Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió phù hợp với qui mô hộ gia đình

Chia sẻ: Xedapbietbay Xedapbietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió với công suất nhỏ có giá thành phù hợp, khả năng làm việc ổn định và đáp ứng một số phụ tải của hộ gia đình. Khảo sát, đánh giá tình hình sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió và năng lượng mặt trời tại Việt Nam nói chung và Quảng Ngãi nói riêng. Tính toán, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió với công suất 400W.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió phù hợp với qui mô hộ gia đình

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS. Khương Anh Sơn. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả và cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn, chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Thừa Thiên Huế, ngày18 tháng 8 năm 2017 Tác giả Luận văn Nguyễn Quốc Sếch PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Huế - Đại học Huế các thầy cô giáo phòng Đào tạo sau đại học, toàn thể các thầy cô giáo khoa Cơ khí - Công nghệ đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Khương Anh Sơn đã dành nhiều thời gian tâm huyết, trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh luận văn Thạc sĩ chuyên nghành Kỹ thuật Cơ khí và Cơ kỹ thuật. Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình, vợ, con và bạn bè đã luôn đồng hành, động viên, khích lệ, sẻ chia và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn. Thừa Thiên Huế, ngày 18 tháng 8 năm 2017 Tác giả Luận văn Nguyễn Quốc Sếch PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii TÓM TẮT Lý do chọn đề tài Sử dụng năng lượng là một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Tuy nhiên khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không thể cung cấp đủ nhu cầu của con người trong tương lai không xa. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió hay năng lượng mặt trời nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Hiện nay, nguồn năng lượng sạch bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối… khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ra các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian.Năng lượng mặt trời cũng là một nguồn năng lượng tái tạo vô hạn tuy nhiên nguồn năng lượng này lại không phát huy được trong những ngày thiếu nắng. Do đó, vấn đề đặt ra hiện nay là thiết kế và chế tạo hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió có công suất nhỏ với giá thành phù hợp để bổ sung thêm nguồn điện cho những nông trang cũng như hộ gia đình tại Quảng Ngãi. Đây là lý do tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió phù hợp với qui mô hộ gia đình” để nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu - Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió với công suất nhỏ có giá thành phù hợp, khả năng làm việc ổn định và đáp ứng một số phụ tải của hộ gia đình. - Khảo sát, đánh giá tình hình sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió và năng lượng mặt trời tại Việt Nam nói chung và Quảng Ngãi nói riêng. - Tính toán, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió với công suất 400W. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv - Tính toán, thiết kế bộ bộ điều khiển dàn pin mặt trời theo hướng nắng (theo dõi điểm làm việc cực đại của pin năng lượng mặt trời). - Chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W có khả năng làm việc ổn định. Đối tượng nghiên cứu - Điều kiện khí tượng tỉnh Quảng Ngãi. - Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất nhỏ. - Tua bin năng lượng gió có công suất nhỏ. - Hệ thống giá điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời. - Bộ điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời. Phạm vi nghiên cứu - Thiết kế, chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W phù hợp với hộ gia đình. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết - Phương pháp chuyên gia - Phương pháp tính toán và phân tích Nội dung và kết quả nghiên cứu - Đánh giá về tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió. - Tính toán, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W. - Chế tạo hệ thống điện năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió công suất 400W. - Tính toán, thiết kế bộ điều khiển tấm pin mặt trời theo hướng nắng. - Khảo nghiệm khả năng làm việc, đánh giá các thông số kinh tế - kỹ thuật của hệ thống. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii TÓM TẮT...................................................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................................... v DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................... 1 2. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................... 1 2.1. Mục tiêu chung ......................................................................................................... 1 2.2. Mục tiêu cụ thể ......................................................................................................... 1 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 2 3.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 2 3.3. Những điểm mới của đề tài ...................................................................................... 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 3 1.1. Năng lượng mặt trời và tiềm năng phát triển ........................................................... 