình 5.8: Bộ truyền đai răng hoàn chỉnh

5.1.6.2 Lực tác dụng lên trục

Theo công thức 3.15, ta có:

- Công suất thực tế của tuabin gió với tốc độ gió 4 m/s thu được là:

Theo mục 5.1.5 và 5.1.6.1, ta có: (d1 = 97,021 mm; n1 = ntb = 93,3 vòng/phút; d2 = 32,340 mm, n2 = nmp = 280 vòng/phút; a = 122,739 mm, giả sử hệ số ma sát của đai răng cao su f = 0,2)

- Công suất truyền của tuabin gió:

- Tính góc ôm trên bánh đai nhỏ:

- Lực tác dụng lên trục: Áp dụng phương trình Euler: 1 ' * 1

 (vỉ V < 10 m/s bỏ qua lực vòng Fv; hệ số ma sát thay thế f '  f Sin/ ( ) 0, 2 /Sin(30)0, 4)

Vậy lực tác dụng lên trục với tốc độ gió 4 m/s và 12 m/s là:

Trục tuabin gió chỉ có chức năng truyền moment xoắn từ trục sang máy phát mà không cần các chi tiết phụ Với lực tác động thấp (234,7 N), việc chọn vật liệu nhôm thay vì thép CT5 không nhiệt luyện sẽ giúp tăng tốc độ quay của trục.

Hỡnh 5.9: Trục tuabin giú ị 42, dài 1,150 mm 5.1.8 Thiết kế máy phát điện gió

Các thành phần của một máy phát điện tuabin gió trục đứng như hình 5.10

Hình 5.10: Thiết kế kết cấu máy phát điện gió trục đứng công suất nhỏ

Từ thiết kế trên, sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor của máy phát điện gió như sau:

- Lực của gió tác dụng lên cánh rotor:

Theo công thức (3.28) ta có lực của gió tác dụng lên cánh rotor với tốc độ gió

Lực tác dụng lên ổ đỡ gồm: lực F và moment do lực F gây ra

Hình 5.11: Sơ đồ phân tích lực tác động lên trục rotor và ổ đỡ

Các thông số thiết kế chính như sau:

- Cánh hình dạng nữa đường tròn có: chiều dài cánh H = 0,8 (m); chiều rộng cánh b = 0,105 (m)

- Góc bố trí 2 cánh kề liền nhau: 40 o

- Góc nghiêng của cánh so với đường hướng kính: β = 30 o

- Tốc độ quay của rotor khi tốc độ gió 4 m/s: N = 109,1 (vòng/phút)

Tính toán, thiết kế của hệ pin quang điện tự xoay một trục

Hệ thống Solar tracking là công nghệ điều khiển giúp các tấm pin quang điện tự động xoay theo hướng ánh sáng, tối ưu hóa góc tiếp xúc giữa tia nắng và bề mặt tấm pin Điều này không chỉ tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang điện mà còn vượt trội hơn so với các tấm pin cố định Hiện nay, có hai loại hệ thống solar tracking: một trục và hai trục Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào giải pháp điều khiển hệ thống solar tracking một trục.

Hệ thống Solar traking một trục (Thông số kỹ thuật đính kèm theo phụ lục số

Mô đun cảm biến quang theo dõi sự thay đổi ánh sáng từ hai phía Đông và Tây của mặt trời, giúp chuyển đổi giá trị điện áp thành tín hiệu analog.

Mạch điều khiển bao gồm một mạch Arduino Nano, một mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A và một mạch hạ áp DC LM2596 Mạch này có chức năng tiếp nhận tín hiệu analog từ mô đun quang trở và tín hiệu digital từ công tắc hành trình, nhằm điều khiển động cơ một cách hiệu quả.

Động cơ 12 VDC với hộp giảm tốc cho phép tạo ra chuyển động xoay theo cả hai chiều, kết hợp với cơ cấu dẫn động tịnh tiến để biến chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến Điều này giúp hệ pin quang điện có khả năng xoay một góc xung quanh trục, tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.

