Nguyên cứu tính toán thiết kế hộp số chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện

Bài báo: “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi” của các tác giả: ThS.. Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu thiết bị biến đổi năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

S 0 9

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ

CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

MÃ SỐ: SV2021 - 186 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: PHẠM NGỌC TÀI

S KC 0 0 7 6 6 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ CHUYỂN ĐỔI NĂNG

LƯỢNG SÓNG THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

SV2021-186

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

Dân tộc: Kinh

Ngành học:Công nghệ kỹ thuật cơ khí

Người hướng dẫn: Ts Phan Công Bình

TP Hồ Chí Minh, 6/2021

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh mục các từ viết tắt iv

Danh mục các biểu đồ và hình ảnh v

Danh mục các bảng biểu vii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1 Các nghiên cứu trong nước 1

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước 9

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 16

1.3 Ý nghĩa thực tiễn 17

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án 18

1.4.1 Mục tiêu chung 18

1.4.2 Mục tiêu cụ thể 18

1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 18

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 18

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 18

1.6 Phương hướng tiếp cận và lựa chọn phương án ý tưởng thiết kế 19

1.6.1 Các tồn tại 19

1.6.2 Đề xuất nhiệm vụ của đồ án 19

1.7 Kết cấu đồ án 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

2.1 Cơ sở tính toán năng lượng sóng 21

2.1.1 Những thông số của sóng 21

2.1.2 Cơ sở tính toán năng lượng sóng 22

2.2 Cơ sở tính toán thiết kế mô hình phao 23

2.3 Cơ sở tính toán thiết kế đối trọng 26

2.4 Cơ sở lựa chọn máy phát điện 28

2.5 Cơ sở tính toán hộp số 30

2.6 Động lực học của thiết bị 42

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH 46

1.1 Tính toán năng lượng sóng 46

1.2 Tính toán, thiết kế phao 46

1.3 Tính toán, thiết kế, chế tạo đối trọng 49

1.4 Tính toán, thiết kế khung 50

1.5 Tính toán thiết kế cần 51

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ 52

4.1 Cơ sở tính toán hộp số 52

4.2 Xác định thông số trên các trục: 53

4.3 Tính toán, lựa chọn bộ truyền xích 55

4.4 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng 56

4.5 Khớp nối trục 67

4.6 Tính toán thiết kế trục 67

4.7 Tính toán lựa chọn ổ lăn 76

4.8 Tính toán bánh đà 79

Chương 5

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 815.1 Kết luận 815.2 Kiến nghị 81TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải.

1

Hình 1.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải 2

Hình 1.3: Nguyên lý mô hình của tác giả ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn và ThS Đoàn Thị Vân 3

Hình 1.4: Mô hình của tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba 4 Hình 1.5: Mô hình của tác giả Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương 5

Hình 1.6: Mô hình của tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh Châu Duy 6

Hình 1.7: Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí 7

Hình 1.8: Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội 7

Hình 1.9: Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng lượng 8

Hình 1.10: Tỷ lệ phát triển của mô hình sóng biển trên thế giới 9

Hình 1.11: Các công trình thu hồi năng lượng sóng trên thế giới 9

Hình 1.12: Thiết bị Pelamis 10

Hình 1.13: Thiết bị Crestwing 11

Hình 1.14: Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy 11

Hình 1.15: Hệ thống phao tiêu chìm AWS 13

Hình 1.16: Công nghệ năng lượng đại dương PowerBuoy 14

Hình 1.17: Hệ thống WEPTOS 15

Hình 1.18: Thiết bị Wavestar 15

Hình 1.19: Thiết bị vượt sóng Wave Dragon 16

Hình 1.20: Mô hình sơ bộ 20

-

Hình 2.1: Các thông số của sóng 21

Hình 2.2: Phân loại chiều sâu mực nước 23

Hình 2.3: Một số hình dạng thông dụng của phao 23

Hình 2.4: Hình dáng phao 24

Hình 2.5: Bảng tra mw 25

Hình 2.6: sơ đồ chuyển đổi công suất 26

Hình 2.7: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng 27

Hình 2.8: Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC 29

Hình 2.9: Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát điện29 Hình 2.10: Hộp số 30