3 1.1.1. Khái niệm về năng lượng mặt trời ......................................................................... 3 1.1.2. Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời ........................................................... 3 1.1.3. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời ................................................................. 3 1.1.4. Tình hình sử dụng NLMT trên thế giới và ở Việt Nam ........................................ 4 1.1.5. Khái quát về pin NLMT ........................................................................................ 6 1.2. Năng lượng gió ở Việt Nam và tiềm năng phát triển ............................................ 13 1.2.1. Năng lượng gió ở Việt Nam ................................................................................ 13 1.2.2. Tiềm năng phát triển NL gió công suất nhỏ tại Việt Nam .................................. 15 1.2.3. Tổng quan về hệ thống chuyển đổi NL gió ......................................................... 17 1.2.4. Tổng quan về các kiểu tua bin gió ....................................................................... 18 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi 1.3. Các hệ thống điện kết hợp các nguồn NL .............................................................. 19 1.3.1. Sơ đồ đấu nối hệ kết hợp ..................................................................................... 20 1.3.2.Tổng quan về kết nối tua bin gió và NLMT trong lưới điện công suất nhỏ ......... 22 1.3.3. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió trên thế giới và trong nước từ trước đến nay. ................................................................ 22 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................................................... 25 2.1. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu............................................................................... 25 2.1.1. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 25 2.1.2. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 25 2.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 25 2.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 25 2.3.1. Phương pháp điều tra thu thập số liệu ................................................................. 25 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ...................................................................... 25 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 26 2.3.4. Phương pháp chuyên gia ..................................................................................... 26 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................... 27 VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................. 27 3.1. Năng lượng gió và công suất tua bin ...................................................................... 27 3.1.1. Năng lượng gió .................................................................................................... 27 3.1.2. Hiệu suất tua bin gió ............................................................................................ 29 3.1.3. Đường cong hiệu suất tua bin gió ........................................................................ 32 3.1.4. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....................................................... 34 3.2. Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT ................................................... 37 3.2.1. Phương trình tương đương của pin NLMT ......................................................... 38 3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT ................................................................. 38 3.2.3. Phương trình tương đương của pin NLMT ......................................................... 39 3.3. Ắc quy lưu trữ NL .................................................................................................. 41 3.3.1.Ắc quy axít chì ...................................................................................................... 41 3.3.2. Quá trình nạp và xả của pin axít – chì ................................................................. 42 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................... 43 4.1. Đặc điểm địa bàn nghiên cứu ................................................................................. 43 4.1.1. Vị trí địa lý địa lý tỉnh Quảng Ngãi ..................................................................... 43 4.1.2. Điều kiện khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Ngãi .................................................. 43 4.2. Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT kết hợp điện gió ............... 45 4.2.1. Tính tổng lượng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị trong ngày ................ 45 4.2.2. Tính số điện năng các tấm PMT phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày ............... 45 4.2.3. Tính toán công suất tấm PMT cần sử dụng ......................................................... 46 4.2.4.Tính toán công suất tua bin gió có công suất nhỏ ................................................ 46 4.2.5. Tính toán dung lượng AQ ................................................................................... 48 4.2.6. Tính toán bộ điều khiển nạp AQ ......................................................................... 