- Bộ công tắc hành trình: để giới hạn góc xoay của hệ pin quang điện xung quanh một trục

- Hệ pin quang điện: chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng

Hệ thống cơ khí bao gồm khung gá cho hệ pin quang điện và cơ cấu dẫn động tịnh tiến, được thiết kế để lắp đặt các tấm pin quang điện và tạo ra chuyển động xoay quanh một trục.

Sơ đồ khối biểu diễn quan hệ giữa các thành phần được trình bày ở hình 5.13

Hình 5.13: Sơ đồ khối của hệ pin quang điện tự xoay một trục [18]

5.2.3 Tính toán lựa chọn hệ pin quang điện

Theo các mục 4.1.1 và 4.1.3, nhu cầu sử dụng điện năng hàng ngày là 955 Wh, trong đó hệ pin quang điện cần cung cấp 764 Wh và hệ thống máy phát điện tuabin gió bổ sung 191 Wh Áp dụng các công thức từ 3.37 đến 3.40 và 3.48, 3.52, bảng 5.2 đã được xây dựng Dựa trên kết quả này, pin quang điện SN 100 Wp được chọn, được sản xuất theo công nghệ của Đức với các thông số kỹ thuật như trong bảng 5.3.

Bảng 5.2: Kết quả tính toán hệ pin quang điện độc lập

Thông số E t PV panel P PV N PV β Đơn vị Wh Wh Wp Tấm Độ

Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật pin quang điện SN 100Wp Thông số P max V oc I sc V mpp I mpp

Kích thước (LxWxH) Đơn vị Wp V A V A % % mm

Hình 5.14.a: Tấm pin quang điện SN

Nhãn thông số kỹ thuật

Theo bảng 5.2 và 5.3, cần sử dụng 02 tấm pin quang điện SN 100Wp để cung cấp đủ năng lượng điện hàng ngày là 764 Wh cho hệ thống hybrid.

5.2.4 Thiết kế kết cấu hệ thống cơ khí

Trên cơ sở kích thước và số lượng của tấm pin quang điện tại bảng 5.2 và 5.3

Hệ thống cơ khí cho phép gá đặt và dẫn động tịnh tiến hệ pin quang điện xoay quanh một trục cần có kết cấu vững chắc để hoạt động ổn định ngoài trời Do đó, vật liệu chế tạo được chọn là sắt mạ kẽm và nhôm.

5.2.4.1 Thiết kế hệ thống khung gá hệ pin quang điện

Hình 5.15: Thiết kế kết cấu hệ thống khung gá pin quang điện xoay quanh một trục 5.2.4.2 Cơ cấu dẫn động tịnh tiến

Cơ cấu dẫn động tịnh tiến có chức năng đẩy lên và kéo xuống với hành trình tối đa 210 mm, giúp hệ pin quang điện xoay quanh một trục.

Hình 5.16: Thiết kế cơ cấu dẫn động tịnh tiến chiều dài hành trình 210 mm

Hình 5.17: Cơ cấu dẫn động tịnh tiến lắp ráp hoàn chỉnh

5.2.4.3 Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ khí pin quang điện xoay quanh một trục

Hình 5.18: Mô hình hoàn chỉnh hệ thống cơ khí pin quang điện xoay quanh một trục

5.2.5 Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng

Bộ cảm biến ánh sáng có vai trò quan trọng trong việc phát hiện sự thay đổi hướng tia sáng mặt trời, từ đó gửi dữ liệu đến bộ xử lý để điều khiển động cơ xoay hệ thống pin quang điện về phía có nhiều ánh sáng Trong nghiên cứu này, mô đun quang trở LDR được lựa chọn làm cảm biến cho hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời (solar tracking) nhờ vào tính dễ sử dụng và chi phí thấp.

