Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng điện ứng dụng khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam455

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTKý hiệu Tiếng anh Tiếng việt CERT Commission Energy Research and Technology Ủy ban công ngh ệ năng lượng EVN Vietnam Electricity Tập đoàn điệ ực viện l n nam

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

PHÙNG VĂN NGỌC

NGHIÊN C U THI Ứ Ế T B BI N Ị Ế ĐỔI NĂNG LƯỢ NG SÓN - G ĐIỆN

Ứ NG D NG CHO Ụ KHAI THÁC NĂNG LƯỢ NG SÓNG

TẠI VÙNG BI N VI T NAM Ể Ệ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THU ẬT CƠ KHÍ ĐỘ NG L C Ự

Hà N ộ i – 2019

L I CỜ ẢM ƠN

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠ I HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

PHÙNG VĂN NGỌ C

NGHIÊN C U THI Ứ Ế T B BI N Ị Ế ĐỔI NĂNG LƯỢ NG SÓNG - ĐIỆN

Ứ NG D NG CHO Ụ KHAI THÁC NĂNG LƯỢ NG SÓNG

LỜI CẢM ƠN

Trong th i gian h c t p nghiên c u và hoàn thành luờ ọ ậ ứ ận án “Nghiên c u thi t b ứ ế ị

bi n ế đổi năng lượng sóng - điệ ứn ng d ng cho ụ khai thác năng lượng sóng t i vùng ạ

bi n Viể ệt Nam” tại trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà n i tác gi ộ ả nhận được nhiều giúp đỡ

t ừ các tổ chức và cá nhân:

Tác gi xin bày t lòng biả ỏ ết ơn sâu sắc đế ận t p th các nhà khoa h c làể ọ : GS TS

Nguyễn Th M ch ế ị và PGS.TS Đặng Th Ba ế đã tận tình hướng d n ch b o v ch ra ẫ ỉ ả ạ

những định hướng khoa học để tác gi hoàn thành lu n án này ả ậ

Tác gi xin g i l i cả ử ờ ảm ơn chân thành đến các th y, cô trong B môn Máy và t ầ ộ ự

động th y khí, Viủ ện cơ khí động lực, trường đạ ọi h c Bách khoa Hà N i T p th gi ng ộ ậ ể ảviên B ộ môn Cơ kỹ thuật – Đại học Công ngh - ệ ĐHQGHN; ội cơ học Thủ H y khí; Hội máy th y khí và các t p chí khoa hủ ạ ọc đã động viên giúp đỡ ỗ trợ ề h v tinh thần cũng như vật ch t trong th i gian tác gi th c hi n lu n án ấ ờ ả ự ệ ậ

Tác gi xin cả ảm ơn đến anh em đồng nghiệp nói chung và anh em đồng nghiệp trong Vi n khoa h c Th y l i Miệ ọ ủ ợ ền Trung và Tây Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ,

t o mạ ọi điều ki n thu n lệ ậ ợi cho tác giả trong quá trình nghiên c u và công tác ứ

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình

đã động viên, tạo điều kiện khuyến khích cho tác giả vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án tiến sĩ này

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài lu n án: Nghiên c u thi t b bi n ậ “ ứ ế ị ế đổi năng lượng sóng - điệ ứn ng

d ng ụ cho khai thác năng lượng sóng t i vùng bi n Vi t Nam ạ ể ệ ”

Tôi xin cam đoan đề tài lu n án c a tôi hoàn toàn là do tôi th c hi n ậ ủ ự ệ dướ ựi s hướng d n t n tình c a t p th các nhà khoa h c g m GS.TS Nguy n Th M ch, ẫ ậ ủ ậ ể ọ ồ ễ ế ịPGS.TS Đặng Th ế Ba Những k t qu nghiên c u c a lu n án và s liế ả ứ ủ ậ ố ệu đo đạc thí nghiệm ạt i Phòng thí nghiệm và hiện trường c a ủ trường Đại h c Công Ngh - ọ ệĐHQGHN là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố

Hà nội, ngày 16 tháng 10 năm 2019Thay m t t p th ặ ậ ể hướ ng dẫn khoa h c ọ

GS TS Nguyễn Thế ị M ch

Người cam đoan

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ TH .xiỊ

M Ở ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN C U 5Ứ

1.1 Nguồn năng lượng t n 5ừ biể

1.2 Năng lượng sóng bi n 6ể

1.2.1 Các đặc trưng của sóng bi n 7ể1.2.2 Năng lượng các vùng hình thành sóng 9ở1.2.3 Đặc trưng năng lượng sóng bi n 11ể1.3 Tiềm năng năng lượ ng sóng biển Việt Nam 151.4 T ng quan tình hình nghiên c u phát tri n thi t b chuyổ ứ ể ế ị ể n đ i năng lư ổ ợng

sóng biển 21

1.4.1 Sơ lược m t s nguyên lý và thi t b chuy n đ i ộ ố ế ị ể ổ năng lượng sóng 211.4.2 T ng quan các thiổ ết bị chuyển đổi năng lượng sóng c a Th gi i 25ủ ế ớ1.4.3 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa b 28ờ1.4.4 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ 341.5 T ng quan tình nghiên c u thiổ ứ ế t bị chuyể n đ i năng lư ổ ợng trong nước 371.6 Kế t luận chương 1 39

NĂNG LƯỢNG SÓNG BI N 41Ể 2.1 Cơ sở tính toán dòng năng lượng sóng bi n 41ể 2.2 Các đặc trưng cơ bản vùng nghiên c u phát tri n thi t b 41ứ ể ế ị 2.3 Cơ sở tính toán tương tác sóng biển v i công trình n i 43ớ ổ

2.2.1 Các gi thuyả ế ốt đ i với sóng trên công trình 44

2.3.2 Xác định t i tr ng sóng tác d ng lên công trình n i 45ả ọ ụ ổ2.4 Nghiên cứ u lựa ch n thi t b chuyọ ế ị ể n đ i năng lư ổ ợng sóng bi n 46ể

2.4.1 L a ch n nguyên lý chuyự ọ ển đổi năng lượng sóng phù hợp mục tiêu để

nghiên c u phát tri n 47ứ ể2.4.2 L a chự ọn dạng phao ti p nh n cho thiế ậ ết bị 49

2.5 Phương pháp tính toán mô hình phao dạng h p ch nh t 51ộ ữ ậ

2.6 Nghiên c u nguyên lý làm vi c thiứ ệ ế t bị ử ụ s d ng d ng phao tr chóp nón 54ạ ụ

2.6.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng b ng phao n i d ng chóp nón 54ằ ổ ạ2.6.2 Mô hình cơ cấu máy phát 562.6.3 Nguyên lý hoạt động của mô hình 572.7 Kế t luận chương 2 57

LƯỢNG SÓNG BI N 58Ể

3.1 Xây d ng mô hình tính toán c a thiự ủ ế t bị 583.1.1 Các phương trình cơ h c củọ a thi t b 58ế ị3.1.2 Phương trình chuyển động c a phao 1: 59ủ3.1.3 Phương trình chuyển đ ng c a phao 2 60ộ ủ

3.2 Phương trình cơ bản cho h th ng máy phát 63ệ ố

3.2.1 Mô hình điệ ừn t trư ng máy phát 63ờ3.2.2 Áp d ng trong cụ ấu hình máy phát nam châm chuyển đ ng thẳngộ 64

3.3 Phương trình lực điện t c a máy phát 68ừ ủ

3.4 Tính toán mô phỏ ng hoạt động của h ệ thống chuyể n đ ổi năng lượng sóng

sang điện 693.4.1 Gi i thiớ ệu về các ph m m m mô phầ ề ỏng 693.4.2 Tính phân b t ố ừ trường nam châm vĩnh cửu bằng FlexPDE 703.4.3 Tính toán mô phỏng hoạt động của máy phát b ng Matlab 78ằ3.5 Kế t luận chương 3 82

CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BI N 84Ể

4.1 Tính toán khảo sát đặc tính, tính toán thiế t kế cho thi t b có P= 50W 84ế ị

4.2 Thi t k , ch t o h ế ế ế ạ ệ thống chuyể n đ ổi năng lượng sóng th nghi m 88ử ệ

4.2.1 Thiết kế, ch tế ạo máy phát điện 884.2.2 Thiết kế, ch t o h ế ạ ệ thống phao thu nhận năng lượng 90

4.2.3 Thử nghiệm, hoàn thi n thiệ ết bị 92

4.3 Đề xuất mô hình chuyể n đ ổi năng lượng sóng 5kW để phát tri n thi t b quy ể ế ị mô thự c tế 102

4.4 Kh o sát mả ộ t số đặc tính cơ bản 105

4.5 Kế t luận chương 4 111

a) Kế t luận chung 113

b) Khuyế n nghị 114

TÀI LIỆU THAM KH O 116Ả

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Ủ C A LU N ÁN 120Ậ

Ekz: Động năng toàn phần dao động c a phao ủ (KJ).