48 4.2.7. Tính toán bộ đổi nguồn điện ................................................................................ 49 4.2.8. Tính toán hệ thống ĐMT kết hợp điện gió cho các hộ dân ở tại nông thôn tỉnh Quảng Ngãi .................................................................................................................... 49 4.3. Thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió .................................. 54 4.3.1. Thiết kế hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió ............................................. 54 4.3.2. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc nghiêng của tấm PMT theo hướng nắng ............................................................................................................................... 54 4.3.3. Thiết kế, chế tạo mô đun phát điện gió ............................................................... 62 4.3.4. Hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió .......................................................... 63 4.3.5. Tính sơ bộ hiệu quả kinh tế của hệ thống ............................................................ 63 4.4. Thí nghiệm khảo sát giá trị của hệ thống ............................................................... 64 4.4.1 Dụng cụ thí nghiệm .............................................................................................. 64 4.4.2 Bố trí thí nghiệm và kết quả đo ............................................................................ 66 4.4.3. Nhận xét ............................................................................................................... 72 4.5. Nhận xét chung ....................................................................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 74 Kết luận.......................................................................................................................... 74 Kiến nghị ....................................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 75 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải nghĩa AQ Ắc quy PAQ Dung lượng ắc quy ĐMT Điện mặt trời HAWT Tuabin gió trục ngang MPĐ Máy phát điện diezen NL Năng lượng NLMT Năng lượng mặt trời NLTT Năng lượng tái tạo PMSG Máy phát điện nam châm vĩnh cửu PMT Pin mặt trời VAWT Tuabin gió trục đứng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1. Số giờ nắng các tháng trong năm (h) ............................................................ 43 Bảng 4.2. Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện của ngôi nhà ........................................... 49 Bảng 4.3. Bảng tham số định mức của PMT 200W của hãng solarcity ........................ 50 Bảng 4.4.Bảng thông số kỹ thuật động cơ gió công suất 300W của hãng Solarcity..... 51 Bảng 4.5. Bảng thông số kỹ thuật của bộ điều khiển sạcWS-WSC 300 ....................... 53 Bảng 4.6. Chi phí chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió .................................. 63 Bảng 4.7. Thông số khảo sát tua bin gió ....................................................................... 67 Bảng 4.8. Thông số khảo sát dàn pin cố định và dàn pin tự xoay ................................. 69 Bảng 4.9. Kết quả khảo nghiệm các giá trị của hệ thống pin NLMT kết hợp NL gió .. 71 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ ............................................................... 4 Hình 1.2. Các tấm pin silicon tại trạm điện mặt trời nổi Kasai Nhật Bản ....................... 5 Hình 1.3. Hệ thống các cột đèn điện sử dụng điện Mặt Trời .......................................... 6 Hình 1.4. Hệ thống ĐMT trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương ở Hà Nội ......................... 6 Hình 1.5. Hệ 2 mức năng lượng ...................................................................................... 7 Hình 1.6. Các vùng năng lượng của điện tử .................................................................... 7 Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của PMT ........................................................................ 8 Hình 1.8. Quan hệ giữa hiệu suất và năng lượng hữu ích của chất bán dẫn Si ............... 9 Hình 1.9. Pin mặt trời .................................................................................................... 10 Hình 1.10. Quá trình tạo mô đun pin mặt trời .............................................................. 11 Hình 1.11. Cấu tạo mô đun PMT ................................................................................. 11 Hình 1.12. Tốc độ gió trung bình hàng năm ở độ cao 10m ........................................... 13 Hình 1.13. Tua bin gió công suất 1kW tại HUE Riverside ........................................... 15 Hình 1.14. Đồ thị so sánh NL gió thu được hàng năm .................................................. 16 Hình 1.15. Hệ thống chuyển đổi NL gió ....................................................................... 17 Hình 1.16. Cấu tạo tua bin trục đứng và trục ngang...................................................... 19 Hình 1.17. Hệ kết hợp thanh góp DC chỉ có phụ tải DC ............................................... 20 Hình 1.18. Hệ kết hợp thanh góp DC mở rộng: phụ tải DC và AC kết hợp ................. 21 Hình 1.19. Hệ kết hợp thanh góp AC ........................................................................... 21 Hình 1.20. Mô hình PG-SWL-001 ................................................................................ 22 Hình 1.21. Hệ thống lai PG-SWL-004 .......................................................................... 22 Hình 1.22. Hệ thống điện kết hợp NLMT và gió tại ga Nha Trang .............................. 23 Hình 1.23. Hệ thống chiếu sáng tại phường Trảng Dài ................................................. 24 Hình 3.1. Năng lượng của khối không khí có diện tích mặt cắt ngang A ..................... 27 Hình 3.2. Biểu diễn luồng không khí qua một tua bin gió lý tưởng .............................. 28 Hình 3.3. Góc pictch của cánh quạt gió......................................................................... 30 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