Hình 5.19a: Quang trở LDR Hình 5.19b: Mô đun quang trở

Trong thiết kế này, hai mô đun quang trở được đặt đối diện nhau, ngăn cách bởi một vách Khi ánh sáng chiếu thẳng góc, động cơ DC với hộp giảm tốc không xoay nếu hai tín hiệu nằm trong ngưỡng giới hạn của cảm biến Khi độ sáng thay đổi, hai cảm biến quang phát ra tín hiệu khác nhau, và khi vượt ngưỡng, động cơ DC sẽ xoay để hệ pin quang điện hướng thẳng góc với ánh sáng.

Hình 5.20: Cơ chế làm việc của LDR hướng Tây và LDR hướng Đông

Hình 5.21: Hộp đựng bộ cảm bỉến LDR

Hình 5.22: Vị trí lắp đặt bộ cảm biến LDR 5.2.6 Hệ thống điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển trung tâm được thiết kế để tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến và bộ công tắc hành trình, từ đó xuất ra tín hiệu điều khiển cho động cơ DC 12/24VDC có hộp giảm tốc Cấu trúc của mạch điều khiển trung tâm bao gồm: 01 Arduino Nano, 01 mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43 A, 01 mạch hạ áp DC LM2596, 02 công tắc hành trình và 02 mô đun cảm biến quang trở.

Hình 5.23: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm

Hình 5.24: Hệ thống điều khiển trung tâm hoàn chỉnh

5.2.7 Giải thuật và chương trình điều khiển

Lưu đồ giải thuật của chương trình điều khiển được trình bày ở hình 5.25

Hình 5.25: Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ DC

Chương trình điều khiển hệ thống pin quang điện tự xoay theo hướng mặt trời được phát triển bằng phần mềm Arduino, nổi bật với tính đơn giản và dễ sử dụng Phần mềm này tương tác tốt với người dùng và có sự hỗ trợ mạnh mẽ từ thư viện các ví dụ mẫu có sẵn Mã nguồn của chương trình điều khiển này được đính kèm trong phụ lục số 2.

Hệ thống điều phối năng lương và ắc quy lưu trữ điện năng

5.3.1 Bộ điều khiển sạc hybrid

Theo kết quả tính toán tại mục 5.1 và 5.2.3, công suất phát định mức của hệ pin mặt trời là 200 W và máy phát điện gió là 60 W Như vậy, tổng công suất của hệ thống hybrid đạt 250 W Áp dụng công thức 3.51, ta có kết quả như sau:

Trong bài viết này, tác giả tập trung vào bộ điều khiển sạc hybrid, với công suất định mức phát của hệ pin quang điện là 200 Wp và máy phát điện gió là 600 W Bộ điều khiển này hỗ trợ sạc cho máy phát điện gió với điện áp 15VAC/25VAC, 3 pha.

Hình 5.26: Bộ điều khiển sạc - Controller Wind & Soalr Hybrid

5.3.2 Bộ nghịch lưu DC-AC (Inverter) Để có thể đáp ứng được tất cả tải là 955 W khi cùng sử dụng một thời điểm, áp dụng công thức 3.50 tính được công suất cần thiết bộ Inverter là 1,194 W:

Trong phạm vi đề tài, tác giả lựa chọn bộ Inverter công suất 500 W có chế độ bảo vệ chống quá tải cho ắc quy

5.3.3 Đồng hồ hiển thị công suất DC

Trong bộ điều khiển sạc hybrid, có chế độ hiển thị điện áp và dòng tải của hệ pin quang điện, máy phát điện gió và dung lượng của bộ ắc quy, giúp thuận tiện trong việc giám sát công suất phát của hệ thống Để theo dõi hiệu quả, nên chọn đồng hồ hiển thị công suất tải (Watt meter) DC 0 – 60 V, 0 – 100A với chế độ chống dòng trả ngược.