Epz: Thế năng toàn phần dao động c a phao ủ (KJ)

ET: Cường độ điện trường (V/m)

HT: Cường độ ừ t trư ng (A/m)ờ

Hs : Chiều cao sóng (m)

g: gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2)

m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp

Z0: Biên độ dao động nh p nhô c c đ i c a phao (m) ấ ự ạ ủ

Plt : Công suất lý thuyết thiết bị (kW)

Ptt: Công suất thực tế thiết bị (kW)

L: Chi u dài c a phao nề ủ ổi (m)

dn: Ph n ngầ ập nước của phao (m)

Fz: Lực kích thích sóng lên phao (KN)

F0: Là biên độ ự l c dao đ ng (KN) ộ

Pz: Công suất thu được từ phao (KW)

Tz: Chu kỳ dao động nh p nhô t nhiên (s) ấ ự

mw: Khối lượng phần nước biển tác động vào phao

m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp

Sb(t) là dịch chuyển đứng c a phao kh i v m t nưủ ỏ ị ặ ớc tĩnh ban đầu

mb1là khối lượng c a phao ủ

sb(t) là gia tốc chuy n dể ịch đứng của phao

Fe,b(t) là lực kích thích theo chiều đứng c a sóng t i ủ ớ

Fr,b(t) là lực theo chiều đứng do sóng phát x ạ

Fb,b(t) là tổng lực đẩy thủy tĩnh và lực trọng trường

Fb,v(t) là lực cản

Fb,f(t) là lực ma sát nhớt của nước

Fb,u(t) là lực điện t ừ trường c a máy phát ủ

Z: Biên độ dao động phao n hình h p ch nh t (m) ổi ộ ữ ậ

DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH

λ: bước sóng ( ft ho c m) ặ

γ : Trọng lượng riêng (N/m3)

η : Hiệu su t thiấ ế ị (%) t b

εo : Độ điện thẩm chân không (εo = 8,854.10-12 F/m)

ε : Đ ộ điện th m cẩ ủa môi trường

μo : Độ ừ ẩm chân không (μ t th o = 4π 10-7 T.m/A)

μ : Độ ừ ẩm môi trườ t th ng

ωz: Tần s góc c a dao đ ng (rad/s) ố ủ ộ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tiếng anh Tiếng việt

CERT Commission Energy Research and

Technology

Ủy ban công ngh ệ năng lượng

EVN Vietnam Electricity Tập đoàn điệ ực viện l n nam HEB Hydro Electric Barrel Hydro Electric Barrel IEA International Energy

Agency Ủy ban năng lượng th gi i ế ớLPM Linear power

management

Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển chuyển động t nh ti n ị ế

NLTT Renewable energy Năng lượng tái t o ạ

NLSB Wave ocean energy Năng lượng sóng bi n ể

R&D Research &

Development Research and Development VKHTLVN Viện khoa h c thủ ợọ y l i Vi t nam ệ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

B ng 1.1 Mả ức năng lượng sóng bi n tể ại một ố vùng biểs n trên th gi i 7ế ớ

Bảng 1.2 Năng lượng TB tháng c a m t s vùng có tiủ ộ ố ềm năng nhất (kW/m) 19

B ng 1.3 Các thiả ết bị chuyển đổ năng lượi ng sóng xa b ờ đang thực hi n 32ệ

B ng 1.4 Các thiả ết bị ầ g n b ờ đã và đang phát triển trên th gi i 36ế ớ

B ng 2 1 Các thông s ả ố kích thước khối lượng ph ụ thuộc vào dạng phao 50

B ng 4 1 Các thông s ả ố thiết kế cơ bản ban đầu c a thiủ ết bị 85

B ng 4 2 Th ng kê chi tiả ố ết các bộ ph n c u thành phao1 và phao 2 91ậ ấ

Bảng 4.3 Năng lượng có th ể thu được theo kích thước phao (c ma sát) 101ả

B ng 4.4 Thông s ả ố đặc trưng chủa máy phát điện LPM 104

B ng 4.5 Công su t trung bình tả ấ ối đa trên mỗi ống dây ng vứ ới điều ki n sóng vùng ệNam Trung B 109ộ

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biểu đồ phân b mố ức năng lượng sóng trên toàn th gi i 7ế ớ Hình 1.2 Các thông số cơ bản c a sóng bi n 8ủ ể Hình 1.3 Hình mô tả chuyển động c a sóng bi n 9ủ ể

Hình 1.4 Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng song [36] 10

Hình 1.5 Các dạng năng lượng đặc trưng của sóng bi n 11ể Hình 1.6 Chuyển động c a sóng t nh ti n 12ủ ị ế Hình 1.7 Biểu đồ quan h giệ ữa năng lượng v i chiềớ u cao sóng và chu k sóng theo ỳ đơn vị độ dài 13

Hình 1.8 Biểu đồ quan h giệ ữa năng lượng v i chiềớ u cao sóng và chu k sóng theo ỳ đơn vị ệ di n tích 13

Hình 1.9 Thế năng theo thời gian 14

Hình 1.10 Động năng theo chiều sâu 14

Hình 1.11 Bản đồ phân vùng năng lượng sóng bi n c a Vi t nam 15ể ủ ệ Hình 1.12 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng c a các vùng 18ủ Hình 1.13 Thông lượng năng lượng sóng TB năm ven biển Vi t Nam 18ệ Hình 1.14 Phân bố năng lượng sóng TB tháng t i nhạ ững vùng có ti m năng nhề ất (kW/m) 19

Hình 1.15 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng 20

Hình 1.16 Thông lượng sóng tại điểm có tiềm năng nhất 20

Hình 1.17 Độ cao sóng c a vùng tiủ ềm năng nhất 21

Hình 1.18 Biến đổi chu k sóng theo tháng 21ỳ Hình 1.19 Sơ đồ ố th ng kê các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng 25

Hình 1.20 Giá điện sóng trung bình toàn cầu Hình 1.21 Giá điện th y tri u 27ủ ề Hình 1.22 Công nghệ điện sóng Pelamis ình 1.23 Tuabine gió biển Đan Mạch 27

Hình 1.24 Đồ ị ể th bi u th t c đ phát triị ố ộ ển điện sóng và điện gió g n b và xa b 28ầ ờ ờ Hình 1.25 Thiế ị đượt b c phát triể ừ đạn t i học bang Oregon 29

Hình 1.26 Cấ ạu t o thi t bịế chuyển đổi năng lượng sóng bi n chuyể ển động th ng 30ẳ Hình 1.27 Cấ ạu t o và nguyên lý ho t đ ng c a Pelamis 31ạ ộ ủ Hình 1.28 Thiế ịt b chuyển đổi năng lượng ngoài khơi 31 Hình 1.29 Một số ạ d ng thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi dạng chuyển động

t nh ti n 32ị ế

Hình 1.31 Thiế ị Pendulor máy phát sinh ra điệt b n 35Hình 1.32 Thiế ịt b Oyster Hình 1.33 Thi t bị WaveRoller 35ếHình 1.34 Hệ ố th ng s dử ụng dao động c a phao g n b 36ủ ầ ờHình 1.35 Hệ ố th ng kênh h p nhìn t trên xu ng 36ẹ ừ ốHình 1.36 Cấ ạu t o thi t bịế chuyển đổi năng lượng sóng bi n 38ểHình 1.37 Cấ ạu t o thi t bịế chuyển đổi năng lượng sóng bi n 39ểHình 2 1 Đảo Phú Quí nhìn t Google Earth 43ừHình 2 2 H tệ ọa độ ể bi u di n v t n i trên mễ ậ ổ ặt chất lỏng 43Hình 2 3 Mô hình thiết bị chuyển động t nh ti n biị ế ến đổi tr c tiếp 47ựHình 2 4 Một số ạ d ng kết cấu phao thu nhận năng lượng sóng 50

d ng chuyạ ển động t nh ti n 50ị ếHình 2 5 Cấ ạu t o c a thi t bịủ ế phao n i hình h p ch nh t 51ổ ộ ữ ậHình 2 6 Mô hình làm việc của phao d ng h p 52ạ ộHình 2 7 Đường quan h các h s Kệ ệ ố m và K1 ph ụ thuộc tỷ ệ l B,L,d 53Hình 2 8 Thiết kế mô hình b ng ph n m m SolidWork 55ằ ầ ềHình 2 9 Mô hình máy phát chuyển động th ng 56ẳHình 2 10 Cấ ạu t o và cách b trí các nam châm trong lõi c a máy phát 56ố ủHình 3 1 Mô tả chuyển động của các phao dưới tác dụng c a sóng 58ủHình 3 2 Mô hình hóa hệ ố th ng thi t bị 61ếHình 3 3 Mô hình phao sơ cấp và phao th c p 62ứ ấHình 3 4 Mặt cắ ọt d c theo trục đ i xứố ng c a nam châm, dùng trong tính toán c a ủ ủFlexPDE 66Hình 3 5 Lực Ampere sinh ra trên m i vòng dây 68ỗHình 3 6 Mô hình thiết bị nghiên c u 72ứHình 3.7 Cấ ạu t o chi ti t cế ủa phao sơ cấp thiết bị mô phỏng thí nghi m 73ệHình 3.8 Cắt ngang chi ti t mô hình thi t b nghiên c u 74ế ế ị ứHình 3.9 Phân bố ừ ế t th vector 75Hình 3.10 Từ trư ng quanh nam châm 75ờHình 3 11 Hình ảnh các đường đồng m c đ l n t trư ng 76ứ ộ ớ ừ ờHình 3.12 Hình ảnh t th ừ ếvector 76Hình 3 13 Phân bố ừ t trư ng trong không gian quanh nam châm 77ờHình 3.14 Các đường đồng m c đ l n t ứ ộ ớ ừ trường 77

