Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ, hướng tới giải pháp năng lượng bền vững.

• Tác giả: Võ Minh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời

Nghiên cứu mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời công suất nhỏ đang trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Việt Nam, với tiềm năng năng lượng gió và mặt trời phong phú, đặc biệt là tại tỉnh Bình Thuận, đang hướng tới việc khai thác hiệu quả hai nguồn năng lượng này. Mô hình lai giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Tiềm năng năng lượng gió và mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió và mặt trời, đặc biệt là ở các tỉnh ven biển như Bình Thuận. Theo các nghiên cứu, tốc độ gió trung bình tại đây có thể đạt từ 6 đến 8 m/s, trong khi bức xạ mặt trời có thể lên tới 5 kWh/m²/ngày. Điều này mở ra cơ hội lớn cho việc phát triển các hệ thống phát điện hỗn hợp.

1.2. Lợi ích của mô hình phát điện hỗn hợp

Mô hình phát điện hỗn hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, nó giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên. Thứ hai, hệ thống này có thể hoạt động liên tục, cung cấp điện năng ổn định cho các khu vực không có lưới điện quốc gia.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế mô hình phát điện

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời công suất nhỏ cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như điều kiện khí hậu, địa hình và công nghệ hiện có đều ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

2.1. Điều kiện khí hậu ảnh hưởng đến hiệu suất

Khí hậu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống phát điện. Tốc độ gió và bức xạ mặt trời không ổn định có thể dẫn đến sự biến động trong sản lượng điện. Do đó, cần có các giải pháp để tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện khác nhau.

2.2. Công nghệ và thiết bị hiện có

Công nghệ hiện tại trong lĩnh vực phát điện từ năng lượng tái tạo vẫn còn nhiều hạn chế. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp, như tuabin gió và tấm pin mặt trời, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.

III. Phương pháp thiết kế mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời

Để thiết kế một mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và kỹ thuật hiện đại. Việc tính toán và lựa chọn các thành phần của hệ thống là rất quan trọng.

3.1. Tính toán công suất và hiệu suất

Công suất của hệ thống phát điện được tính toán dựa trên các yếu tố như tốc độ gió, diện tích quét của tuabin gió và bức xạ mặt trời. Việc xác định các thông số này giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu suất cao nhất.

3.2. Lựa chọn thiết bị phù hợp

Việc lựa chọn thiết bị như tuabin gió và tấm pin mặt trời cần dựa trên các tiêu chí như hiệu suất, độ bền và khả năng tương thích với điều kiện địa phương. Các thiết bị này cần được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường cụ thể của tỉnh Bình Thuận.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình phát điện hỗn hợp

Mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời công suất nhỏ có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn và hải đảo. Hệ thống này không chỉ cung cấp điện cho sinh hoạt mà còn hỗ trợ phát triển kinh tế địa phương.

4.1. Cung cấp điện cho khu vực nông thôn

Mô hình này có thể cung cấp điện cho các hộ gia đình ở vùng sâu vùng xa, nơi chưa có lưới điện quốc gia. Điều này giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và tạo điều kiện cho người dân phát triển kinh tế.

4.2. Hỗ trợ phát triển kinh tế địa phương

Việc áp dụng mô hình phát điện hỗn hợp không chỉ giúp cung cấp điện mà còn tạo ra cơ hội việc làm cho người dân địa phương trong việc lắp đặt và bảo trì hệ thống. Điều này góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của cộng đồng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế mô hình máy phát điện gió và năng lượng mặt trời công suất nhỏ là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Tương lai của mô hình này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng và môi trường.

5.1. Tầm quan trọng của năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo đang trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược phát triển bền vững của Việt Nam. Việc phát triển các mô hình như máy phát điện gió và năng lượng mặt trời sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải tiến công nghệ và tối ưu hóa thiết kế hệ thống phát điện hỗn hợp. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư, từ đó mở rộng khả năng áp dụng mô hình này trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Việt Nam là nước được các tổ chức phi chính phủ thế giới khảo sát, đánh giá có tiềm dồi dào, phong phú nguồn năng lượng tái tạo. Nếu được đầu tư và nghiên cứu công nghệ đúng hướng để chuyển đổi các nguồn năng lượng tái tạo thành điện năng đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt, sản xuất tại vùng sâu vùng xa, hải đảo không có lưới điện quốc gia nói riêng hoặc đấu nối, hòa vào mạng lưới điện quốc gia nói chung góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững kinh tế xã hội, nâng cao năng lưc cạnh tranh cấp độ quốc gia trong bối cảnh Việt Nam hội nhập nền kinh tế toàn cầu.1: Dự án phong điện 1 (Bình Thuận) Hình 1.2: Dự án điện - gió kết hợp máy phát điện diesel (Phú Quý - Bình Thuận) Trang 1 Đặc biệt, tỉnh Bình Thuận có tiềm năng năng lượng gió, mặt trời dồi dào, phong phú. Để sử dụng hữu hiệu hai nguồn năng lượng xanh của địa phương, do đó nghiên cứu phân tích yêu cầu kỹ thuật thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị sản xuất điện công suất nhỏ kết hợp nguồn năng lượng gió và mặt trời hiện đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, việc lựa chọn công nghệ sử dụng để sản xuất điện năng công suất nhỏ từ năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trời, gió) phát triển nhanh và mạnh không chỉ riêng ở Viê ̣t Nam mà còn cả trên thế giới.