Hình 2.28: Đồng hồ hiển thị công suất DC 0 – 60V, 0 – 100A

5.3.4 Dung lượng ắc quy hệ thống Hybrid

Theo mục 4.1.1, tổng tải tiêu thụ điện năng là 955 Wh/ngày Sử dụng công thức 3.46 và 3.48, ta tính được số lượng bình ắc quy cần thiết cho ba ngày Để duy trì điện áp 12 V, phương án nối song song các bình ắc quy được lựa chọn, giúp tăng dung lượng của bộ ắc quy Hệ thống hiện tại sử dụng tấm pin quang điện, bộ điều khiển sạc (Controller) và bộ nghịch lưu (Inverter) phổ biến trên thị trường với điện áp 12 V Bình ắc quy được chọn có thông số 12 V – 80 Ah, từ đó xác định dung lượng cần thiết cho hệ thống bình ắc quy.

Vậy số lượng bình ắc quy 12 V – 80 Ah cần cho hệ thống là 6 ắc quy:

Trong phạm vi đề tài chỉ sử dụng 02 bình ắc quy GS 12 V – 80 Ah mắc song song để khảo nghiệm

Hình 5.29: Hệ thống bình ắc quy 5.3.5 Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng

Tủ phân phối năng lượng có chức năng nhận điện từ hệ thống pin quang điện và máy phát điện tuabin gió, điều khiển việc sạc cho hệ thống bình ắc quy Tủ được trang bị các chế độ bảo vệ cần thiết, ngăn chặn việc nạp điện khi nguồn tiếp nhận vượt ngưỡng cho phép và chống dòng điện trả ngược từ ắc quy Các thiết bị trong tủ bao gồm bộ điều khiển sạc, hai đồng hồ hiển thị công suất và bộ nghịch lưu DC-AC.

CB 10 A và kết nối với bộ ắc quy 12 V

Hình 5.30: Các thiết bị của tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng

Hình 5.31: Tủ điều phối năng lượng và bộ lưu trữ điện năng lắp đặt hoàn chỉnh

5.3.6 Lắp đặt mô hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ

Vị trí lắp đặt máy phát tuabin gió và hệ pin quang điện ở mái sân thượng căn tin Trường Cao đẳng nghề tỉnh Binh Thuận có độ cao là 10 m

Hình 5.32: Sơ đồ lắp ráp mô hình máy phát điện năng lượng gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ.

KIỂM NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Kiểm nghiệm hiệu suất tấm pin quang điện tự xoay một trục so với tấm pin

Sử dụng chức năng la bàn và GPS của điện thoại di động, đặt một tấm pin quang điện theo phương ngang để xác định hướng Đông, Tây, Nam, Bắc Lắp đặt một tấm pin quang điện với hệ thống tự xoay theo hướng Đông - Tây, và một tấm pin quang điện khác trên khung gá cùng độ cao, nghiêng một góc 21 độ theo hướng Nam - Bắc Cả hai tấm pin quang điện đều có thông số kỹ thuật giống nhau.

Bài viết này trình bày bố trí hai tấm pin quang điện, bao gồm một tấm pin gắn trên hệ thống tự xoay một trục và một tấm pin đặt cố định với góc nghiêng β = 21 độ Các thông số đo lường liên quan đến hiệu suất và vị trí của từng tấm pin sẽ được phân tích để tối ưu hóa năng suất năng lượng.

Quá trình đo được tiến hành từ 8 giờ đến 17 giờ, bắt đầu từ ngày 01/4/2016 đến 07/4/2016 tại Trường Cao đẳng nghề tỉnh Bình Thuận, với khoảng thời gian giữa hai lần đo là 30 phút.