Hình 3.15 Hình ảnh t th ừ ếvector 78Hình 3 16 Mô hình thí nghi m thiệ ết bị 79Hình 3.17 Mô hình thí nghi m thiệ ết bị làm vi c trong bểệ sóng t i VKHTLVN 80ạHình 3.18 Sức điện động trong ng dây 80ốHình 3 19 Cường độ dòng điện trong m ch khi n i v i máy phát 81ạ ố ớHình 3 20 Lực đi n t xu t hiệệ ừ ấ n trên ng dây 81ốHình 3 21 Công suất máy phát 82Hình 4 1 Sơ đồ ấ ạ c u t o và h ệ cơ học c a thi t bị 2 phao 84ủ ếHình 4 2 Mô hình mạch tương đương của máy phát 84Hình 4 3 Dịch chuy n và vân t c c a các phao 86ể ố ủHình 4 4 Lực sóng kích thích lên các phao và l c đi n t 87ự ệ ừHình 4 5 Điện th và công su t trên t i 87ế ấ ảHình 4 6 Thiết bị thí nghiệm và kết qu so sánh v i mô phỏng 88ả ớHình 4 7 Sơ đồ ặ ắ m t c t ngang máy phát và v trí c a rotor, stator trong mô hình 89ị ủHình 4 8 Phầ ứng máy phát điện n bao g m thanh g n 89ồ ắnam châm và lõi g n nam châm 89ắHình 4 9 Khung quấn dây 90Hình 4 10 Máy phát sau khi ch t o 90ế ạHình 4 11 Mô hình thiết kế phao sơ ấ c p 91Hình 4 12 Phao sau khi chế ạ t o 91Hình 4 13 Hình ảnh t ng th thi t bịổ ể ế chuyển đổi năng lư ng sóng d ng phao hoàn ợ ạthiện 91Hình 4 14 B t o chuyộ ạ ển động t nh ti n theo sóng cho máy phát 93ị ế4.2.3.2 Kết quả thử nghiệm thiế ị chuyển đổt b i năng lượng sóng 93Hình 4 15 Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung s t tắ ừ, không thanh sắt dẫ ừn t , công suất trung bình thu được Ptb = 30, 905w 94Hình 4 16 Đo 1pha, 1 m t nam châm, có khung sặ ắt từ có, thanh s t d n t , công suắ ẫ ừ ất trung bình thu được Ptb = 31,198w 94Hình 4 17 Đo 1 pha, 2 m t nam châm, không ặ có khung sắt từ, công su t trung bình ấthu được Ptb = 41,112w 94Hình 4 18 Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung s t từắ , công suất trung bình thu được

Ptb = 42,189w 95Hình 4 19 Ki m tra máy phát trong phòng thí nghiể ệ 95m

Hình 4 20 Đồ ị ệu điệ th hi n th trên t i theo th i gian 96ế ả ờHình 4 21 Công suất trung bình tính được là 11,351 (W) 96Hình 4 22 Biểu đồ công su t ph thuấ ụ ộc vào bán kính phao 96Hình 4 23 Biểu đồ công su t ph thuấ ụ ộc vào m c a phao thu Pủ max khi m =270(kg) 97Hình 4.24 Biến thiên công suát theo độ dài c a l ng 97ủ ồHình 4.25 Thực hiện quá trình thí nghiệm thiết bị ại Hồ t Tây 98Hình 4 26 Thiế ịt b chuyển đổi năng lượng sóng d ng phao th nghiạ ử ệm hiện trường 98Hình 4.27 Chuẩn b các thi t bị đo khao sát hiện trườị ế ng 99Hình 4 28 Đồ ị ệu điệ th hi n th trên t i theo th i gian 99ế ả ờHình 4 29 Đồ ị ự th l c phao tác d ng lên cu n dây 99ụ ộHình 4.30 Dao động riêng c a phao 99ủHình 4.31 Chuyển động c a phao t do, không ma sát và không thu h i 100ủ ự ồHình 4.32 Chuyển động c a phao trên m t sóng, h s thu h i Rủ ặ ệ ố ồ bu=250Ns/m, h s ệ ố

ma sát Rbf=20Ns/m 100Hinh 4.33 Công suất và năng lượng c a phao khi Rủ bu=250Ns/m, Rbf=20Ns/m 101Hình 4.34 Biến thiên năng lượng thu được trong m t chu k theo h s thu h i 101ộ ỳ ệ ố ồHình 4 35 Sơ đồ ấ ạ c u t o h th ng chuyệ ố ển đổi năng lượng sóng 5kW 104Hình 4 36 Mặt cắt ngang máy phát điện LPM 105Hình 4 37 Mặt c t dắ ọc máy phát đi n LPM 105ệHình 4 38 Điện áp máy phát trên 1 pha 105Hình 4 39 Công suất máy phát trên 1 pha 105Hình 4 40 Sự ph thu c giữa Pụ ộ tbvào n ứng với các thông số ủ c a thiết bị 106Hình 4 41 Sự ph thu c giữa Pụ ộ tbvào n ứng v i a=0.083(m),b=0.12(m) 107ớHình 4 42 Sự ph thu c của Pụ ộ trung bình vào độ dài c nh b 107ạHình 4 43 Sự ph thu c giữa L vào b 108ụ ộHình 4 44 Quan hệ ữa độ gi cao sóng chu ký sóng c a vùng bi n NTB 109– ủ ểHình 4.45 Công suất trung bình theo độ cao sóng 110

Hình 4 46 Biểu đồ quan h ệ đường kính, điện tr ở và công suất 110Hình 4.47 Biểu đồ quan h ệ đường kính và công su t 110ấHình 4 48 Biểu đồ quan h công suệ ất P và ω 111

1

M Ở ĐẦU

1. Tính cấp thiế t của đề tài

Ngày nay xã h i càng phát tri n thì nhu c u s dộ ể ầ ử ụng năng lượng (NL) cũng ngày càng cao Thế ới đang phải đối đầ gi u v i cu c kh ng hoớ ộ ủ ảng năng lượng nghiêm trọng

nh t trong l ch s nhân loấ ị ử ại, an ninh năng lượng được các quốc gia đặt lên hàng đầu Trong khi đó, các nguồn NL truyền th ng trên th giố ế ới như dầu mỏ, than đá, thủy điện, hạt nhân đang ngày mộ ạt c n ki t tuy nhiên nhu c u s d ng ệ ầ ử ụ NL đang tăng cao Thêm vào đó, việ ử ục s d ng các ngu n ồ NL hóa thạch đang gây ra những tác động xấu đến môi trường và là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí h u dậ ẫn đến nh ng th m h a t ữ ả ọ ựnhiên đe dọa đ n s s ng cế ự ố ủa con người

Để ả gi i quy t vế ấn đề này, các nhà khoa h c trên th giọ ế ới đã và đang hướng đến

nh ng nguữ ồn năng lượng m i, tái tớ ạo, trong đó có năng lượng sóng bi n ể

T ừ vài năm nay, giá dầu m ỏ tăng và triển v ng các nguọ ồn năng lượng c truyổ ền

b c n kiị ạ ệt đã tạo ra một đà tiến m i cho các d ớ ự án khai thác năng lượng bi n ể Năng lượng biển có hai đặc tính đáng chú ý, thu hút các chuyên gia nghiên cứu khai thác nó,

