Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

76
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời" là nghiên cứu ứng dụng hệ thống hybrid kết hợp hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho hệ thống đèn chiếu sáng công cộng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- LÊ HOÀI PHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG HYBRID NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)
ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn phòng Quản lý Khoa học – Đào tạo sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2013 Người thực hiện Lê Hoài Phương
iii TÓM TẮT LUẬN VĂN MỞ ĐẦU Năng lượng mặt trời và năng lượng gió là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn. Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời và năng lượng gió có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt trái đất. Để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện thông minh. Khi gió tác động lên các cánh quạt gió của tuabin cơ năng sẽ được chuyển thành điện năng xoay chiều AC sau khi đi qua hệ thống điều khiển chuyển đổi để kết hợp với nguồn điện do pin năng lượng mặt trời tạo ra. Nguồn năng lượng một chiều này được nạp trực tiếp vào bình ácquy thông qua hệ thống nạp, sau đó chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng. Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thiết kế máy phát điện. Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin năng lượng mặt trời Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng. Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng. Kết kuận Để dễ theo dõi, bản luận văn đã được bố cục thành các chương với đầy đủ nội dung được đề cập đến đã giải quyết được những vấn đề sau đây:
iv Nghiên cứu về các nguồn và các công nghệ sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng gió ở Biên Hòa: - Tốc độ gió, cấp gió - Chế độ gió ở Đồng Nai - Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Đồng Nai Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ - Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ - Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 300W. - Thiết kế lựa chọn pin năng lượng mặt trời công suất 40W. - Thiết mạch điện sử dụng hệ thống hybrid Bản luận văn này đã hoàn thành tốt nhiệm vụ đặt ra, theo đúng các yêu cầu về nội dung và chất lượng.
v ABSTRACT INTRODUCTION Solar and wind energy is a renewable form of energy with great reserve endlessly. It is one of the renewable energy sources of the most important natural gift for our planet. At the same time it is also a source of renewable energy sources such as biomass energy, the energy of the river, ... Solar and wind power can tell is endless. However, to harness and use this energy needs to know the characteristics and basic properties of it, especially when it comes to the earth's surface. To harness and use solar energy effectively need a smart grid system. When the wind acting on the blades of the wind turbine mechanical energy is converted into AC power after passing control system combined with switching to battery power by solar energy generated, energy sources DC is loaded directly into the bottle through the battery charging system, then converted into alternating current electric power (AC) by inverters. The controller which transfers this energy to the system control lights The content of the thesis is divided into five chapters: Chapter 1: Overview Chapter 2: Designing generator. Chapter 3: Design wind systems: System propellers, turbines, choosing solar battery Chapter 4: Control circuit lighting system. Chapter 5: Experimental verification. THE KUAN For ease of tracking , the thesis has been organized into chapters with full internal mentioned solution solves the following problems : The study of the sources and uses of technology wind energy and solar energy in the world and in Vietnam . Evaluate the status and potential of wind energy applications in Bien Hoa :
vi - Wind speed , wind levels - Wind regime in Dong Nai - Production of electricity from wind energy in Dong Nai Design generator system using small wind power capacity - Block diagram generation system using wind power capacity of small - Design calculations synchronous generator excitation eternal 300W . - Design selection of solar battery power 40W . - Setting circuits using hybrid system of this thesis was to fulfill the tasks set out , in accordance with the requirements for the content and quality .