xi Hình 3.4. Giới hạn của hiệu suất rô to ........................................................................... 31 Hình 3.5. Đường cong hiệu suất rô to CP(λ,β)............................................................... 32 Hình 3.6. Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tua bin ...................... 33 Hình 3.7. Đường công suất lý tưởng của tua bin gió .................................................... 34 Hình 3.8. Mô hình mạch điện tương đương trong hệ tọa độ dq của PMSG ................. 36 Hình 3.9. Mạch điện tương đương của pin NLMT ....................................................... 37 Hình 3.10. Mô hình PMT lý tưởng ................................................................................ 39 Hình 3.11. Mô đun PMT ............................................................................................... 39 Hình 3.12. Đặc tuyến I –V với các bức xạ khác nhau ................................................... 40 Hình 3.13. Đặc tuyến P – V với các bức xạ khác nhau ................................................. 40 Hình 3.14. Cấu hình một ắc quy axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện ............................ 41 Hình 3.15. Mạch tương đương của ắc quy .................................................................... 42 Hình 4.1. Hoa gió tại Quảng Ngãi ................................................................................. 44 Hình 4.2. Hướng gió chính tại Quảng Ngãi .................................................................. 45 Hình 4.3. Hình chiếu bằng của tua bin gió khi có xương cánh ..................................... 47 Hình 4.4. Ắc quy a xít – chì Đồng Nai 12V - 70Ah ...................................................... 52 Hình 4.5. Bộ điều khiển sạc của hãng Solarcity WS-WSC 300 có dòng 30A/12 V ..... 52 Hình 4.6. Bộ đổi điện 12V – 220V-50hz, 300W ........................................................... 53 Hình 4.7. Mô hình hệ thống điện NLMT kết hợp với NL gió....................................... 54 Hình 4.8. Mô hình mô đun pin NLMT .......................................................................... 55 Hình 4.9. Mô đun pin NLMT ........................................................................................ 55 Hình 4.10. Cụm điều khiển dàn xoay pin NLMT ......................................................... 56 Hình 4.11. Gối đỡ trục xoay tấm pin NLMT phương Đông – Tây và gỗi đỡ tấm pin NLMT phương Bắc – Nam ........................................................................................... 56 Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển pin NLMT ............................................. 57 Hình 4.13. Sơ đồ board mạch đồng ............................................................................... 58 Hình 4.14. Sơ đồ bố trí linh kiện ................................................................................... 58 Hình 4.15. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn ................................................................ 60 Hình 4.16. Sơ board mạch cấp nguồn ........................................................................... 60 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
xii Hình 4.17. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch cấp nguồn ....................................................... 61 Hình 4.18. Cảm biến dò góc ánh sáng ........................................................................... 61 Hình 4.19. Mô hình mô đun phát điện gió .................................................................... 62 Hình 4.20. Mô đun phát điện gió ................................................................................... 62 Hình 4.21. Hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió......................................................... 63 Hình 4.22.Thiết bị đo vi khí hậu EN150 ....................................................................... 64 Hình 4.23. Mô hình thí nghiệm đo công suất tua bin gió .............................................. 67 Hình 4.24. Đồ thị đường đặc tính công suất tua bin gió 300W ..................................... 68 Hình 4.25. Mô hình thí nghiệm đo công suất của dàn pin NLMT xoay 1 trục ............. 68 Hình 4.26. Mô hình thí nghiệm đo công suất của dàn pin NLMT cố định ................... 69 Hình 4.27. Bức xạ mặt trời trong ngày tại Quảng Ngãi ................................................ 70 Hình 4.28. Đồ thị so sánh điện áp thu được giữa dàn xoay một trục và dàn cố định tại Quảng Ngãi .................................................................................................................... 