Hình 2.11: Các thông số hình học của bộ truyền bánh răng 31

Hình 2.12: Sơ đồ phân tích động lực học thiết bị 42

Hình 2.13: Đặc tính sóng điều hòa 42

-

Hình 3.1: Bản vẽ tổng thể của phao 48

Hình 3.2: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng 49

Hình 3.3: Bản vẽ tổng thể đối trong 50

Hình 3.4: Tổng thể bộ khung 51

-

Hình 4.1: Sơ đồ hộp số 52

Hình 4.2: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên trục 68

Hình 4.3: Biểu đồ nội lực trên trục I 73

Hình 4.4: Biểu đồ nội lực trên trục II 75

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1:Trị số môđun theo tiêu chuẩn của bánh răng 32

Bảng 2.2: Các thông số hình học của bộ truyền bánh răng trụ 33

Bảng 2.3: Giới hạn mỏi tiếp xúc σ0Hlim và uốn σ0Flim 35

Bảng 2.4: Hệ số tải trọng KHE và KFE 36

Bảng 2.5: Hệ số phụ thuộc vào bánh răng và độ rắn bề mặt răng 38

Bảng 2.6: Hệ số KHβ và KFβ 39

Bảng 2.7: Chọn số răng đĩa xích bánh dẫn 40

Bảng 2.8: Trị số công suất cho phép của bộ truyền xích 42

-

Bảng 3.1: Các thông số của phao 49

-

Bảng 4.1: Phân phối tỷ số truyền 54

Bảng 4.2: Thông số đĩa xích 35 – 18B 56

Bảng 4.3: Các thông số đầu vào 57

Bảng 4.4: Các thông số và kích thước bộ truyền 66

Bảng 4.5: Đường kính sơ bộ của các trục 70

Bảng 4.6: Kích thước các đoạn của hai trục 76

Bảng 4.7: Thông số đầu vào của bánh đà 79

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế hộp số chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện

- Thành viên đề tài:

- Người hướng dẫn: Ts Phan Công Bình

2 Mục tiêu đề tài: Thiết kế hộp số chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện

3 Tính mới và sáng tạo:

Biến chuyển động tịnh tiến của phao thành chuyển động quay 1 chiều của hộp số Đưa ra 1 một mô hình hộp số giúp biến đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện

4 Kết quả nghiên cứu:

Đưa ra được mô hình hộp số chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Góp phần nghiên cứu, tìm ra 1 phương pháp khai thác nguồn năng lượng sạch thay cho năng lượng hóa thạch Làm tiền để cho các nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu

có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày tháng năm

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Các nghiên cứu trong nước

Bài báo: “Nghiên cứu và thử nhiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển” của tác giả Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải – Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam được đăng trên “Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 17, Số 1: 2017” Bài viết đưa ra các kết quả đạt được trong nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Thiết bị phát điện được chế tạo hoạt động theo phương thẳng đứng của sóng biển, phao của thiết bị thả nổi trên mặt biển để truyền năng lượng sóng biển đến máy phát điện được gắn cố định ở đáy biển Kết quả thử nghiệm ở biển nhận được với công suất hoạt động ổn định đạt đến 200 W, điện áp phát ra 220 VAC tần số 50 Hz thực sine Các kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị hoàn toàn phù hợp với các điều kiện thực tế biển Việt Nam

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn

Hải.[1]

Hình 1.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải

Bài báo: “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi” của các tác giả: ThS Phùng Văn Ngọc - Viện Khoa học thủy lợi Miền Trung và Tây nguyên, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, ThS Đoàn Thị Vân - Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung Ương được đăng ở tạp chí Khoa học và công nghệ thủy lợi số 21 - 2014 Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng

sử dụng nguyên lý phao nổi hình hộp chữ nhật Bài báo cũng đưa ra một số kết quả tính toán cho thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển áp dụng cho vùng có mức năng lượng lớn

Hình 1.3: Nguyên lý mô hình của tác giả ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế

Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn và ThS Đoàn Thị Vân [2]

Bài báo: “Khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển” của các tác giả: Phùng Văn Ngọc - Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây nguyên, Nguyễn Thế Mịch - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đặng Thế Ba - Trường Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội được đăng trên tạp chí Khoa học

kỹ thuật thủy lợi và môi trường - số 41 (6/2013) Bài báo giới thiệu các nghiên cứu về thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng sử dụng nguyên lý phao nổi Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng khảo sát, phân tích và tính toán các đặc tính của thiết bị biến đổi năng lượng sóng

Các kết quả nghiên cứu cho thấy được việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi hoàn toàn đáp ứng về mặt chuyển đổi năng lượng trong thực tế với điều kiện áp dụng tại vùng biển Việt Nam Quá trình nghiên cứu đưa ra một số kết quả tính toán cho thiết

bị biến đổi năng lượng sóng biển dạng hình trụ áp dụng cho vùng có mức năng lượng lớn

Hình 1.4: Mô hình của tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba [3]

Bài báo: “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đặt ven bờ” của tác giả: Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương được đăng trong tạp chí Khoa học và công nghệ xây dựng số 4 – 2017 Trong bài báo này, một mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển theo nguyên lý phao nổi được đề xuất, một số thông số chính của thiết bị cũng được tính toán, khảo sát cho điều kiện Việt Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi chuyển hóa năng lượng sóng thành năng lượng dòng thủy lực

để làm quay tuabin máy phát điện là phù hợp với điều kiện tại một số khu vực

Hình 1.5: Mô hình của tác giả Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương [4]

Bài báo: “Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện” của các tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM, Trường ĐH Bách khoa TP HCM Bài báo này giới thiệu các nghiên cứu của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển như bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) và bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon (WD) Bên cạnh đó, các nghiên cứu, phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng được giới thiệu trong bài báo Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab cho thấy tính hiệu quả của các bộ điều khiển mà đã được áp dụng cho máy phát điện đồng

bộ nam châm vĩnh cửu của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển

Hình 1.6: Mô hình của tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh

Châu Duy [5]

Viện Nghiên cứu Cơ khí thực hiện thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trong khuôn khổ đề tài KC.05-17/06-10, thiết bị hoạt động theo mô hình thả nổi trên mặt biển dạng rắn biển với công suất thiết kế từ 5÷10 kW [6] Thiết bị được chế tạo gồm năm boong phao, trong đó ba boong phao thu nhận năng lượng và hai boong phao chuyển đổi năng lượng được lắp đặt các mô tơ phát điện loại công nghiệp Các boong phao được liên kết với nhau bằng khớp bản lề để thu nhận năng lượng, dưới tác dụng của sóng biển hệ thống thuỷ lực sẽ cung cấp dòng lưu lượng dầu ổn định với áp suất cao đẩy quay các mô tơ phát điện Thiết bị đã hoạt động thử nghiệm tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng và cung cấp điện năng cho bộ đội biên phòng đóng trên đảo sử dụng

Hình 1.7: Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí

Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển dạng phao nổi, thiết bị được thiết kế chế tạo hoạt động thả nổi trên mặt biển theo phương thẳng đứng Trong mô hình, các tác giả đã tính toán chế tạo mô tơ phát điện dạng chuyển động tịnh tiến lên xuống và phát điện trực tiếp, với nam châm của mô

tơ phát được gắn xung quanh trục chuyển động nằm ở giữa, các cuộn dây cảm ứng được lắp đặt xung quanh trục nam châm để phát ra điện năng Thiết bị đã được tiến hành thử nghiệm ở biển, với công suất điện từ thiết bị phát ra đã nhận được còn hạn chế, thiết bị

là sản phẩm thuộc đề tài mã số QG.14.1 [7,8]