đó là khả năng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường Có nghĩa là, đây là nguồn năng lượng không bao gi c n ki t và là nguờ ạ ệ ồn năng lượng sạch Ưu thế này khác h n ẳcác nguồn năng lượng truy n thề ống đã và đang được s d ng t ử ụ ừ trướ ớc t i nay Tuy nhiên, vi c khai thác và s dệ ử ụng năng lượng biển cũng đặt ra nh ng vữ ấn đề ấ r t phức

tạp Cũng giống như các nguồn năng lượng khác của môi trường, năng lượng M t Trặ ời hay địa nhi t, ệ năng lượng gió, năng lượng bi n phân tán trên b mể ề ặt Trái Đất, đồng thời mật độ năng lượng không ổn định theo không gian và th i gian Vi c khai thác nó ờ ệthường g p r t nhiặ ấ ều khó khăn về ặ m t k ỹthuật và tri n v ng v hi u qu kinh t vể ọ ề ệ ả ế ẫn còn chưa thật ch c ch n Dù v y, hi n nay nhi u d án s dắ ắ ậ ệ ề ự ử ụng năng lượng bi n v n ể ẫđang được nghiên c u nhiứ ở ều nước trên th gi i Ph n lế ớ ầ ớn đang nằm trong giai đoạn thăm dò Tuy nhiên cũng có những d ự án đã được th c hi n d n t i vi c khai thác có ự ệ ẫ ớ ệ

lợi nguồn năng lượng này

2 M c tiêu nghiên cụ ứu

a) V ề cơ sở khoa học

Luận án nghiên c u t ng h p các thông tin v ứ ổ ợ ề năng lượng sóng bi n ể ở Việt Nam đểđịnh hướng nghiên c u l a ch n thi t b chuyứ ự ọ ế ị ển đổi năng lượng phù h p v i t ng ợ ớ ừvùng Tìm hi u phân tích nguyên lý hoể ạt động và c u t o c a thi t b chuyấ ạ ủ ế ị ển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên c u và s d ng trên th giứ ử ụ ế ới để đề xu t ứấ ng d ng ụ

mô hình phù h p v i vùng bi n tiợ ớ ể ềm năng tại Vi t Nam Nghiên c u phát triệ ứ ển sơ đồ

c u t o, mô hình mô ph ng và tiấ ạ ỏ ến hành tính toán xác định kh ả năng hoạt động của thiế ịt b Thi t k ch t o th nghi m thi t b ki m tra nguyên lý hoế ế ế ạ ử ệ ế ị để ể ạt động c a thiủ ết

b chuyị ển đổi năng lượng sóng bi n d ng chuyể ạ ển động th ng ẳ

vào vùng biển ngoài khơi Nam Trung B Thi t b nghiên c u có nguyên lý d ng ộ ế ị ứ ạchuyển động t nh ti n ị ế biến đổi trực tiếp thành điện

4. Ý nghĩa khoa học của luận án

N i dung c a luộ ủ ận án “ Nghiên c u thi t b biứ ế ị ến đổi năng lượng sóng - điện

ứng d ng cho ụ khai thác năng lượng sóng t i vùng bi n Vi t Nam ạ ể ệ ” có ý nghĩa to lớn v ề

m t lý thuy t và th c ti n K t qu c a lu n án nh m nâng cao chặ ế ự ễ ế ả ủ ậ ằ ất lượng nghiên cứu

và nh ng hi u bi t v ữ ể ế ề các đặc trưng kỹ thuật v ề NLSB Viêt Nam, phát tri n các ểphương pháp tính toán thi t k thi t b chuyế ế ế ị ển đổi năng lượng sóng Góp ph n nghiên ầ

3

c u, phát tri n và áp d ng các vứ ể ụ ấn đề khoa h c v ọ ề tương tác sóng lên công trình, tính toán mô ph ng, thi t k ỏ ế ế chế ạ t o các thi t b chuyế ị ển đổi NLSB

N i dung nghiên cộ ứu

của đề tài đáp ứng đượ c các yêu c u v ầ ề ý nghĩa khoa học, thực ti n và tính c p thiễ ấ ết

6. Điểm mớ i của luận án

Luận án đóng góp cho chuyên ngành những điểm mới như sau:

+ Luận án đ ổã t ng h p thông tin v ợ ề tiềm năng NLSB tại việt nam đồng th i phân ờtích các nguyên lý làm vi c thi t b chuyệ ế ị ển đổi năng lượng sóng bi n ể để làm định hướng cho l a ch n thi t b chuyự ọ ế ị ển đổi năng lượng sóng bi n áp d ng vào khai thác t i ể ụ ạViệt Nam Đồng th i thi t l p h pờ ế ậ ệ hương trình (3.13) mô t chuyả ển động giữa thiế ịt b chuyển đổi và sóng bi n ể

+ Thiế ết k và ch tế ạo được m t lo i thi t b chuyộ ạ ế ị ển đổi năng lượng sóng – điện

d ng chuyạ ển động t nh ti n vị ế ới công su t 50W, s d ng nam châm không lõi s t l n ấ ử ụ ắ ầđầu tiên được nghiên c u t i Vi t Nam Thi t b không c ứ ạ ệ ế ị ố định dưới đáy biển mà dùng

giải pháp hai phao chuyển động ch m pha nhau ậ

+ Luận án đã đề xuất thiết kế và khảo sát các thông số c a thiủ ết bị chuyển đổi năng lượng d ng chuyạ ển động t nh ti n vị ế ới công su t 5kW, lấ àm cơ sở cho các nghiên cứu để

mở r ng phát triộ ển hướng nghiên cứu trong lĩnh vực khai thác năng lượng sóng biển còn non trẻ tại Vi t Nam ệ

7 B c ố ục của lu n án ậ

Ngoài phần mở đầ u và k t luế ận, khuy n ngh nế ị ội dung của lu n án bao g m các ậ ồ

nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên c u ứ

Chương 2: Cơ sở nghiên c u l a ch n thi t b chuyứ ự ọ ế ị ển đổi năng lượng sóng bi n ể

tại Việt Nam

Chương 3: Nghiên cứ độu ng l c h c thi t b chuyự ọ ế ị ển đổi năng lượng sóng bi n ểChương 4: Thiế ết k ch t o mô hình th nghi m thi t b chuyế ạ ử ệ ế ị ển đổi năng lượng sóng biển

Kết luận và ki n ngh ế ị Sau đây là nội dung chính của luận án

5

1.1 Nguồn năng lƣợng từ biển

Năng lượng tái tạo (NLTT) là xu thế phát triển mang tính toàn cầu từ những năm

70, thế kỷ XX một cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến cho cả nhân loại lo lắng về

sự thiếu hụt các nguồn nhiên liệu Đó là nguyên nhân dẫn đến các nước chạy đua giữa các quốc gia trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng những nguồn năng lượng tái tạo Trong khi đó, nguồn năng lượng truyền thống (hóa thạch, thủy năng…) vốn được coi

là nguồn năng lượng chủ yếu hiện tại, và có thể sử dụng trong khoảng 4 5 thập kỷ nữa tuy nhiên nguồn NL truyền thống này đang ngày càng đắt đỏ Các nhà kinh tế năng lượng trên thế giới đã cảnh báo: Hành tinh của chúng ta có thể tiếp tục lâm vào khủng

hoảng năng lượng có tính tàn phá ở thời điểm 2050 2060, nếu chúng ta không tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống hiện có, và nếu không phát triển sử dụng các dạng năng lượng sạch tái tạo [1]

-Những nghiên cứu tận dụng các chất phế thải, thậm chí cả hoa quả để tái tạo các loại năng lượng sạch, đang trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu Những nước đã thành công trong việc nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng mới phải kể đến Brazin, Mỹ, Canada, Đức, Anh, Pháp, Trung Quốc, Nhật Bản…[1]

Những biện pháp khai thác nguồn năng lượng xanh sạch không gây ô nhiễm môi trưỡng sẽ được khuyến khích được áp dụng như: năng lượng gió biển, các nhà máy thủy điện lớn, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời Các chủ trương và chính sách về năng lượng sạch được hậu thuẫn về mặt chính trị, chỉ trong vòng 1 thập niên(2001-2010), năng lượng gió đã trở thành nguồn cung cấp điện hiệu quả Lĩnh vực năng lượng xanh còn tạo được việc làm cho hơn 135.000 nghìn người lao động [2]

Ở nước ta, theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) thì đến năm

2020, tỷ lệ thiếu hụt năng lượng điện của quốc gia lên tới 20 30% mỗi năm- [3] Việc phát triển, sử dụng các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo càng trở nên cấp bách Có thể nói, việc biến từ điện gió và điện mặt trời và năng lượng sóng biển sang điện lưới phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện của rất đông bộ phận người dân tại Việt Nam có ý nghĩa thực tiễn cao và phù hợp với chiến lược phát triển nguồn năng lượng sạch của đất nước

Theo báo quy hoạch điện 7 có bổ sung của EVN Dự kiến Việt Nam sẽ phấn đấu

để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010, 8% vào năm 2020 và 10% vào năm 2030 [3]