6.1.2.1 Bố trí đo điện thế, dòng điện, công suất của tấm pin quang điện

Theo hình 6.2 ngõ ra tấm pin quang điện nối nối tiếp với đồng hồ đo công suất

DC và tải không đổi (Đèn LED 12 VDC, 5 W)

Hình 6.2: Sơ đồ đo công suất tấm pin quang điện

Hình 6.3 minh họa quá trình đo công suất của hai tấm pin quang điện Đo bức xạ mặt trời và xác định góc xoay của tấm pin quang điện là những yếu tố quan trọng trong hệ thống tự xoay một trục, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

Thiết bị đo bức xạ được lắp đặt vuông góc với tấm pin quang điện, với một thước đo góc 180 độ gắn vào tâm trục xoay Tấm pin quang điện được đặt nằm ngang, vuông góc với khung gá, cho phép góc xoay tối đa từ 0 đến +50 độ về hướng Đông và từ 0 đến -50 độ về hướng Tây Để theo dõi sự biến đổi của góc xoay trong một giờ, mốc thời gian được chọn bắt đầu từ 08 giờ.

Từ 00 giờ đến 15 giờ, tấm pin quang điện được lắp đặt ở độ cao 10 m sẽ chịu ảnh hưởng của thời gian mặt trời mọc và lặn Theo bảng 6.2, trong khoảng thời gian từ 08 giờ đến 09 giờ, tấm pin quang điện có khả năng xoay một góc 13 độ.

Hình 6.4: Dụng cụ đo gắn trên hệ thống tự xoay một trục

Hình 6.5: Vị trí góc xoay tối đa của tấm pin quang điện Bảng 6.1: Vị trí góc xoay của tấm pin quang điện

Vị trí xoay tấm pin quang điện Hướng Tây Nằm ngang Hướng Đông Góc xoay ( 0 ) -50 -40 -30 -20 -10 0 +10 +20 +30 +40 +50

6.1.2.3 Các giá trị đo điện áp, cường độ dòng điện, công suất, góc xoay, bức xạ mặt trời

Các giá trị đo được lấy giá trị trung bình trong bảy ngày được thể hiện tại bảng 6.2, đính kèm giá trị đo từng ngày ở phụ lục số 3

Bảng 6.2: Các giá trị đo tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục và tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0

Góc xoay U TR I TR P TR U 21 I 21 P 21

8h00 667 43 20,49 0,38 7,7862 20,39 0,32 6,5248 19,55 8h30 853 37 20,74 0,38 7,8812 20,73 0,3 6,2190 26,73 9h00 839 30 20,41 0,37 7,5517 20,48 0,29 5,9392 27,15 9h30 851 24 20,19 0,37 7,4703 20,26 0,29 5,8754 27,15 10h00 973 19 20,35 0,38 7,7330 20,41 0,3 6,1230 26,29 10h30 1042 16 20,35 0,37 7,5295 20,39 0,29 5,9131 27,34 11h00 971 10 20,32 0,37 7,5184 20,3 0,3 6,0900 23,45 11h30 1018 3 20,32 0,38 7,7216 20,28 0,29 5,8812 31,29 12h00 956 -4 20,38 0,37 7,5406 20,33 0,29 5,8957 27,90 12h30 959 -15 20,24 0,38 7,6912 20,2 0,29 5,8580 31,29 13h00 1050 -22 20,42 0,38 7,7596 20,37 0,31 6,3147 22,88 13h30 1023 -32 20,35 0,38 7,7330 20,3 0,29 5,8870 31,36 14h00 1002 -37 20,46 0,37 7,5702 20,45 0,29 5,9305 27,65 14h30 1020 -44 20,48 0,38 7,7824 20,53 0,3 6,1590 26,85 15h00 914 -48 20,47 0,38 7,7786 20,44 0,3 6,1320 26,85 15h30 856 -49 20,51 0,37 7,5887 20,38 0,29 5,9102 28,40 16h00 774 -47 20,56 0,38 7,8128 20,18 0,29 5,8522 33,50 16h30 657 -49 20,39 0,38 7,7482 19,61 0,29 5,6869 36,25 17h00 460 -49 20,29 0,37 7,5073 17,71 0,24 4,2504 76,63 Hiệu suất trung bình giữa tấm pin quang điện tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt một góc cố định có  = 21 0 30,41

