CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 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. 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. 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.2 : Đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời 1.
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. 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. 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.
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.
Các dạng máy phát điện gió. 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. 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.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. 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. 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. 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. 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.