1.2 Năng lƣợng sóng biển

Dạng năng lượng d ễ thấy nh t t ấ ừ đại dương chính là năng lượng c a sóng trên ủ

b mề ặt đại dương, sóng đại dương mang năng lượng r t l n Ngu n tấ ớ ồ ạo ra năng lượng sóng dựa trên 4 hiện tượng:

- V t th di chuy n trên ho c g n m ậ ể ể ặ ầ ặt nước gây ra sóng v i chu k ớ ỳ nhỏ và mang năng lượng nh ỏ

- Các hoạt động địa chấn cũng là nguyên nhân gây ra sóng địa ch n bi n ấ ể “hay được gọi là tsunami”

- L c h p d n c a m ự ấ ẫ ủ ặt trăng và mặt trời cũng là nguyên nhân gây ra các đợt sóng triều cường “tidal wave” hay gọi là sóng th y tri u ủ ề

- Gió bi n và các hiể ện tượng khí h u là ngu n t o ra sóng l n nh t, gió th i trên ậ ồ ạ ớ ấ ổ

m t bi n tặ ể ạo ra các đợt sóng khá lớn, các cơn bão có thể gây ra sóng th n và sóng l ng ầ ừhai loại sóng này mang năng lượng cực kỳ ớ l n [6]

Đánh giá chung công suất của chúng trong đại dương khoảng 2,5 - 3TW[4] Trong đại dương, những vùng có công su t sóng bi n ấ ể ổn định gặp tương đối hiếm Để

thực hiện đánh giá cho một vùng c ểụth yêu c u c n ph i có nh ng quan tr c kéo dài, ầ ầ ả ữ ắtrong khi đó, những tài li u quan tr c trên biệ ắ ển nhìn chung tương đối thiếu Để nghiên

c u ch ứ ế độ thường ph i b sung b ng các mô hình tính toán mô ph ng lả ổ ằ ỏ ại các quá trình hình thành và biến đổi hiện tượng, mô hình được ki m ch ng b ng các tài liể ứ ằ ệu đo đạc thực tế

Chẳng h n, có th xem xét các vùng biạ ể ển được nghiên c u nhiứ ều ngày nay như

B c Hắ ải (nơi khai thác dầu khí t bi n m nh nh t) và nói chung là các vùng Bừ ể ạ ấ ắc Đại Tây Dương Trong biển B c Hắ ải, sóng thường khá m nh v i công su t 40kW/m (ạ ớ ấ năng lượng của sóng trên đơn vị 1m chi u dài) trong su t 30% th i gian t n t i và công su t ề ố ờ ồ ạ ấ

g n 10kW/m trong 70% th i gian còn l i Tiầ ờ ạ ềm năng trung bình năm của năng lượng sóng vùng b ờ tây nước Anh theo k t qu ch nh lý tài li u c a 4 tr m quan trế ả ỉ ệ ủ ạ ắc đặ ởt ngoài khơi cách bờ 30 đến 40km trong su t th i gian t ố ờ ừ 7 đến 14 năm thay đổi trong

7

gi i h n t ớ ạ ừ 31 đến 44kW/m Nhưng để đánh giá chính xác tiềm năng năng ợlư ng sóng, ngoài các đặc trưng trung bình của công su t còn ph i có tài li u v ấ ả ệ ề các đặc trưng phổ

và không gian (hướng d ch chuy n) [4] ị ể

Theo công trình nghiên cứu c a G.V Matusepski, bủ ằng phương pháp trung bình các y u t ế ố sóng có tính đế ần t n suất đảm bảo theo mùa đã nhận được các công suất của năng lượng sóng cho các biển như (b ng 1.1)ả sauđây [6]

Bảng 1.1 Mức năng lượng sóng biển tại một số vùng biển trên thế giới

Biển Bering 15-44kW/m Biển Okhốt 12-20kW/m

Biển Barensevo 22-29kW/m Biển Caspien 7-11kW/m

Biển Nhật Bản 21-31kW/m Biển Bantic 7-8kW/m

Biển Hắc Hải 6-8kW/m

M t s nghiên cộ ố ứu đã đưa ra kết qu ả đánh giá mức năng lượng sóng trên th giế ới được bi u di n qua (hình 1.1) ể ễ như sau:

Hình 1.1 Biểu đồ phân bố mức năng lượng sóng trên toàn thế giới [19]

1.2.1 Các đặc trưng của sóng biển

a) Các thuật ngữ

Trong các tài liệu v ề sóng nước người ta thường dùng các thu t ng ậ ữ được thể

hi n chi ti t trong (ệ ế hình 1.2) như sau:

- M t c t sóng: là giao tuy n c a m t sóng v i m t ph ng thặ ắ ế ủ ặ ớ ặ ẳ ẳng đứng theo hướng truy n sóng ề

- Đường trung bình sóng: là đường nằm ngang, chia đôi khoảng cách giữa đáy sóng và đỉnh sóng, n m phía trên mằ ở ực nước tĩnh một độ cao , g i là chi u ọ ề cao dâng tâm sóng

- Đỉnh sóng: điểm cao nh t c a đư ng m t sóng ấ ủ ờ ặ

- Đáy sóng: điểm th p nh t c a đư ng m t sóng ấ ấ ủ ờ ặ

- Đầu sóng: (vùng đỉnh sóng) ph n di n tích n m phía trên m c nư c tĩnh ầ ệ ằ ở ự ớ

- B ng sóng: ụ (vùng đáy sóng) phần di n tích nệ ằm ở phía dưới mực nư c tĩnh.ớ

- Đường đỉnh sóng: (tuy n sóng) là ế đoạn chứa điểm c c đ i c a sóng ự ạ ủ

- Tia sóng là đường vuông góc v i tuy n sóng ớ ế

Hình 1.2 Các thông số cơ bản của sóng biển b) Các thông s ố cơ bản c a sóng: ủ

Trên thự tế dạng sóng ụ th ộc ph u c vào các điều ện ki khác nhau (ví ụ d vùng n c ướ

sâu, ướ n c nông, vùng gió t i, ) sóng có các hổ sẽ dạng khác nhau và tính chất sóng

Sau đó những đợt sóng này s ẽ dao động v phía g n b và bề ầ ờ ắt đầu gia tăng bước sóng, đồng th i chi u cao cờ ề ủa sóng cũng được gia tăng (vùng gia tăng chiều cao sóng

(wave height increases))[38] Ở vùng này, tốc độ ị d ch chuy n cể ủa đỉnh sóng cũng

gi m xuả ống và năng lượng sóng v i chiớ ều tác động đẩy sóng nhô lên gia tăng lực đẩy làm gia tăng chiều cao c a sóng ủ

Khi tiến đến g n b ầ ờ thì sườn sau c a sóng bủ ắt đầu d ch chuyị ển nhanh hơn rất nhi u và ề vượ ới trướt t c, lúc này chi u cao cề ủa sóng được đẩy lên cao nh t và sóng bấ ắt

đầu v ỡ ra và đập vào b hay còn g i là sóng v ờ ọ ỡ(vùng sóng vỡ (surf zone))

l c t ng là ự ổ F1 , vì ở vùng này bước sóng và chi u cao t l ề ỉ ệ tương đố ới v i nhau nên ta

có h p lợ ực của Fz1 Fx1 là F1được xác định trên (hình 1.4) [36]

Hình Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng só

1.2.2.2 Vùng gia tăng chiều cao sóng:

Sóng ở vùng này được gia tăng ậ ốv n t c và l c Fzự 2 được gia tăng nhằm đẩy mực nước lên cao, tăng chiều cao và bước sóng Lực tác động c a b m t sóng lên ch t ủ ề ặ ấ

rồ ậi đ p vào bờ, như vậy lúc này lực Fz3cũng được gia tăng, mà F3 Fz3 Fx3

Như vậy năng lượng vùng sóng này là cao nh t và l c c a mở ấ ự ủ ặt sóng tác động cũng cao nhất và ch y u là l c sóng v Fxủ ế ự ỡ 3 Vi c khai thác v ệ ỡ vùng sóng này đa số

t p trung vào l c sóng ậ ự theo phương ngang, vì v y các thi t b chuyậ ế ị ển đổi năng lượng ởvùng sóng này phải được thi t k sao cho nhế ế ận đượ ực Fxc l 3 do sóng ngang mang tới

để ự l a ch n thi t b chuyọ ế ị ển đổi có hi u su t tệ ấ ối ưu

1.2.3 Đặc trưng năng lượng sóng biển

Năng lượng sóng th hi n hai d ng là th ể ệ ở ạ ế năng của hạt nước trên m t sóng so ặ

v i mớ ặt nước tĩnh và động năng khi hạt nước chuyển động d ng sóng Trong th c t , ở ạ ự ếchuyển động và đặc trưng c a sóng bi n là r t phủ ể ấ ức tạp, nó là t ng h p cổ ợ ủa nhiều sóng

Vì vậy để nghiên c u chuyứ ển động và đặc trưng của nó người ta ph i tính toán các ảthông s c a mố ủ ột nhóm sóng đơn quan trọng hình thành nên nó và nghiên cứu các đặc trưng của sóng trong vùng nào đó là các đại lượng trung bình c a nhóm sóng ủ

80% động năng trong giớ ại h n 4

l n cao sóng ầ độ

100% th ế năng trong giới hạn 1

l n cao sóngầ độHình 1.5 Các dạng năng lượng đặc trưng của sóng biển [1]

Để có khái ni m v ệ ề các đặc trưng năng lượng sóng bi n, s d ng lý thuy t sóng ể ử ụ ếtuyến tính trong đó xem xét một chu k ỳ sóng như trên h( ình 1.5).