Hình 1.8: Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội

Viện Khoa học Năng lượng, thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN đã thực hiện đề tài

mã số VAST07.04/14-15, trong đề tài đã chế tạo được một mô hình thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển hoạt động nổi trên mặt biển sử dụng mô tơ phát điện dạng máy phát thủy điện loại trục đứng Thiết bị hoạt động trên bề mặt sóng biển và gắn cố định trên mặt biển Thiết bị được chế tạo gồm hai khoang chứa15 trên dưới, khoang ở trên nhận nước biển đổ vào trong nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng sóng đến đỉnh sóng và đồng thời khoang dưới xả nước đẩy quay mô tơ phát điện trong nửa chu kỳ kế tiếp khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng Trong mô hình thiết bị, các tác giả sử dụng loại mô tơ phát điện có công suất định mức 60 W, với công suất điện phát ra khi thử nghiệm ở biển đã nhận được 50,92 W Cách thức thử nghiệm: các tác giả sử dụng cần cẩu cảng buộc cáp thả treo thiết bị giữ ở mức lơ lửng trên bề mặt nước biển để khảo sát thử nghiệm sự hoạt động của thiết bị [9]

Hình 1.9: Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng lượng

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước

Mối quan tâm về năng lượng sóng được thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 Một số nhà nghiên cứu đã tiến hành kiểm tra tiềm năng tạo ra điện từ sóng biển Cho đến hiện nay theo thống kê trên thế giới có hàng trăm các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này, ngoài ra còn nhiều tổ chức, cá nhân đóng góp rất nhiều công trình từ phát minh, sáng chế để không ngừng nghiên cứu và phát triển các thiết bị công nghệ WEC

Hình 1.10: Tỷ lệ phát triển của mô hình sóng biển trên thế giới

Hình 1.11: Các công trình thu hồi năng lượng sóng trên thế giới

❖ Thiết bị pelamis:

Pelamis là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, nối với nhau bằng bản lề Sóng biển làm chuyển động mạnh hệ thống phao, nó tác động mạnh vào hệ thống bơm thủy lực làm quay turbin phát điện Hàng loạt thiết bị tương tự

sẽ kết nối với nhau, làm cho turbin hoạt động liên tục Dòng điện được truyền qua giây cáp ngầm dưới đáy đại dương dẫn vào bờ, nối với lưới điện, cung cấp cho hộ sử dụng Nếu xây dựng nhà máy điện có công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2

Hình 1.12: Thiết bị Pelamis [10]

Pelamis neo ở độ sâu chừng 50 – 70 m, cách bờ dưới 10 km, là nơi có mức năng lượng cao trong các con sóng Và Pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul có hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ Mỗi thiết bị pelamis có thể cho

công suất 750 kW, nó có chiều dài 140 – 150 m, có đường kính ống 3 - 3,5 m

Tại Bồ Đào Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis có công suất 2,25 MW Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3 MW, với giá thành 4 triệu bảng

❖ Hệ thống Crestwing

Crestwing bao gồm hai phao hình chữ nhật được nối với nhau bằng bản lề Hai chiếc phao nối liền nhau chuyển động tương quan với nhau Một thanh đẩy được gắn

vào phao sau và lắp vào phía trước Thanh đẩy di chuyển một giá đỡ và bánh răng nhờ

đó nó dẫn động một máy phát điện Máy phát điện hoạt động như một phanh hãm Năng lượng được tạo ra khi sóng kéo đi và tâm của cây bị kéo xuống

Hình 1.13: Thiết bị Crestwing [10]

❖ Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy:

AquaBuoy là một hệ thống phao nổi, có nguyên lý hoạt động nhằm biến đổi năng lượng động học của chuyển động thẳng đứng do các đợt sóng biển tạo ra năng lượng điện sạch Nhờ việc trồi lên, ngụp xuống của sóng biển làm hệ thống phao nổi dập dềnh lên xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuyển động, tạo ra dòng điện Điện dẫn qua hệ thống cáp ngầm đưa lên bờ, hòa vào lưới điện

Hình 1.14: Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy [10]

Mỗi phao tiêu có thể đạt công suất tới 250 kW, với đường kính phao 6 m Nếu trạm phát điện có công suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển

Bơm ống là ống cao su cốt thép, nó hoạt động như cái bơm bình thường, khi sóng nén, nước biển phọt mạnh về phía sau, có chứa một bộ cao áp, làm quay turbin, điện thu được, dẫn qua cáp ngầm vào bờ để hòa chung vào lưới điện