Mỗi vùng, lãnh thổ có điều kiện tự nhiên - khí hậu khác nhau nên tiềm năng năng lượng tái tạo cũng không giống nhau. Do vậy, để hạn chế được các yếu tố bất lợi và dung hòa về điều kiện tự nhiên liên quan đến 2 nguồn năng lượng tái tạo (mặt trởi – gió) cần tiến hành các nghiên cứu khảo sát cụ thể. Việc phát triển một mô hình phát điện công suất nhỏ kết hợp năng lượng gió và mặt trời để hỗ trợ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của người dân tại địa phương chưa có điện lưới quốc gia có ý nghĩa cấp thiết. Theo mục tiêu này, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió kết hợp năng lượng mặt trời công suất nhỏ” được hình thành một thiết bị phù hợp phục vụ việc sản xuất điện năng công suất nhỏ tại các địa phương có tiềm năng, đặc biệt là các vùng thuộc tỉnh Bình Thuận.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học - Đề xuất được kết cấu hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời qui mô nhỏ phù hợp với điều kiện gió và bức xạ mặt trời ở tỉnh Bình Thuận. - Xác định điều kiện lắp đặt và phương thức vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt. Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài phù hợp với chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo đã được phê duyệt của tỉnh Bình Thuận.

Trang 2 - Góp phần và việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo của tỉnh Bình Thuận, đặc biệt hướng tới các hộ gia đình cho phép có được nguồn điện phục vụ sinh hoạt mà không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia. - Hệ thống phát điện hỗn hợp có kết cấu không phức tạp, có thể chế tạo tại các cơ sở cơ khí thuộc tỉnh để góp phần tạo động lực ngành cơ khí tỉnh Bình Thuận từng bước làm chủ công nghệ và có điều kiện phát triển. - Là tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu có liên quan, giúp ích cho việc đào tạo và từng bước giúp thay đổi nhận thức về sử dụng nguồn năng lượng tái tạo phục vụ cho cuộc sống của con người. Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu xác định nguyên lý hoạt động, kết cấu hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời qui mô nhỏ phù hợp với điều kiện gió và bức xạ mặt trời ở tỉnh Bình Thuận.

- Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời và khảo nghiệm để xác định chế độ vận hành phù hợp. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1. Đối tượng nghiên cứu - Hệ pin quang điện tự xoay một trục. - Tuabin gió trục đứng công suất nhỏ.

- Thiết bị điều khiển sạc và ắc quy cho hệ thống phát điện hỗn hợp. Phạm vi nghiên cứu đề tài Do phạm vi nghiên cứu rộng nên đề tài sẽ tập trung giải quyết những vấn đề sau: - Chỉ nghiên cứu hệ pin quang điện một trục tự xoay theo hướng mặt trời Đông – Tây. - Tuabin gió dạng trục đứng công suất nhỏ có cánh cố định. - Một mô hình thiết bị phát điện hỗn hợp có công suất không quá 250 W gồm pin quang điện một trục tự xoay theo hướng mặt trời Đông – Tây và tuabin gió.

Phương pháp nghiên cứu Trang 3 Để thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đã được lựa chọn và sử dụng: 1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: thu thập các thông tin có liên quan đến đề tài và tổng hợp theo từng phần cụ thể. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng hiệu suất chuyển đổi điện năng của hệ pin quang điện, máy phát điện gió. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.