Phương trình chuyển động c a nư c trên m t sóng có d ng: ủ ớ ặ ạ

cos

2

H

Trong đó H=2a là độ cao sóng, a là biên đ sóng, k là s ộ ốsóng, là t n s ầ ốsóng

Khi chuyển động, m t phân t ộ ố nước có b dài ề dx trong một đơn vị chiều r ng ộsóng phía trên mặt nước tĩnh có kh i lư ng b ng [5 ố ợ ằ ]:

Hình 1.6 Chuyển động của sóng tịnh tiến [5]

Thế năng chứa trong một đơn vị ề ộng xác đị b r nh b ng ằ (tính trên 1 đơn vị λ):

2 2

p

gadmgx gx

T hai bi u th c này có th nh n th y c ừ ể ứ ể ậ ấ ả thế năng và động năng chứa trong một đơn

v b r ng c a mị ề ộ ủ ột bước sóng là b ng nhau và t l vằ ỷ ệ ới bình phương độ cao sóng, khác

với năng lượng gió hoặc năng lượng dòng chảy nước, nó tỷ ệ ớ ậ ốc ập phương l v i v n t l

Ví d , vụ ới điều ki n trung bình t i các vùng có kh ệ ạ ả năng lớn v ề năng lượng sóng ởnước ta [5], chúng ta có th lể ấy độ cao sóng =2m, và chu kH ỳ sóng T=7s (hình 1.7)

13

Khi đó tổng năng lượng sóng trong một bước sóng trên m t mét b r ng là 386,7kJ ộ ề ộCông su t sóng trug bình t vào khoấ đạ ảng 55.2kW/m t i Vi t namạ ệ Đây là nguồn năng lượng r t lớ vì đất nướấ n c ta có chi u dài kho ng 3260km b bi n ề ả ờ ể

Hình 1.7 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng trên

đơn vị độ dài

Để đánh giá mật độ và biến thiên năng lượng sóng làm định hướng cho các tính toán thiế ết k ch t o các thi t b chuyế ạ ế ị ển đổi năng lượng sóng, chúng ta có th ể tính được th ếnăng hoặc động năng trong 1m2 b mề ặt sóng, thay đổi theo th i gian cùng vờ ới thay đổi theo biên độ sóng Bi u th c bi n thiên th ể ứ ế ế năng thu được khi tích phân (1.3 [-) 1/2;1/2] (m) như phương trình (1.4) Bi n thiên Eế p c a 1mủ 2 mặt sóng như trên hình 1.8

2(sin( 2 ) 2 sin( 2 ))

8

a p

Động năng của cột nước không thay đổi theo th i gian do (vờ x2+vz2) không ph ụthuộc th i gian Tuy nhiên nó lờ ại thay đổi theo độ sâu Tương tự như trên, lấy tích phân (1.6) theo t -x ừ 1/2 đến 1/2 và theo t n 0, Biz ừ x đế ểu đồ thay đổi động năng theo chiều sâu như trên hình 1.10

k

x

k (1.8)

Hình 1.9 Thế năng theo thời gian

Hình 1.10 Động năng theo chiều sâu

T k t qu ừ ế ả trên đồ thị, có th nh n th y r ng gể ậ ấ ằ ần 80% động năng ủa c sóng (2000J) nằm ở độ sâu t ừ 0 đến 10m và kho ng 56% (1400J) n m ở độả ằ sâu t 0-5m ừ

15

Đố ới v i th ế năng thì toàn bộ ằ ở ị n m v trí 1m Và như vậy vùng g n m t sóng là vùng ầ ặ

tập trung năng lượng nh t T nh n xét này có th ấ ừ ậ ể thấy nên phát tri n các thi t b ể ế ị đểthu nhận thành phần năng lượng g n b m t sóng là hi u qu nh ầ ề ặ ệ ả ất

Dòng năng lượng sóng đi qua một đơn vị ộ r ng c a m t m t ph ng vuông góc v i ủ ộ ặ ẳ ớhướng truyền sóng được xác định như ổng dòng năng lượt ng c a sóng trong mủ ột đơn

v ị thời gian và tính trung bình theo chu k , ta có [4]: ỳ

T H g

32

1

với C là tốc độ pha của sóng, T - chu kỳ sóng, E – năng lượng truyền sóng

Việt nam có hơn 3260 km bờ ế bi n kéo dài t B c tớừ ắ i Nam cho nên r t có tiềm ấnăng về năng lượng sóng bi n, qua m t s k t qu nghiên cể ộ ố ế ả ứu đo đạ ố ệc s li u sóng có

th thể ấy r ng khu v c Nam Trung B có mằ ự ộ ức năng lượng l n và sóng có chi u cao t ớ ề ừ1,2 – 2m tương đối đều chi m t 60% - 75% thế ừ ời gian trong 1 năm hình 1.11 ( ) [1] Dưới đây là bản đồ phân vùng năng lượng sóng bi n theo vùng bi n Vi t Nể ể ệ am

Hình 1.11 Bản đồ phân vùng năng lượng sóng biển của Việt Nam [1]

Vì vậy việc khai thác năng lượng sóng biển sẽ là hướng nghiên cứu mới nhằm bổ sung sự đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng cho nước ta hiện nay Theo các kết quả nghiên cứu của [6] mức năng lượng sóng biển của vùng biển Việt nam chia làm 6 vùng từ Móng Cái tới Mũi Cà Mau Đặc điểm 6 vùng có khác nhau về tiềm năng năng lượng sóng (hình 1.12):

- Vùng 1 từ trạm số 1 đến tr m s 11: vùng phía bạ ố ắc vịnh Bắc Bộ: Tại vùng này năng lượng sóng chiếm ưu thế vào các tháng 6, 7, 8 v i giá trị ừớ t 16 kW/m tr lên Vào mùa ởgió đông bắ ởc các tr m phía b c cạ ắ ủa vùng, năng lượng sóng không m nh T i các ạ ạ

trạm phía nam c a vùng này (t ạm 7 đếủ ừtr n trạm 11), năng lượng sóng khá đều, quanh năm đạ ừt t 15kW/m tr lên Dòng năng lưở ợng sóng trung bình năm của vùng này đ t ạkho ng 15kW/m ả

- Vùng 2 từ trạm số 12 đến tr m s 21 là vùng phía nam v nh B c B vạ ố ị ắ ộ ớ ặi đ c đi m làểdòng năng lượng sóng trong gió mùa đông bắc chiếm ưu thế T i vùng này, t tháng ạ ừ

10 năm trước đến tháng 2 năm sau dòng năng lượng sóng đạt giá tr 30kW/m tr lên ị ởTrong gió mùa tây nam, vào các tháng mùa hè, năng lượng sóng t i khu v c này nh ạ ự ỏhơn 20kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt kho ng ả

25kW/m

- Vùng 3 từ trạm 22 đến tr m 37, b c mi n Trung ạ ắ ề là vùng có năng lượng sóng khá nh ỏ

so với các vùng lân cận do trường sóng trong gió mùa đông bắc bị đả o H i Nam che ảchắn Còn trong gió mùa tây nam, ở đây, gió thường th i từ ờ ra khơi Vào các tháng ổ b trong mùa đông, dòng năng lượng sóng tại vùng này cũng khá mạnh Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đ t kho ng 10kW/m ạ ả

- Vùng 4 từ trạm 38 đến tr m 54, nam mi n Trungạ ề : Đây là vùng có dòng năng lượng sóng lớn nh t trên d i ven biấ ả ển nước ta vì là vùng ti p xúc tr c tiếế ự p v i biển thoáng và ớ

có đà sóng gần như không bị ớ ạ gi i h n trong c hai mùa gió th nh hành Trong gió mùa ả ịđông bắc, năng lượng sóng tại vùng này đạ ừt t 30kW/m tr ở lên Đặc bi t t i các tr m ệ ạ ạ

t ừ 43 đến 54 trong tháng 12, dòng năng lượng sóng x p x ấ ỉ 100kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt kho ng 30kW/m ả