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................ ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... iii ABSTRACT .................................................................................................................... v MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG................................................. 4 1.1. Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird. ...................................................................................................................................... 4 1.1.1. Hệ thống chiếu sáng thông thường.............................................................. 4 1.1.2. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. .................................. 4 1.1.3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybird gió và năng lượng mặt trời. ........................................................................................................................... 5 1.2. Các dạng máy phát điện gió. ................................................................................ 7 1.2.1. Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ bản chính như sau: ................................................................................................. 7 1.2.2. So sánh tuabin trục đứng và trục ngang: ................................................... 7 1.3. MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM .......................10 1.4. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ .................................11 1.5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................12 1.5.1. Hệ thống điện gió độc lập. ..........................................................................12 1.5.2. Hệ thống điện gió hybrid............................................................................12 1.5.3. Bộ điều khiển: .............................................................................................13 1.5.4. Bộ sạc acqui .................................................................................................14 1.5.5. Bộ biến đổi ...................................................................................................14 1.5.6. Đèn chiếu sáng.............................................................................................14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN ..........................................................16 2.1.Thiết kế chế tạo máy phát điện gió ...................................................................16 2.1.1. Các công thức tính toán các số liệu chính của động cơ ...........................16 2.1.2. Dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí ...........................................17 2.1.3. Kích thước Rotor ........................................................................................18
2.1.3.Tính toán mạch từ .......................................................................................19 2.1.4.Tổng kết các số liệu thiết kế ........................................................................21 Chương 3: THIẾT KẾ CÁNH QUẠT .......................................................................22 3.1. Tính toán xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng. ...............22 3.1.1. Dạng cánh Giromill ....................................................................................22 3.1.2. Dạng cánh Lenz2.........................................................................................24 3.2.Tính toán thiết kế thông số cánh tuabin: .........................................................25 3.2.1.Lưu đồ thiết kế máy phát điện gió công suất nhỏ: ...................................25 3.2.2.Thiết kế thông số cụ thể tuabin gió: ...........................................................26 3.2.3.Các thiết bị phụ trong tuabin gió: .....................................................................27 3.2.4.Động lực học cánh gió tuabin. ....................................................................27 3.2.5.Tính công suất hệ thống cho turbin 3 cánh: ..............................................32 3.3.Lựa chọn pin năng lượng mặt trời .......................................................................33 Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG. .......................................................................................................................................35 4.1.Nghiên cứu mạch điện MPP, “Maximum Power Point”, để thu được công suất lớn nhất tại mọi thời điểm khi vận tốc gió thay đổi. .....................................35 4.1.1.Giới thiệu: .....................................................................................................35 4.1.2.Mạch biến đổi điện áp DC/DC: ..................................................................36 4.1.3.Lý thuyết MPPT: .........................................................................................38 4.1.4.Giải thuật MPPT: ........................................................................................41 4.2.Thi công chế tạo bộ biến đổi điện áp dc/dc sử dụng giải thuật MPPT: ........43 4.4.Thiết kế hệ thống hybrid: ..................................................................................45 Chương 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG .........................................................50 5.1. Thực ngiệm dạng cánh: .................................................................................50 5.2.Lắp đặt và vị trí lắp đặt: ................................................................................51 5.3.Các thông số đo được .....................................................................................51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................53 1. Kết luận..............................................................................................................53 2. Kiến nghị............................................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................54