Các nghiên cứu trong nước - Đề tài“Nghiên cứu, điều tra, khảo sát và đánh giá các hệ thống phát điện kết hợp các dạng năng lượng tái tạo cho cụm dân cư ở vùng ngoài lưới điện quốc gia” của Phạm Hồng Vân thuộc Viện Năng lượng, Bộ Công thương đã nghiên cứu đi đến một số kết luận về việc lựa chọn ứng dụng một số thiết bị sản xuất điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này chủ yếu đưa ra một số các tiêu chí lựa chọn thiết bị, điều kiện áp dụng. Việc thiết kế, chế tạo thiết bị không là nội dung nghiên cứu của đề tài [30]. - Công trình nghiên cứu “Ga Nha Trang sử dụng điện phát từ năng lượng mặt trời và sức gió” tại tỉnh Khánh Hòa [31] đã lựa chọn, lắp đặt và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống phát điện hỗn hợp có tổng công suất 9 kW.

Hệ thống gồm 1 tuabin gió trục đứng công suất 4 kW và 20 tấm pin quang điện với tổng công suất là 5 kW. Hệ thống này được nhập từ nước ngoài, không phải là thiết bị được nghiên cứu chế tạo trong nước. - Đề tài “Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng ứng dụng năng lượng mặt trời và gió vào đào tạo và nghiên cứu khoa học” đã sử dụng hệ thống phát điện hỗn hợp nhập từ nước ngoài với tổng công suất 8,6 kW. Hệ thống gồm 01 tuabin gió trục ngang công suất 1,8 kW, hệ thống pin quang điện có tổng công suất 6,8 kW để phục vụ công tác nghiên cứu khoa học [32].3: Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời công suất 8,6 kW tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng [32] 1.

Các nghiên cứu ngoài nước - “Tối ưu hóa của một hệ thống phát điện hỗn hợp sử dụng tuabin gió kết hợp pin quang điện”, tác giả R. Eke và cộng sự ở Trường Đại học Mugla - Thổ Nhĩ Kỳ, nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu mối tương quan giữa tiềm năng năng lượng gió và mặt trời trên cơ sở dữ liệu khí tượng tại vị trí lắp đặt để định cỡ cho hệ thống phát điện hỗn hợp căn cứ vào nguồn năng lượng tiếp nhận được trên mỗi đơn vị diện tích chuyển đổi [21]. - “Thiết kế và phân tích của một hệ thống lai năng lượng gió – pin quang điện”, tác giả Slt. Trincu Viorica Ionela và Ing.

Secosan Cristlan ở học viện Kỹ thuật Quân sự Romania, đã nghiên cứu đưa ra: phương pháp phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời. Hệ thống này được đề xuất trên cơ sở dữ liệu tốc độ gió và bức xạ mặt trời trung bình hàng tháng trong năm để xác định nguồn năng lượng tiếp nhận được trên mỗi đơn vị diện tích chuyển đổi [22]. Định hướng nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết đánh giá được tiềm năng năng lượng gió, mặt trời tại tỉnh Bình Thuận. Trang 5 - Tìm hiểu về phương pháp, giải pháp nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng của hệ pin quang điện, tuabin gió.

- Phân tích, xác định các thông số của hệ pin quang điện và tuabin gió đề xuất: kết cấu liên quan, công suất định mức phân định cho từng tác nhân trên cơ sở định mức công suất tổng của mô hình phát điện hybrid. - Thiết kế, chế tạo hệ pin quang điện tự xoay một trục theo hướng mặt trời Đông – Tây và tuabin gió trục đứng công suất nhỏ. - Thực nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả. Nội dung luận văn Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, thuyết minh nghiên cứu củ đề tài có kết cấu như sau: - Chương 1: Mở đầu Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu để thực hiện đề tài.

- Chương 2: Tổng quan Đề cập đến các loại máy phát điện gió, điện mặt trời cùng các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu. - Chương 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan về tính toán thiết kế máy phát điện gió, điện mặt trời. Một hệ thống các công thức cần sử dụng đã được tổng hợp và trình bày phục vụ cho yêu cầu tính toán của đề tài.

- Chương 4: Phân tích yêu cầu và phương án thiết kế Xác định các yêu cầu, các đặc tính kỹ thuật của mô hình phát điện hỗn hợp gió – mặt trời công suất nhỏ lắp đặt tại Bình Thuận. Từ các thông số đã chỉ ra tiến hành đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế khả thi. - Chương 5: Thiết kế, chế tạo hệ thống phát điện hỗn hợp gió – mặt trời - Chương 6: Kiểm nghiệm – Đánh giá kết quả - Chương 7: Kết luận – Đề nghị Trang 6 Chương 2 TỔNG QUAN 2. Tổng quan năng lượng gió 2.

Tiềm năng gió Việt Nam Trong năm 2001, Ngân hàng Thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước Việt Nam - Lào - Campuchia - Thái Lan nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho khu vực [6].