Bảng 6.3: Mỗi giờ tấm pin quang điện xoay được một góc

Giá trị trung bình 12,98 0 Độ lệch chuẩn 3,17 0

6.1.2.4 Công suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục so với tấm pin quang điện đặt cố định  = 21 0 và bức xạ nhận được của pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục

Hình 6.6 minh họa sự so sánh công suất giữa tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục và tấm pin quang điện cố định với góc nghiêng β = 21° Biểu đồ cũng thể hiện bức xạ mà tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay nhận được, cho thấy hiệu suất tối ưu của hệ thống này trong việc thu nhận năng lượng mặt trời.

Theo hình 6.6, công suất điện năng sản sinh từ tấm pin quang điện gắn trên hệ thống tự xoay một trục luôn cao hơn so với tấm pin quang điện cố định với góc nghiêng β = 21° Hiệu suất trung bình của hệ thống tự xoay đạt trên 30,41% Trong trường hợp xem xét khấu hao công suất, hệ thống tự xoay với hai tấm pin quang điện 100 W hoạt động liên tục trong một giờ sẽ tiêu thụ 20 Wh, trong đó có sự tham gia của động cơ DC 15.

Hệ thống pin quang điện tự xoay có công suất lợi hơn 20% so với hai tấm pin 100 W cố định ở góc nghiêng β = 21° Thực tế, hệ thống này hoạt động từ 4 – 5 giờ/ngày, với bức xạ đạt đỉnh vào lúc 8h30 (7,8812 W, 853 W/m²) và 16h00 (7,8128 W, 774 W/m²) Tại hai thời điểm này, nhiệt độ ngoài trời ổn định gần 25°C, nhiệt độ làm việc lý tưởng của tấm pin quang điện Do đó, để duy trì công suất sản xuất điện năng ổn định, cần có giải pháp giải nhiệt cho tấm pin quang điện.

6.1.2.5 Sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ

Hình 6.7 : Biểu đồ sự biến động góc xoay tấm pin quang điện trên hệ thống tự xoay một trục trong mỗi giờ

Theo hình 6.7, tấm pin quang điện có khả năng xoay với góc trung bình 12,98 độ mỗi giờ, trong khi trái đất quay với tốc độ 15 độ mỗi giờ Do đó, trục của bộ thu pin quang điện luôn giữ vị trí thẳng góc với hướng ánh sáng mặt trời.

Bộ pin quang điện được lắp đặt trên hệ thống tự xoay một trục theo hướng Đông – Tây đã chứng minh khả năng cung cấp điện lên đến 764 Wh/ngày, theo các kết quả kiểm nghiệm đạt được.

Kiểm nghiệm máy phát điện tuabin gió

6.2.1 Bố trí đo vận tốc vòng trục tuabin, vận tốc vòng trục Dynamo, công suất phát điện Dynamo tương ứng với các chỉ số vận tốc gió

Sử dụng quạt gió hướng trục với lưu lượng 4,920 m³/h và điều chỉnh tốc độ bằng mô đun điện áp AC 220 V, 4,000 W để tạo gió cưỡng bức cho tuabin gió Cảm biến đo gió được đặt chính giữa cánh quạt, cùng với các thiết bị đo điện như Ampe kìm và VOM hiển thị số, giúp theo dõi điện áp và dòng điện sạc của máy phát điện tuabin gió qua bộ điều khiển sạc hybrid Do quạt gió quay không ổn định, tốc độ gió cũng biến đổi, vì vậy đồng hồ đo tốc độ gió được cài đặt để lấy mẫu trung bình trong 5 phút, khảo sát từ lúc khởi động tuabin đến khi Dynamo có điện thế > 15 VAC, vượt ngưỡng cho phép sạc Các giá trị đo được trình bày trong phụ lục số 4 và dụng cụ hỗ trợ kiểm nghiệm trong phụ lục số 5.