70 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Sử dụng năng lượng (NL) là một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Tuy nhiên, khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không thể cung cấp đủ nhu cầu của con người trong tương lai không xa. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng NL cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo (NLTT) còn gọi là NL phi truyền thống nói chung, NL gió hay năng lượng mặt trời (NLMT) nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi. Hiện nay, nguồn NL lượng sạch bao gồm: NL gió, NLMT, NL địa nhiệt, NL sinh khối,… khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn NL hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ra các nguồn NL sạch, chủ yếu dựa trên NLMT và NL gió. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là: NLMT cũng là một nguồn NL tái tạo vô hạn, nhưng lại không phát huy được trong những ngày thiếu nắng. NL gió thường không ổn định và mang tính chu kỳ, phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian. Do vậy, nếu ta kết hợp được hai loại NL này sẽ tạo ra cho chúng ta nguồn điện ổn định cả năm. Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đã có những nghiên cứu về việc kết hợp 2 nguồn NL này, để đáp ứng cho các phụ tải ở các vị trí địa lý và kết cấu khác nhau. Do đó, vấn đề đặt ra hiện nay là thiết kế và chế tạo hệ thống NLMT kết hợp với NL gió có công suất nhỏ có giá thành phù hợp để bổ sung thêm nguồn điện cho hộ gia đình tại Quảng Ngãi. Đây là lý do tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió phù hợp với qui mô hộ gia đình” để nghiên cứu. 2. Mục tiêu của đề tài 2.1. Mục tiêu chung Thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió với công suất 400W có giá thành phù hợp, khả năng làm việc ổn định, đáp ứng một số phụ tải của hộ gia đình tại địa bàn tỉnh Quảng Ngãi. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Khảo sát, đánh giá tình hình sử dụng NLTT đặc biệt là NL gió và NLMT tại Việt Nam nói chung và Quảng Ngãi nói riêng. - Tính toán, thiết kế hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió với công suất 400W. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
2 - Tính toán, lựa chọn, thiết kế và chế tạo cánh tua bin gió trục đứng. - Tính toán, thiết kế bộ điều khiển dàn pin mặt trời (PMT) theo hướng nắng (theo dõi điểm làm việc cực đại của pin NLMT). - Chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất 400W có khả năng làm việc ổn định. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần chung cho lý luận về thiết kế và chế tạo hệ thống NLMT kết hợp NL gió có công suất phù hợp với qui mô hộ gia đình. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài hướng đến việc tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống điện NLMT kết hợp NL gió công suất phù hợp với qui mô hộ gia đình. - Giúp cho các cán bộ kỹ thuật, người dân hiểu rõ được tính năng kỹ thuật của hệ thống, từ đó dễ dàng lựa chọn và vận hành, bảo dưỡng thiết bị. - Đề tài góp phần vào việc giảm biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường, giảm quá tải cho hệ thống điện quốc gia và các hộ gia đình chủ động hơn trong việc sử dụng điện sinh hoạt. 3.3. Những điểm mới của đề tài Việc sử dụng NLMT, NL gió độc lập để phát điện, cũng như sự kết hợp giữa NLMT kết hợp với NL gió trên thế giới và tại Việt Nam đã được thực hiện. Tuy nhiên, điểm mới của đề tài là sự kết hợp giữa NL gió và NLMT để phát điện với công suất tính toán từ 400W phục vụ cho hộ gia đình, trong đó: 1. Tính toán, lựa chọn, thiết kế và chế tạo cánh tua bin gió trục đứng. 2. Tính toán, thiết kế bộ bộ điều khiển dàn PMTtheo hướng nắng nhằm đạt được hiệu quả tiếp nhận NLMT là cao nhất. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Năng lượng mặt trời và tiềm năng phát triển 1.1.1. Khái niệm về năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là NL của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng NL này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu lấy NL này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển NL các photon của mặt trời thành điện năng, như trong PMT. NL của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước nóng bằng NLMT, hoặc làm sôi nước trong các nhà máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt của hệ thống lạnh, máy điều hòa… 1.1.2. Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời Trong quá trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn NL lên hàng đầu. Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống của người dân ngày càng tăng cao nên nhu cầu sử dụng NL ngày càng tăng. Nguồn NL truyền thống đang sử dụng chủ yếu là dầu mỏ, than đá, khí ga. Nguồn NL hóa thạch này đang được khai thác và sử dụng mạnh mẽ nên đang cạn kiệt dần, dẫn đến mất an ninh NL ở nhiều quốc gia, khu vực và quốc tế;Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch quá mức đã phát thải khí nhà kính làm trái đất nóng lên gây ra biến đổi khí hậu đã tác động không nhỏ đến đời sống, môi trường của con người; Sự biến động giá cả của dầu mỏ trên thế giới đã tác động đến giá của nguồn cung NL.NL nguyên tử đem lại công suất lớn, nhưng giá thành đầu tư cao và tiềm tàng nhiều sự cố rò rỉ phóng xạ, nên một số quốc gia không đưa vào ưu tiên lựa chọn phát triển.Vì vậy, việc phát triển khai thác NLTT, đặc biệt là NLMT đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển. 1.1.3. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời Ngày nay, con người đã ứng dụng NLMT trong nhiều lĩnh vực như: Chiếu sáng và sinh hoạt: nấu ăn, sưởi ấm, đun bình nóng lạnh, sạc pin, ắc quy cho xe điện, chưng cất nước uống từ nước biển và khử trùng, sấy nông sản – thực phẩm, tín hiệu đèn giao thông, bảng quảng cáo, cung cấp NL cho thuyền, máy bay, sân vận động…[5]. Hiện nay, người ta đã sử dụng 2 công nghệ để phát điện đó là: Công nghệ quang điện và Công nghệ hội tụ NLMT. Công nghệ NLMT có 2 hình thức hoạt động: thụ động và chủ động, tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối NLMT. Kỹ thuật NLMT chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm pin quang điện và các tấm thu nhiệt để khai thác NL. Còn kỹ thuật NLMT thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