- Vùng 5, ven bờ đồ ng b ng Nam B , t ằ ộ ừ trạm 55 đến trạm 71 dòng năng lượng sóng không l n vì ớ ở đây tác động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị h n ch ạ ếDòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt kho ng 18kW/m ả

17

- Vùng 6 là vùng ven bờ ể bi n phía tây nam g m các tr m t ồ ạ ừ 72 đến tr m 83ạ Đây là vùng có dòng năng lượng sóng y u nh t trên toàn d i ven biế ấ ả ển nước ta Có các tr m ạkhông có dòng năng lượng trung bình tháng, có nghĩa là trong cả tháng sóng l ng (có ặ

độ cao nh ỏ hơn 0,5m và chu kỳ nh ỏ hơn 5s) Tại các tr m phía ngoài biạ ển thoáng như trạm trên phía tây của đảo Phú Qu c (trố ạm 72) và các tr m dạ ọc bờ ừ ạ t R ch Giá xuống phía nam (tr m 77 - ạ 83) năng lượng sóng trong mùa gió tây nam đạt kho ng 15kW/m, ả

cực đ i trong tháng 8 Dòng năng lưạ ợng sóng trung bình năm của vùng này đạt kho ng ả5-6kW/m

Hình 1.12 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng [1]

Theo k t qu nghiên c u vùng có tiế ả ứ ềm năng nhất là khu v c bi n Nam trung b ự ể ộNhững vùng còn l i có ti m năng ởạ ề m c trung bình Biứ ểu đồ biến thiên thông lượng

năng lượng sóng của các điểm này theo t ng tháng th hi n trên ừ ể ệ hình 1.13, trung bình

Hình 1.13 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng

Hình 1.14 Thông lượng năng lượng sóng TB năm ven biển Việt Nam

Trong nghiên c u cứ ủa đề tài cấp nhà nước KC.09.19/06-10, bằng phương pháp tính toán mô phỏng trường sóng trong năm của vùng biển đông, sau đó trên cơ sở ố s liệu sóng cũng đã tính ra được các đặc trưng thông lượng năng lượng sóng trên toàn vùng biển Đông [1] Các k t qu ế ả tính toán thông lượng năng lượng sóng tại các điểm

d c ven bi n Vi t Nam cho trên ọ ể ệ hình 1.14 Các k t qu ế ả này cũng cho thấy tiềm năng năng lượng sóng bi n Viể ệt Nam là đáng kể, và vùng có tiềm năng nhất là vùng bi n ểNam trung b ộ

Qua nghiên c u thu th p nh ng tài li u v hứ ậ ữ ệ ề ải văn của Trung tâm d báo khí ựtượng thủy văn trung ương [47] K t qu kh o sát ế ả ả đo đạc các thông s sóng bi n Vi t ố ể ở ệ

19

Nam có được b ng k t qu ả ế ả chiều cao sóng t i các trạ ạm đo sóng ứng với độ sâu của

từng điểm t i vùng Nam Trung B ạ ộ có các điể đo b ng 1.2m ( ả )như sau

Bảng 1.2 Năng lượng TB tháng của một số vùng có tiềm năng nhất (kW/m) [47]

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TB TRAM49(25.0 m)

12o30;109 o 30 97.3 10040.9 15 5 13.3 10 5.9 8.913.660.2 148 43.2TRAM52(20.0m)

11o30:109o00 86.489.9 39.6 14.1 5.4 10 26 9.512.5 21.148.9 117 40TRAM54(50.0m)

11o15:109o00 89.296.3 35.3 10.211.620.864.223.5 23.3 933.5 9142.3TRAM58(20.0m)

Hình 1.15 Phân bố năng lượng sóng TB tháng tại những vùng có tiềm năng nhất

(kW/m)

Trong khu vực Nam trung b ộ thì vùng có điểm quan sát ký hi u Smax (ệ hình 1.16) có tiềm năng lượng l n nhớ ất Đây là vùng gần với vùng ngoài khơi đảo Phú quý,

là hòn o l n cđả ớ ủa Nam trung b , có cộ ảnh quan đẹp, nhưng còn chưa được phát triển Trong các lý do đã nêu thì việc chưa có hệ thống điện là nguyên nhân quan tr ng nhọ ất Các thông s ố cơ bản v ề tiềm năng cũng như đặ trưng sóng ạc t i nh ng vùng này, ữ

độ cao sóng hi u d ng trình bày trong ệ ụ hình 1.15,16 hình 1.19và Từ ế k t qu c a bi u ả ủ ể

đồ nay có th th y vùng nghiên c u hoàn toàn có kh ể ấ ứ ả năng khai thác năng lượng sóng

ở vùng này là kho ng 10kW/m ả Độ cao sóng hi u d ng có th lên t i 2,5m Tuy nhiên ệ ụ ể ớ

để tăng hiệu qu ả phát điện trong thời gian dài trong năm ứng v i ớ độ cao sóng hi u ệ

dụng đưa vào thiế ết k nên l y 1m, vì kho ng 80% thấ ả ời gian trong năm sóng có thể có

độ cao này Hình 1.18 cho th y chu k sóng trong vùng là kho ng 7s ấ ỳ ả

Hình 1.16 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng

Năng lƣợng TB tháng tại vùng tiềm năng nhất của VN

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Hình 1.18 Độ cao sóng của vùng tiềm năng nhất

Chu kỳ sóng TB tháng tại vùng tiềm năng nhất của VN

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tháng

Hình 1.19 Biến đổi chu kỳ sóng theo tháng

T i vùng bi n biạ ể ển năng có chiều cao sóng trung bình là 1,62m (hình 1.18), chiều cao l n nh t có thớ ấ ời điểm vào tháng 12 là 2,69m và thời điểm th p nh t có chi u cao là ấ ấ ề0,68m như vậy đây là vùng có chi u cao mề ở ức tương đối cao, thu n ti n cho vi c s ậ ệ ệ ử

d ng thi t b chuyụ ế ị ển đổi năng lượng d ng phao n i chuyạ ổ ển động t nh ti n Chu k ị ế ỳtrung bình của vùng này T=7,1s (hình 1.19)

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi năng lƣợng

sóng biển

1.4.1 Sơ lược một số nguyên lý và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

Trong xu th phát triế ển năng lượng s ch, tái t o, các nghiên c u s dạ ạ ứ ử ụng năng lượng sóng cũng đang phát triển m nh ạ Tính đến nay đã có hơn 1000 kỹ thu t/công ậngh ệ chuyể đổi năng lượng sóng được đăng ký bản n quy n, phát minh, sáng ch Tuy ề ế

nhiên cho đến nay vi c khai thác nguệ ồn năng lượng này v n còn nhiẫ ều khó khăn do

những đặc trưng của nguồn năng lượng sóng biển như: Sóng biển ph ụ thuộc vào gió cho nên ngu n sóng không ồ ổn định, th i gian không liên t c, có nh ng hiờ ụ ữ ện tượng bất thường như (sóng thần, bão, l c xoáy trên biố ển ), môi trường nước bi n d ể ễ ăn mòn làm h ng h c các thi t b ỏ ọ ế ị khai thác năng lượng sóng bi n, các thi t b ể ế ị thường biến đổi qua các cơ cấu trung gian làm gi m hi u su t chuyả ệ ấ ển đổi Để kh c ph c các y u t đã ắ ụ ế ốnêu hi n nay có nhi u nhóm nghiên c u trên th giệ ề ứ ế ới vẫn ti p tế ục triển khai m nh m ạ ẽCác nghiên c u phát triứ ển năng lượng sóng g p ph i m t s ặ ả ộ ố khó khăn chính đó là: xây d ng các công trình ch u ự ị tác động l n, kh c nghi t c a th i ti t, chớ ắ ệ ủ ờ ế ịu ăn mòn phá hu m nh cỷ ạ ủa môi trường bi n, nguể ồn cung năng lượng thì thay đổi m t cách ngộ ẫu nhiên khó tính toán… Việc thi t k , ch t o m t h thế ế ế ạ ộ ệ ống khai thác năng lượng sóng

hi u qu , có tính c nh tranh v i các nguệ ả ạ ớ ồn năng lượng khác c n nh ng nghiên c u, ầ ữ ứtính toán để ả gi i quyết các khó khăn này m t cách hi u quộ ệ ả Điều đó có nghĩa là phải phát tri n các h ể ệ thống có tính l i ích và hi u qu kinh t ợ ệ ả ế

Để có th tính toán toán thi t k ch t o m t thi t b chuyể ế ế ế ạ ộ ế ị ển đổ năng lượi ng sóng

và ng d ng trong th c t , m t quy trình c n ti n phứ ụ ự ế ộ ầ ế ải được nghiên cứu đó là: Đề xuất

c u t o nguyên lý, mô hình hóa, tính toán mô ph ng, ch t o và th nghi m, ki m tra ấ ạ ỏ ế ạ ử ệ ể

và hoàn thi n ệ ở các quy mô khác nhau trước khi tri n khai quy mô công nghi p ể ở ệNguyên lý cơ bản chung v chuyề ển đổi năng lượng sóng s ẽ được phân tích so sánh tương ứng v i tớ ừng đặc trưng sóng biển c a t ng vùng t ủ ừ ừ đó ựl a ch n m t s ọ ộ ốthiế ịt b có nguyên lý tối ưu được chọn để phân tích, phát tri n mô hình, tính toán và ể

tiế ớn t i thi t kế ế ch t o và th nghiế ạ ử ệm trước khi đưa vào khai thác

T mừ ột ý tưởng, m t thi t b ộ ế ị khai thác năng lượng sóng c n tr i qua m t giai ầ ả ộđoạn dài để phát tri n: Bể ắt đầ ừu t các phân tích lý thuy t, thi t k d án, ti p theo ph i ế ế ế ự ế ả

thực hi n sâu r ng các nghiên c u phát tri n trong phòng thí nghiệ ộ ứ ể ệm ở các kích c nh ỡ ỏ

và vừa trước khi có th ể đưa ra thử nghi m th c t và cu i cùng là phát tri n và thệ ự ế ố ể ực

hi n các d án v i quy mô công nghi p Nh ng hi u bi t sâu r ng là c n thiệ ự ớ ệ ữ ể ế ộ ầ ết để có

thể có đư c các thiợ ết bị ho t đ ng an toàn và hi u qu ạ ộ ệ ả

Để chuyển đổi năng lượng t sóng biừ ển, năng lượng c a sóng ph i chuy n thành ủ ả ể

dạng động năng/thế năng hiệu dụng, sau đó dạng động năng hiệu dụng này được chuyển đổi thành dạng năng lượng mong muốn như điện năng, sau đó sử ụ d ng trực

23

tiếp ho c biặ ến đổi thành chất điện phân ho c nhiên liặ ệu hydro để chuy n t i và s d ng ể ả ử ụcho các mục đích khác nhau Các thiết b chuyị ển đổi năng lượng sóng đều có 4 tính năng vật lý chính như sau [4]:

+ Một bộ phậ ổn địn nh v i chuyớ ển động tương đối của sóng bi n ể

+ M t b ph n chộ ộ ậ ịu tác động của sóng, nó được n i v i b ph n ố ớ ộ ậ ổn định qua b ộ

phận thu năng lượng sóng B ph n chộ ậ ịu tác động c a sóng ph i có kh ủ ả ả năng chuyển

động cùng v i chuyớ ển động c a sóng và b ràng bu c v i b phủ ị ộ ớ ộ ận thu năng lượng sóng

+ B phộ ận thu năng lượng sóng chuyển đổi năng lượng thu được t b ph n ừ ộ ậchuyển động thành các dạng năng lượng có th s d ng ho c chuy n tể ử ụ ặ ể ải đư c.ợ

+ B phộ ận lưu trữ ho c chuy n tặ ể ải và đưa vào sử ụ d ng

Quy trình chuyển đổi, khai thác năng lượng sóng khai thác di n ra ba quá ễ ởtrình:

+ Quá trình đầu tiên gọi là quá trình sơ cấp, trong quá trình này năng lượng sóng thu được qua b phộ ận dao động B ph n này có th là v t n i, vật cứng dao độộ ậ ể ậ ổ ng ho c ặ

cột nước dao động trong thi t b B phế ị ộ ận này lưu trữ năng lượng sóng dở ạng động năng hoặc th ế năng,

+ Quá trình th 2 là chuyứ ển đổi năng lượng đã lấy được ở quá trình th nhứ ất thành dạng năng lượng h u hi u quá trình này, các thi t b ữ ệ Ở ế ị để điều khi n và thu ểnăng lượng bao gồm các van, bơm, và các thành phần thu ỷ khí khác cũng như phần

c ng và ph n mứ ầ ềm điên tử Thông thường đựơc kết thúc b i m t turbine ở ộ

+ Quá trình th ba là cứ ần để chuyển đổi hay chuy n t i ví d ể ả ụ như một motor phát điện n i v i turbine hay thêm vào quá trình chuyố ớ ển hoá nước thành nhiên li u hydro ệ

Đã có n ều ý tưởhi ng thi t k cho thi t b chuyế ế ế ị ển đổi năng lượng sóng đã được đề

xuất, trong đó có nhiều thi t b ế ị đã được th nghi m thành công quy mô công nghiử ệ ở ệp [4] Có nhi u tác gi ề ả đã đưa ra các khái niệm để phân lo i các thi t b ạ ế ị như phân loại theo phương pháp thu hồi năng lượng sóng, phân loại theo kích thước, phân lo i theo ạ

nguyên lý hoạt động Tuy nhiên có th ể liệt kê m t s ộ ố thiết b theo phân lo i cị ạ ủa AEAT (AEA Technology Plc - Diễn đàn tư vấn năng lượng và biến đổi khí h u) Các ậ

loại thiết bị này có th gể ồm các nhóm như sau [40]:

+ Các thi t b s d ng vùng ven b ế ị ử ụ ở ờ biển: các ki u thi t b ể ế ị thuộc nhóm này có thể ể đến như loại dùng dao độ k ng mực nước do sóng, loại kênh hình nêm để thu nh n ậthế năng của nước dâng do sóng, lo i con lạ ắc để ắ l c theo nh p v c a sóng [4] Các ị ỗ ủthiế ị này thườt b ng là nh ng công trình bi n, xây c nh, t n kém và d b ữ ể ố đị ố ễ ị hư hại do tác động kh c nghi t cắ ệ ủa môi trường bi n Ngoài ra còn khó thi t k do ể ế ế ảnh hưởng c a ủthu triỷ ều

Các thi t b s d ng cho vùng g n b bi n: các ki u thi t b thu c nhóm này + ế ị ử ụ ầ ờ ể ể ế ị ộ

thường có b ph n c nh vộ ậ ố đị ới đáy biển và m t b ph n nhộ ộ ậ ận dao động t sóng, ừchuyển động tương đối gi a 2 b ph n này s ữ ộ ậ ẽ được chuyển đổi thành cơ năng sau đó thành điện năng Việc xây d ng các công trình nàự y thường v ở ị trí trước sóng v k t ỡ để ế

h p v i chợ ớ ức năng chắn sóng [4] Do có b ộ phận g n vắ ới đáy biển, nên các thi t b này ế ịthường có c u t o ph c tấ ạ ứ ạp để có kh ả năng tự thay đổi độ cao c a b ph n chuy n ủ ộ ậ ể

động cùng sóng biển để phù h p vợ ới thay đổi m c nư c do thu tri u, giá thành cao ự ớ ỷ ề Các thi t b s d+ ế ị ử ụng ngoài khơi: các thiết b ị thiết b ị thuộc nhóm này thường

v i mớ ục đích khai thác nguồn năng lượng l n t ớ ừ các sóng năng lượng lớn ở các vùng nước sâu Trong h u h t các loầ ế ại đã thiết k thuế ộc nhóm thường có m t b ph n n i ộ ộ ậ ổtrên m t ho c g n m t sóng và chuyặ ặ ầ ặ ển động lên xu ng cùng vố ới dao động c a sóng ủTiếp theo b ph n ộ ậ ổn định hơn phía dưới mặt nước hoặc phao khác để ạ t o ra chuy n ểđộng tương đối khác nhau gi a hai b ph n này Hai b ph n này n i v i nhau bữ ộ ậ ộ ậ ố ớ ằng cơ

cấu để chuyển đổi dao động của phao thành năng lượng cơ học làm quay máy phát điệ ạo năng lượng để ử ụn t s d ng Các ví d v loụ ề ại này đã được mô t chi ti t trong [4] ả ếCác thi t b ế ị loại này có ưu điểm c u tấ ạo đơn giản, cơ động nên thích nghi được với thay đổ ội đ sâu do thu tri u, ít ch u các l c phá hu ỷ ề ị ự ỷ hơn so với 2 lo i trên ạ

Trong các lo i thi t b , chúng ta có th + ạ ế ị ể thấy ph n l n thi t b s d ng b ph n ầ ớ ế ị ử ụ ộ ậphao nổi để truyền năng lượng sóng, vi c khệ ảo sát đặc tính chuyển động và truy n tề ải năng ợlư ng c a phao n i có vai trò quan tr ng trong tính toán thi t k thi t b chuy n ủ ổ ọ ế ế ế ị ể

đổi năng lư ng sóng ợ

T nh ng tìm hi u, nghiên c u t ng quan trên, các thi t b có th ừ ữ ể ứ ổ ở ế ị ể được thống

kê theo các nguyên lý như trong sơ đồ ủ c a hình 1.20 [30 ]