Hình 6.8: Bố trí thí nghiệm máy phát điện gió

6.2.2 Mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất phát Dynamo

Hình 6.9: Biểu đồ quan hệ tốc độ gió và công suất phát Dynamo

Nhận xét: Theo hình 6.9 công suất phát Dynamo từ 0 – 20 W phải có tốc độ gió 3,5 – 6 m/s; 20 – 60 W tốc độ gió 6 – 9 m/s

6.2.3 Mối quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát

Biểu đồ trong hình 6.10 thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc vòng của Dynamo và công suất phát Cụ thể, để Dynamo có thể phát công suất từ 0 đến 20 W, vận tốc vòng cần đạt từ 100 đến 270 vòng/phút Đối với công suất từ 20 đến 60 W, vận tốc vòng phải tăng lên.

270 – 380 vòng/phút, nhưng theo nhà sản xuất để đạt công suất như trên thì vận tốc y = 0.9548x 2 - 1.0208x - 8.8163

Vận tốc vòng Dynamo (vòng/phút)

Công suất đánh giá của nhà sản xuất Poly cho thấy rằng vòng quay của Dynamo nằm trong khoảng 280 – 440 vòng/phút Tuy nhiên, vận tốc vòng thực tế của Dynamo thấp hơn từ 3,7 – 15,7% so với mức đề nghị của nhà sản xuất.

6.2.4 Mối quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và tốc độ gió nhận được của tuabin

Hình 6.11: Biểu đồ quan hệ vận tốc vòng Dynamo và tốc độ gió nhận được của tuabin

Để Dynamo hoạt động hiệu quả với vận tốc vòng từ 180 – 270 vòng/phút, tốc độ gió cần đạt từ 4 – 6 m/s Đối với vận tốc vòng từ 270 – 380 vòng/phút, tốc độ gió yêu cầu là từ 6 – 9 m/s Mối quan hệ giữa tốc độ gió và vận tốc vòng được mô tả bởi phương trình y = 3E-05x² + 0.0117x + 1.0346.

Vận tốc vòng Dynamo (vòng/phút)

6.2.5 Mối quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát - tốc độ gió

Hình 6.12: Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc vòng Dynamo và công suất phát - tốc độ gió

Nhận xét: Theo hình 6.12 để máy phát điện tuabin gió đạt công suất: từ 0 – 20

W thì vận tốc vòng Dynamo 180 – 270 vòng/phút, tốc độ gió đạt 4 – 6 m/s; từ 20 –

60 W, vận tốc vòng Dynamo 270 – 380 vòng/phút, tốc độ gió đạt 6 – 9 m/s; Nên để đạt công suất 10 W vận tốc vòng Dynamo 225 vòng/phút, tốc độ gió 5 m/s

Máy phát điện tuabin gió trục đứng với cánh tròn khởi động ở tốc độ gió trung bình 3,5 m/s và đạt điện áp trên 15 VAC khi tốc độ gió lớn hơn 10 m/s Để tối ưu hóa hiệu suất, cần điều chỉnh tỉ số truyền bộ truyền đai, trong đó tỉ số truyền mp 6 tb n  n giúp máy phát điện gió đạt công suất theo yêu cầu Biểu đồ hình 6.12 cho thấy với vận tốc vòng của Dynamo từ 150 – 200 vòng/phút, nếu tăng tỉ số truyền n mp  6 n tb lên 300 – 400 vòng/phút, công suất phát của Dynamo có thể đạt từ 30 – 80 W Điều này phản ánh sự sai lệch giữa vận tốc vòng của Dynamo và công suất phát theo khuyến nghị của nhà sản xuất và thực nghiệm, với công thức y = 0.0011x² - 0.2669x + 11.908.

Vận tốc vòng Dynamo (vòng/phút)Công suất Dynamo Tốc độ gió