4 mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời. 1.1.4. Tình hình sử dụng NLMT trên thế giới và ở Việt Nam 1.1.4.1. Tình hình phát triển NLMT trên thế giới Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó có các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Lý do của xu hướng trên là: Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT càng ngày càng giảm sâu; Vấn đề an ninh NL, NLTT là nguồn NL địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng tăng; Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Để cắt giảm một phần sự phát thải khí nhà kính các quốc gia cần khuyến khích sử dụng các nguồn NL sạch và các nguồn NLTT. Dưới đây là hình ảnh về các nhà máy ĐMT cho trên hình 1.1. Nhà máy ĐMT lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ. Nhà máy sử dụng công nghệ nhiệt mặt trời với gần 350.000 tấm thu NL trải dài trên diện tích 14,2 km2 . Hình 1.1. Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ Trạm điện tại Kasai (hình 1.2) lắp đặt 9.072 tấm pin NLMT, có tổng cộng chiều dài 333m, rộng 77m có tổng diện tích bề mặt hấp thụ ánh nắng 25.000 mét vuông. Các tấm pin silicon trên mặt nước, có diện tích nhỏ hơn so với các tấm pin mặt trời lắp đặt trên đất liền, sẽ được một mạng lưới làm từ sợi thủy tinh và chất dẻo siêu nhẹ nâng nổi trên mặt nước. Để cho tia sáng mặt trời luôn hội tụ trong các tấm silicon, tấm lưới PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
5 nâng được xoay dần dần theo sự di chuyển của mặt trời trong ngày nhờ một động cơ nhỏ điều khiển từ xa qua ăng ten. Hình 1.2. Các tấm pin silicon tại trạm điện mặt trời nổi Kasai Nhật Bản 1.1.4.2. Tình hình phát triển điện NLMT ở Việt Nam Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230 ÷ 250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 ÷ 5.000 giờ trên năm. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm. NLMT được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Công ty cổ phần giấy An Bình ứng dụng ĐMT: lắp đặt hệ thống đèn đường NLMT (hình 1.3) cho khuôn viên nhà xưởng của công ty, với số trụ sẵn có là 26 trụ, năm 2015 công ty đã nâng số trụ lên thành 51 trụ, phục vụ cho nhu cầu chiếu sáng trong công ty. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
6 Hình 1.3. Hệ thống các cột đèn điện sử dụng điện mặt trời Ở Hà Nội trên nóc tòa nhà Bộ Công thương đã lắp đặt hệ thống ĐMT có công suất 12 kWp gồm sản xuất 16.000 kWh/năm.Tổng diện tích lắp đặt là 100 m2 bao gồm 52 mô đun loại solarWorld SW 230 [20]. Hình 1.4. Hệ thống ĐMT trên nóc tòa nhà Bộ Công thương ở Hà Nội 1.1.5. Khái quát về pin NLMT Pin NLMTthường gọi làPMT hay pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi NL ánh sáng thành NL điện. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. 1.1.5.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên, cho đến năm 1883 một pin NL mới được PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
7 tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin NLMT đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Xét một hệ 2 mức NL điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức NL thấp hơn E1 (hình 1.5). Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có NL hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức NLE2. Ta có phương trình cân bằng NL: Hình 1.5. Hệ 2 mức năng lượng Hv = E2 – E1 Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức NL của nó bị tách ra nhiều mức sát nhau và tạo thành các vùng NL (hình 1.6). Vùng NL thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức NLEv. Vùng NL phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có NL là Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với NL là Eg, trong đó không có mức NL cho phép nào của điện tử [12]. Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có NL hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hình 1.6. Các vùng năng lượng của điện tử PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
8 Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình: Ev +hv  e- + h+ Điều kiện để điện tử có thể hấp thuNL của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/>= Ec – Ev. Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+: c  hc h 1,24  c  m Ec  Ev E g Eg Trong thực tế, các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng NL: điện tử e- giải phóng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-1giây và gây ra dao động mạnh (photon). NL bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg. Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ NL photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của PMT PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma