Nhờ vào tương tác giữa sóng biển và phao, cụm tương tác được dẫn động để hấp thu năng lượng sóng bằng cách biến đổi chuyển động lên xuống của phao thành chuyển động quay một chiều của má
Trang 1NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ THU HỒI NĂNG LƢỢNG SÓNG
BIỂN
RESEARCH AND DESIGN OF MARINE ENERGY RECOVERY MECHANICAL EQUIPMENT
Trần Ngọc Thủy
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Luận văn đề xuất thiết kế mới chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện Nhờ vào tương tác giữa sóng biển và phao, cụm tương tác được dẫn động để hấp thu năng lượng sóng bằng cách biến đổi chuyển động lên xuống của phao thành chuyển động quay một chiều của máy phát điện Trước tiên, ý tưởng thiết kế được đề xuất bao gồm hệ thống bao gồm phao và bộ chuyển đổi năng lượng Tiếp theo là phân tích thủy động học của cơ hệ được thực hiện Sau đó, chương trình
mô phỏng hoạt động của thiết bị được thực hiện trên chương trình Matlab/Simulink Cuối cùng, thiết
bị được thiết kế và chế tạo để thử nghiệm Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị làm việc nhịp nhàng với hiệu suất cao
ABSTRACT
This study presents an innovative design for a wave energy converter (WEC) Based on the interaction between the sea wave and the floating buoy, the power take-off (PTO) is actuated to absorb wave energy by converting the bidirectional motion of the floating buoy into the one-way rotation of an electric generator Firstly, a new conceptual design of the WEC included the floating buoy and PTO is proposed The hydrodynamic forces are presented and the performance of the WEC are simulated in the Matlab/Simulink environment Finally, a test rig of the proposed WEC is fabricated to do experiment Experimental results indicate that the proposed device can work smoothly in high efficiency
Trang 21 GIỚI THIÊU
Việc sử dụng rộng rãi điện giá cả phải chăng
chuyển đổi từ sóng biển sẽ là một thành tựu
tuyệt vời Bên cạnh đó chuyển đổi năng lượng
sóng (WEC - Wave energy converting) công
nghệ sẽ đặc biệt thú vị, nó cũng sẽ có một vài lợi
ích đáng kể cho xã hội
Đây là một nguồn năng lượng bền vững và vô
tận khác, có thể đáng kể góp phần vào hỗn hợp
năng lượng tái tạo Nói chung, tăng số lượng và
sự đa dạng của hỗn hợp năng lượng tái tạo rất có
lợi vì nó làm tăng sẵn có và giảm nhu cầu nhiên
liệu hóa thạch
Điện từ năng lượng sóng sẽ giúp các quốc gia tự
cung cấp năng lượng nhiều hơn và do đó ít phụ
thuộc vào nhập khẩu năng lượng từ các quốc gia
khác (lưu ý: dầu là thường được nhập khẩu từ
các nước không ổn định về chính trị)
Điện từ sóng biển có thể được sản xuất ngoài
khơi, do đó không đòi hỏi đất đai cũng không có
tác động thị giác đáng kể Khi nhu cầu năng
lượng thế giới sẽ tiếp tục tăng trong khi dự trữ
nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, năng lượng
sóng sẽ trở nên quan trọng Nhu cầu về nó sẽ bắt
đầu khi giá điện của nó sẽ đúng và sau đó sẽ chỉ
tăng với thời gian Với vị trí địa lý, khí hậu
thuận lợi thì đất nước Việt Nam được xem là
một trong những nước có nguồn tài nguyên năng
lượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng gồm : Năng
lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng
biển, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt Các nguồn
năng lượng này được phân bố trải rộng trên
nhiều vùng sinh thái
Trước nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia
tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm khai thác các
nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không
những góp phần giảm gánh nặng về cung cầu
năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền
thống đang dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to
lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển
bền vững
Nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng là vấn
đề cấp bách ở nước ta hiện nay Có thể nhận
thấy rằng nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào
ở nước ta Việt Nam là một trong các quốc gia
có bờ biển rất dài, dài đến hơn 3200 km Quanh
năm sóng biển vỗ bờ Bên cạnh đó, nước ta cũng
có nhiều hải đảo Quanh đảo là biển, vì vậy năng
lượng của sóng biển ven bờ biển của nước ta là rất lớn Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng chính là thách lớn đối với hầu hết các quốc gia, trong đó có Việt Nam, sóng biển thành năng lượng điện là cần thiết mà có thể góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện của nước ta hiện nay và tương lai
2 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ 2.1 Thông số thiết kế:
- Thiết bị thử nghiệm với mực nước 800 ÷ 1000
mm
- Biên độ sóng 50 ÷ 75 mm
- Tần số góc =3rad/s
- Ta có mật độ năng lượng của sóng:
(1)
- Công suất trên 1 đơn vị bề rộng sóng
=
( ) (2)
Trong đó:
H: chiều cao sóng (m) A: biên độ sóng (m) E: Mật độ năng lượng sóng (N.m) : công suất sóng trên 1 đơn vị bề rộng sóng (
: tần số góc (rad/s)
c: Vận tốc sóng (ft/s hoặc m/s) h: Độ sâu của mực nước biển (ft hoặc m)
2.2 Chọn nguyên lý của thiết bị thu hồi năng lƣợng sóng biển
2.2.1 Phao:
Nguyên lý: Chuyển động tịnh tiến, chuyển động của phao trên mặt sóng được xác định theo định luật 2 Newton kết hợp giữa lực thủy động học của sóng và phản lực từ hệ thống thu hồi
Kết cấu: Phao rỗng có hình khối nón kết hợp khối trụ là tối ưu nhất Phần khối nón chìm dưới biển sẽ giảm tối đa lực cản gây ra bởi nước biển,
Trang 3với chiều cao của mực nước ngập so với chiều
cao phao từ 500 – 520 mm là đủ điều kiện cân
bằng và tiết diện tiếp nhận được năng lượng
sóng là lớn nhất
Hình 1: Phao
2.2.2 Đối trọng:
Nguyên lý: Đối trọng có nhiệm vụ đảm bảo cho
phao luôn trở về vị trí cân bằng trên mặt biển
cũng như giúp cơ cấu hoạt động một cách liên
tục trong quá trình thu hồi năng lượng
Kết cấu: Đối trọng được chế tạo bằng sắt
nguyên khối
Phương trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí
cân bằng với chiều cao phần ngập nước là
500mm:
(3)
(4)
Suy ra =50kg
Trong đó:g=9.81 (m/s 2
) là gia tốc trọng trường
=1020 (kg/m 3
) là khối lượng riêng của nước
biển
mp là khối lượng của phao
(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ
Hình 2: Đối trọng
3 KẾT CẤU CỦA THIẾT BỊ 3.1 Phương án kết cấu:
Khung chế tạo có nhiệm vụ chứa các thiết bị tham gia vận hành, nâng đỡ các thiết bị như Cần, hộp số, máy phát….Các bộ khung chịu tác động trực tiếp từ sóng biển, được thiết kế theo dạng chữ nhật dài 1200mm, rộng 1000mm với cạnh chiều dài đặt song song với chiều va đập của sóng Mục đích để tăng độ cứng vững cho
bộ khung khi chịu tác động Để đáp ứng được yêu cầu về mực nước biển lấy chiều cao tổng của các khung chịu va đập của sóng là 2900mm
Hình 3: Kết cấu tổng thể thiết bị thu hồi sóng
3.2 Chế tạo thử nghiệm 3.2.1 Khung đóng xuống cát:
Hình 4: Khung đóng xuống cát
3.2.2 Khung thang đỡ:
Hình 5: Khung thang đỡ
3.2.3 Khung lắp cần:
Trang 4Hình 6: Khung lắp cần
3.2.4 Khung lắp hộp số, máy phát:
Hình 7: Khung hộp số máy phát
3.2.5 Cần đỡ
Hình 8: Cần đỡ
3.2.6 Hộp số:
Hình 9: Hộp số
3.2.7 Máy phát
Hình 10: Máy phát
4 THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 4.1 Điều kiện thử nghiệm trên hồ tạo sóng
- Tần số góc (rad/s)= 5,03
- Độ cao sóng (m)= 0,25
- Chiều sâu (m)= 1
1
2
3
Hình 11: Thiết bị thu hồi năng lượng sóng
4.2 Kết quả thử nghiệm:
Mômen và tốc độ ở trục hộp số chịu ảnh hưởng của tải Khi tải tăng thì momen của máy phát tăng và tốc độ giảm
Đối với trường hợp không có tải, biên độ dao động của phao đạt giá trị lớn nhất tại 115 mm, dẫn đến tốc độ của trục hộp số là lớn nhất tại 95 v/p, khi đó công suất thu được bằng 0 do không
có momen
Trang 5Khi tăng tải lên tối đa thì biên độ dao động của
phao là thấp nhất tại 10 mm, dẫn đến tốc độ của
trục hộp số là thấp nhất tại 25 v/p và momen đạt
giá trị cao nhất 1,7 Nm
Trường hợp tăng tải lên có vị trí biên độ dao
động của phao lớn nhất là 50 mm, tốc độ của
trục hộp số lớn nhất là 80 v/p và momen đạt giá
trị cao nhất 1,2 Nm
Khi đó hệ sinh ra công suất tối đa:
(5)
5 KẾT LUẬN
- Bài báo trình bày kết quả: Nghiên cứu, thiết kế
chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng
biển
- Thiết kế chế tạo Nghiên cứu, thiết kế chế tạo
thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển
- Một chương trình mô phỏng hoạt động của
thiết bị đã được xây dựng trên Matlab/Simulink
Dựa vào kết quả tính toán các thông số, thiết bị
đã được chế tạo và thử nghiệm thành công trên
cạn cũng như hồ tạo sóng biển Hệ thống đo dữ
liệu được triển khai để thu thập kết quả thí
nghiệm Kết quả thí nghiệm của thiết bị thu hồi
năng lượng đã thu hồi được công suất cao nhất ở
chiều cao sóng 250mm là 10,05W
Lời ảm ơn:
Em xin chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn
khoa học TS Phan Công Bình đã hỗ trợ em
trong nghiên cứu này
Tài liệu tham khảo:
[1] Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải
Nghiên cứu và thử nhiệm thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển Tạp chí Khoa học và
Công nghệ Biển, Tập 17, Số 1, 2017
[2] ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Lê Vĩnh, ThS Đoàn Thị Vân Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển
thành năng lượng điện dạng phao nổi Tạp chí Khoa học và công nghệ thủy lợi, số 21, 2014
[3] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba Khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển
Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, số 41 (6/2013)
[4] Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đặt ven
bờ Tạp chí Khoa học và công nghệ xây dựng, số
4, 2017
[5] Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện
- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM, Trường ĐH Bách khoa TP HCM
[6] Manhar R Dhanak, Florida Atlantic University, Boca Raton, USA Nikolas I Xiros,
New Orleans, USA, Handbook of Ocean Wave
Energy, 27-40
[7] Tedd, J Testing, Analysis and Control of Wave Dragon, Wave Energy Converter, Phd
thesis, Aalborg University, 2007
[8] Năng lượng sóng biển có thể cho hiệu năng gấp 100 lần năng lượng mặt trời Internet:
[9] Năng lượng sóng:
https://vi.wikipedia.org/wiki/N%C4%83ng_l%C
09/03/2021
[10] PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Sóng biển Thư viện Học liệu mở Việt Nam, tr 1-3
[11] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng
Thế Ba Khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển
Trang 6Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường - số
41 (6/2013)
[12] Falnes, J Ocean Waves and Oscillating Systems, Linear Interaction Including Wave-Energy Extraction, Cambridge University, 2002
[13] Silvia Bozzi, Adrià Moreno Miquel,
Alessandro Antonini and Giuseppe Passoni
Modeling of a Point Absorber for Energy
Conversion in Italian Seas Energies, 2013,
3033-3051
[14] M Eriksson, Jan Isberg and Mats Leijon
Hydrodynamic modelling of a direct drive wave energy converter International Journal of
Engineering Science, 2005, 1377–1387
[15] Michael E McCormick Ocean Wave Energy Conversion Dover Publications, 2013
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Trần Ngọc Thủy
Đơn vị: Trường cao đẳng kỹ thuật công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu
Điện thoại: 0904121726
Email: tranthuy121726@gmail.com