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Ngoài lượng điện lưới thông thường thì năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng tái tạo mà Thế giới và Việt Nam đang quan tâm. Hiện nay, năng lượng gió, và năng lượng mặt trời đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng này trong tương lai, chúng ta cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển động năng của gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và cạnh tranh được với những nguồn năng lượng khác. Hệ thống sử dụng tuabin gió trục đứng đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay do hệ thống này khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trục ngang như là kết cấu nhỏ gọn; điều khiển công suất cho tải một cách độc lập; điều khiển góc mở của cánh gió theo hướng gió và theo cường độ gió. Như ta đã biết nhược điểm lớn nhất của tuabin gió trục đứng là khi quay nếu các cánh gió đều mở thì một bên có tác dụng hứng gió làm tuabin quay, bên còn lại cản gió làm giảm tốc độ quay của tuabin. Một số nghiên cứu gần đây khắc phục nhược điểm đó bằng cách điều khiển góc mở cánh gió thông qua việc thiết kế hình dáng động học của cánh gió hoặc dùng phương pháp che gió không cho tác động vào cánh gió ở nửa cản gió của tuabin đối với loại có công suất nhỏ hoặc sử dụng một số cách điều khiển cơ khí như sử dụng kết cấu cam đối với loại có công suất lớn mà chưa quan tâm đến điều khiển góc mở của cánh sử dụng các bộ điều khiển bằng điện kết hợp với kết cấu cơ khí để điều khiển công suất khi hướng gió cũng như cường độ gió thay đổi. Để phát huy các ưu điểm của hệ thống tuabin gió trục đứng là điều khiển được công suất cho tải phù hợp với cường độ gió ta phải có sự kết hợp giữa điều khiển điện và cơ. Đó chính là lĩnh vực nghiên cứu của cơ điện tử và cũng là hướng mà đề tài cần nghiên cứu. Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nói chung và phát triển ngành tự động hoá nói riêng, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Công nghệ TP. HCM, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, phòng đào tạo Sau Đại học và PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Thiết kế hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng
2 lượng mặt trời”. 2. Mục đích của đề tài Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch ở hiện tại và trong tương lai. Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải có các thiết bị chuyển đổi với các bộ điều khiển hợp lý. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng hệ thống hybrid kết hợp hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho hệ thống đèn chiếu sáng công cộng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Hệ thống cánh gió của tuabin trục đứng. - Khảo sát các thông số của mô hình tuabin trục đứng. - Thiết kế chế tạo động cơ máy phát điện. - Lựa chọn pin năng lượng mặt trời phù hợp với đề tài. - Thực nghiệm đề tài. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tính toán thiết kế chế tạo máy phát điện không đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu. - Nghiên cứu thiết kế dạng cánh, chọn dạng cánh phù hợp với đề tài. - Tính toán thiết kế mạch điều khiển và mạch hybrid. - Lựa chọn pin năng lượng mặt trời . - Hoàn thiện hệ thống, thực nghiệm lấy kết quả. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đây là một hướng nghiên cứu mới có rất nhiều người đang quan tâm, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào hoàn chỉnh về vấn đề này. Từ đây cho thấy hướng phát triển đề tài của tác giả là rất cấp thiết trong hoàn cảnh hiện nay. - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài đưa ra một phương án kết hợp hai nguồn năng lượng tái tạo mà Việt Nam đang quan quan tâm trong việc sử dụng nguồn năng lượng sạch cho hiện tại và trong tương lai. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn được chia thành 5 chương: Chương 1: Tổng quan
3 Chương 2: Thiết kế máy phát điện. Chương 3:Thiết kế hệ thống gió: Hệ thống cánh quạt, tuabin, lựa chọn pin năng lượng mặt trời Chương 4: Mạch điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng. Chương 5: Thực nghiệm kiểm chứng. Các kết luận và kiến nghị.
4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 1.1. Các hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, hybird và các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trong nước và trên thế giới . 1.1.1. Hệ thống chiếu sáng thông thường. Hiện nay hệ thống chiếu sáng thông thường sử dụng hệ thống đèn sử dụng năng lượng từ nguồn điện lưới quốc gia bao gồm các loại đèn như bóng hiệu suất thấp heli, metan, bóng hiệu suất cao như sodium, bóng led… Hình 1.1 : Đèn chiếu sáng hiệu suất cao HPS onyx 2 Các loại bóng được sử dụng cho các loại đèn này 100W,150W, 250W, 400W do đó để chiếu sáng cho một 1Km đường với bề rộng mặt đường 8m đảm bảo độ chiếu sáng 2700lm thì chúng ta phải cần đến 35 bộ đèn 250W Nhằm tiết giảm điện năng hiện nay một số các công ty cho ra dời một thế hệ đèn mới, đó là đèn chiếu sáng sử dụng 2 công xuất điện áp Điện nguồn :220V. Công suất :150W/250W Quang thông :3200Lumen(Lm) Thời gian sử dụng :24.000 giờ Đường kính bóng :48mm 1.1.2. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. Cùng với việc muốn phát triển một nguồn năng lượng xanh, năng lượng tái tạo các nhà thiết kế chế tạo cho ra đời đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. Với nguồn
5 điện chính được lấy từ pin năng lượng mặt trời sau đó qua bộ điều khiển (Maximum Power Point Tracking – MPPT) nạp trực tiếp vào bình accu từ đây nguồn điện được đưa các thiết bị nắn nguồn và đưa ra tải (đèn chiếu sáng) do công xuất của những tấm pin thường nhỏ nên các nhà thiết kế thường sử dụng hệ thống đèn led để chiếu sáng. Hình 1.2 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời 1.1.3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng hybrid gió và năng lượng mặt trời. Cùng với việc sử dụng năng lượng xanh và năng lượng mặt trời thì năng lượng gió cũng là một trong những nguồn năng lượng đang được triển khai mạnh trên toàn Thế giới. Ở Việt Nam đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng gió chỉ mới được áp dụng thử nghiệm tại những cung đường nhỏ, các hải đảo. Chính vì lẽ đó đề tài này tôi đã kết hợp hai nguồn năng lượng được lấy từ tuabin gió và pin năng lượng mặt trời. Sự kết hợp của hai nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời thông qua bộ điều khiển. Điện áp được lấy từ tuabin gió trong đề tài là nguồn điện 18VAC 3 pha, sau khi qua thiết bị hạ áp và chỉnh lưu để ra được điện áp 12VDC. Điện áp DC của pin năng lượng mặt trời kết hợp cùng điện áp DC của tuabin gió sau khi chuyển đổi được nạp vào bình ác quy, chuyển qua bộ nghịch lưu để chuyển từ điện áp DC sang AC, từ đây nguồn điện thông qua bộ INVESTOR biến đổi điện áp từ 12VAC lên điện áp 220 VAC cung cấp cho hệ thống chiếu sáng.
6 Hệ thống chiếu sáng Hệ thống chiếu sáng Hybrid trục ngang Hybrid trục đứng Hình 1.3 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng hybrid Đèn được tích hợp 2 tính năng ưu điểm của pin năng lượng mặt và tuabin gió. Ban ngày cùng với việc tích hợp nguồn điện do pin năng lượng cung cấp thiết bị còn được nhận nguồn điện từ tua bin gió, vào ban đêm khi đèn được bật sáng, thì thiết bị vận hành được nhận nguồn điện từ hệ thống tua bin gió. 1.1.4. Các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trong nước và trên thế giới. 1.1.4.1. Các công trình đã nghiên cứu về “Hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” trên thế giới. Qua khảo sát một số các công trình nghiên cứu về đề tài hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời của một số các trường đại học tại một số các quốc gia như: - Đề tài “Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar–wind system with LPSP technology by using genetic algorithm” thuộc khoa Xây dựng Dịch vụ Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hồng Kông - Đề tài “Design and Implementation of a Domestic Solar-Wind Hybrid Energy System” Đại học Zonguldak Karaelmas, Khoa Kỹ thuật, Khoa Điện và Điện tử, 67.100 Zonguldak, Thổ Nhĩ Kỳ - Đề tài “design of a stand alone hybrid photovoltaic wind generating system with battery storage” Khoa Kỹ thuật, Khoa Điện và Điện tử, 67.100 Zonguldak, Thổ Nhĩ Kỳ.
7 1.1.4.2. Các công trình đã nghiên cứu về hệ thống chiếu sáng hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời” tại việt Nam. Ở trong nước qua khảo sát và tra cứu trên các trang mạng và thư viện tại một số trường đại học có uy tín. Tác giả nhận thấy trong nước hiện nay các các đề tài chỉ nghiên cứu trên một khía cạnh gió hoặc năng lượng mặt trời. Tác giả chưa tìm thấy đề tài nghiên cứu về hệ thống hybrid năng lượng gió và năng lượng mặt trời. 1.2. Các dạng máy phát điện gió. 1.2.1. Máy phát điện gió hiện nay trên thế giới được chia thành hai loại cơ bản chính như sau:  Trục ngang (Horizontal Axis Wind Tuabine – HAWT) đây là loại truyền thống hiện đang thịnh hành nhiều nơi trên thế giới. HAWT có roto kiểu chong chóng với trục chính máy phát nằm ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế nghiên cứu cho thấy với loại tuabin này thì 3 cánh là có hiệu quả cao nhất. để HAWT hoạt động tốt thì các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, vì vậy phải yêu cầu có một hệ thống điều chỉnh bằng cơ khí để đảm bảo cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió.  Trục đứng (Vertical Axis Wind Tuabine – VAWT) đây là loại công nghệ mới có lợi điểm là cánh quạt luôn quay ổn định với mọi chiều gió. Dạng cánh Savonius Dạng cánh Modem Dạng cánh Giromill Hình 1.4: Mô hình cánh cho máy phát trục ngang và trục đứng 1.2.2. So sánh tuabin trục đứng và trục ngang: Đã có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói từ khi phát minh ra các bộ chuyển đổi năng lượng gió. Các chuyên gia đã đưa ra nhiều quan điểm khác
8 nhau. Dennis G.Shepherd đã so sánh hai loại tuabine này một cách toàn diện, ông đã đưa ra những ưu và nhược điểm tương đối của hai loại tuabine này như sau: 1.2.2.1. Ưu điểm của VAWT so với HAWT: Tuabine gió trục đứng truyền thống là một cỗ máy không hướng. Nghĩa là VAWT hoạt động mà không phụ thuộc vào hướng gió. Như vậy hệ thống xoay gió phức tạp của HAWT sẽ không cần thiết ở VAWT. VAWT được đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT phải được đưa lên tháp cao. Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt dưới đất thì việc lắp đặt bảo trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng. Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao của HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với loại trục đứng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh. Về phương diện này, các tuabine gió trục đứng được coi như thân thiện với môi trường hơn so với trục ngang. Các cánh quạt của VAWT không bị phải chịu áp lực khi xoay. Cánh của VAWT rẻ và bền cao hơn so với HAWT. VAWT được thiết kế sao cho tải ly tâm được cân bằng bởi các lực trên cánh quạt, như vậy tránh được moment uốn. 1.2.2.2. Hạn chế của VAWT so với HAWT: VAWT được đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và thay đổi liên tục. Với cùng một diện tích quét và trọng lượng thì công suất ngõ ra của VAWT thấp hơn HAWT. Toàn bộ trọng lượng VAWT được đặt lên bộ đệm đỡ phía dưới, bộ đệm này rất cứng, linh hoạt và có độ tin cậy cao khi vận hành. Tuy nhiên khi bộ đệm này hư hỏng, thì đòi hỏi phải tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế. Đối với VAWT, moment quay và công suất ngõ ra thay đổi thất thường một cách tuần hoàn khi cánh quạt đi vào và ra khỏi vùng tác động của gió trong mỗi vòng quay, trong khi ở HAWT moment quay và công suất ngõ ra khá ổn định. Do moment quay của VAWT thay đổi tuần hoàn, nên tạo ra nhiều tần số dao động tự nhiên. Điều này rất nguy hiểm và cần phải được loại bỏ nhanh chóng bởi bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng hưởng sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho roto. Trong khi đó một HAWT nếu được thiết kế kỹ lưỡng sẽ không có những vấn đề rung động như vậy.
9 Sự phát triển mang tính cạnh tranh và những gì làm được của tuabine trục ngang sẽ bị hạn chế trong tương lai, phần lớn là do tải trọng của những cánh quạt ngày càng lớn. Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nhưng tuabine trục đứng không chịu áp lức nhiều từ tải trọng của nó, điều làm giới hạn kích thước của tuabine trục ngang. 1.2.2.3. Kết luận: Tuabine trục ngang và trục đứng như trên đã phân tích đều có ưu và nhược điểm nhất định. Loại trục ngang có hiệu suất cao hơn nhưng chi phí cũng lớn, hệ thống khá phức tạp và chỉ hoạt động tốt khi vận tốc gió lớn. Trong khi loại trục đứng có hạn chế là hiệu suất thấp nhưng bù lại dễ thiết kế, bảo dưỡng và giá thành thấp, đồng thời hoạt động tốt trong điều kiện gió thấp, chiều gió thay đổi liên tục. Việc chọn mô hình trục đứng hay trục ngang khi thiết kế sẽ phụ thuộc vào điều kiện gió tại nơi đó và các tiêu chí thiết kế, các tiêu chí này sẽ được đưa vào bảng phân tích nhân tố và tùy vào nhu cầu người dùng ở từng quốc gia mà các tiêu chí sẽ có trọng số khác nhau, tiêu chí nào có trọng số lớn nhất sẽ được chọn để thiết kế. Theo đề tài này tôi đưa ra 7 tiêu chí sau, để đánh giá nhu cầu sử dụng:  Giá thành thấp.  Được thiết kế dễ dàng và sản xuất với số lượng lớn.  Hiệu suất cao.  Ít duy tu bảo quản.  Bền.  Hoạt động có hiệu quả ở các điều kiện gió không lý tưởng, gió quẩn.  Lắp đặt dễ dàng. Kết quả cho thấy tiêu chí hiệu suất cao, giá thành thấp có trọng số lớn nhất và đã được chọn làm tiêu chí thiết kế để phù hợp với máy phát điện gió công suất nhỏ. Như vậy, nó đánh giá đúng cho điều kiện gió ở Việt Nam, khoảng 4m/s và đặc biệt cho đề tài nghiên cứu này. Với nghiên cứu máy phát điện gió của đề tài này được xây dựng với điều kiện vận tốc gió thấp tại các vùng nông thôn ở Việt Nam, cần phải được làm việc hiệu suất cao mà giá thành thấp cũng như đảm bảo được hết các yêu cầu còn lại. Những tiêu chí này hoàn toàn phù hợp với mô hình trục đứng. Trong quá trình chọn dạng cánh để làm đề tài tôi đã chọn kiểu dáng cánh Lenz2 với nhiều ưu điểm, kiểu dáng cánh Lenz2 này dễ dàng trong thiết kế chế tạo và thi công so với các dạng cánh khác.
10 Hình 1.5: Kiểu cánh dạng Lenz2 cải tiến từ dạng cánh Sovonious và Darrieus 1.3. MỘT THÍ DỤ VỀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ GIÓ TRONG NĂM Qua liên hệ với trạm khí tượng thủy văn Bà Rịa Vũng Tàu, Đồng Nai tôi được cung cấp bản sơ đồ vận tốc gió của năm 2012 như sau: Bảng 1.1: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của Long Hải và Phước Tỉnh thuộc Bà Rịa -Vũng Tàu Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Long Hải 5.84 5.11 7.29 6.57 6.03 6.10 11.63 9.50 11.45 8.06 6.57 7.29 Phước Tỉnh 6.23 5.71 7.84 7.00 6.61 6.80 12.16 10.03 12.1 8.58 6.90 6.16 Bảng 1.2 Tốc độ và hướng gió khu vực giai đoạn 2001-2011 Ghi chú: Nguồn từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam bộ. Số liệu Trạm Khí tượng Đồng Nai. S: Nam N: Bắc W: Tây E: Đông H: Hướng
11 Bảng 2: Tốc độ gió trung bình (m/s) các tháng trong năm của tỉnh Đồng Nai Với kết quả trên cho ta thấy việc ứng dụng năng lượng gió ở ba địa phương Long Hải và Phước Tỉnh, Đồng Nai trên là khả thi. Với các trạm điện gió cỡ nhỏ và vừa có tốc độ bắt đầu hoạt động trong khoảng từ 3- 5 m/s , khả năng ứng dụng cao 1.4. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Hiện tại nước ta đang xảy ra hiện tượng thiếu điện ở mùa khô, do đó việc phủ lưới điện quốc gia tới những khu vực thưa dân cư như khu vực ven biển, miền núi, hải đảo là chưa thể trong nhiều năm tới. Việc ứng dụng năng lượng gió công suất nhỏ tỏ ra phù hợp với những vùng có điều kiện thời tiết đầy tiềm năng này. Đây chính là một lý do được các nhà khoa học Việt Nam theo đuổi. Thông thường những vùng sử dụng năng lượng gió công suất nhỏ là những vùng có thu nhập thấp vì vậy chúng ta phải tìm ra phương án khả thi về chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì cho những trạm phát điện như thế này. Vì theo kinh nhiệm và thông tin thì hầu như những trạm điện nhỏ lẻ chế tạo do những nhóm nghiên cứu của Việt Nam thì ngưng vận hành trong thời gian rất ngắn sau khi nghiệm thu. Vì những vùng này thường có bão và dao động về khí hậu rất lớn trong khi việc nghiên cứu chuyên sâu để có được những thiết bị như máy phát, vv … chịu được những tình huống này không được xem xét đến trong dự án có thể là do kinh phí dự án và nhiều yếu tố khác. Thông qua dự án nghiên cứu chế tạo máy phát năng lượng gió tầm thấp này chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu những phần nào chúng ta có thể còn lại những thiết bị nào cần thiết chúng ta vẫn phải phụ thuộc vào những đơn vị ngiên cứu chuyên nghiệp và tìm ra phương án thi công cũng như những nguyên vật liệu có sẵn tại Việt Nam để giảm giá đến mức thấp nhất cho người sử dụng. Với công suất thiết kế 300W, máy phát điện gió này cũng đủ cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng riêng lẻ phục vụ cho khu vực miền núi và hải đảo. Mục tiêu chính của dự án là:  Thiết kế chế tạo máy phát điện gió tầm thấp  Nghiên cứu và thiết kế dạng cánh chịu được sự thay đổi lớn  Tìm hiểu một số dạng trụ có sẵn như trụ điện, trụ tháp anten của các đơn vị đã thiết kế sẵn để giảm chi phí đầu tư  Thiết kế pin năng lượng mặt trời tương ứng phù hợp cho chiếu sáng  Thiết kế mạch để có thể sử dụng được hai nguồn điện áp  Thiết kế mạch biến đổi DC-24 /AC -220, sử dụng thiết bị chiếu sáng