Ngoài ra trên các AquaBuoy, đặt các tấm pin mặt trời; turbin gió nhỏ nhằm tạo ra nguồn điện năng cho các thiết bị chuẩn đoán gắn trong Aqua Buoy Tất cả dữ liệu về thiết bị đều được truyền bằng công nghệ không dây, vệ tinh về khu vực điều hành Hệ thống Aqua Buoy thường lắp đặt cách bờ chừng 5 km ở nơi biển có độ sâu 50m

Năm 2006, dự án 800 kW, ở Makar Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình

Dự án 2 MW tại Figuera da Foz, Bồ Đào Nha và dự án 2 MW ở miền Nam California, Mỹ

❖ Hệ thống phao tiêu chìm ASW

Ở Công ty AWS Ocean Eneny, Scotland người ta phát minh ra hệ thống máy phát điện mới nhằm biến chuyển động sóng thành điện năng Khác với những hệ thống đang tồn tại Đó là hệ thống phao tiêu nằm chìm dưới mặt nước, nên không bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu trên mặt biển Hệ thống phao tiêu ngầm giống như những quả ngư lôi dưới mặt nước biển chừng 50 m mà vẫn tạo ra điện năng nhờ sóng biển Họ đã thành công năm 2008

Hình 1.15: Hệ thống phao tiêu chìm AWS [10]

Các hệ thống nổi trên mặt biển dễ bị các trận bão tàn phá, thì hệ thống chìm của AWS (Aschimedes Wave Swing) đã chế tạo bằng vật liệu sử dụng như dàn khai thác dầu mỏ ngoài khơi, được đặt ở độ sâu yên tĩnh Hệ thống tạo ra năng lượng nhờ sóng biển từ xa, qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nước

Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 m, rộng 10 m chứa khí nén bên trong khiến phao không chìm, nửa trên chỉ chuyển động theo chiều thẳng đứng Khi sóng lướt qua, sự tăng khối lượng nước làm gia tăng áp suất cột nước và phần bên trên

hệ thống bị đẩy xuống dưới Giữa hai đợt sóng, cột nước hạ xuống, áp suất hạ theo làm nổi lên phần trên của hệ thống Chuyển động bơm biến thành điện năng Điện được chuyển tải qua cáp ngầm, lên hòa vào lưới điện quốc gia

❖ Hệ thống PowerBuoy:

Các bộ hấp thụ điểm là các cấu trúc nổi có kích thước ngang nhỏ so với kích thước dọc của chúng và sử dụng tác động của sóng tại một điểm Hầu hết các thiết kế cho các điểm hấp thụ giống như một chiếc phao thông thường Nói chung, một đầu của bộ hấp thụ được cố định (hoặc tương đối cố định so với mặt nước) trong khi đầu kia chuyển động theo chiều dọc, hành động chuyển động ngược được sử dụng để bơm chất lỏng hoặc điều khiển máy phát tuyến tính, từ đó có thể cung cấp năng lượng có thể sử

dụng Bộ hấp thụ điểm là một trong những loại thiết kế phổ biến nhất trong ngành công nghiệp hiện nay và PowerBuoy

PowerBuoy sản xuất ra điện nhờ kết cấu gồm hai phần chính: một phao có đường kính 1,52 m, cao 1,52 m và một cột cao 7,62 m

Hình 1.16: Công nghệ năng lượng đại dương PowerBuoy [10]

❖ Hệ thống WEPTOS

WEPTOS có cấu trúc hình tam giác đơn giản và bền bỉ, được kết nối thông qua một bộ phận linh hoạt trong cánh cung Cấu trúc được neo bởi dầm định vị chính xác theo hướng của sóng

Thông qua cấu trúc góc nổi của nó, bộ chuyển đổi năng lượng sóng có thể điều chỉnh năng lượng sóng đầu vào và giảm tác động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Cấu trúc hình chữ V hấp thụ năng lượng sóng thông qua một đường trục quay, và mỗi trục quay truyền năng lượng đến một trục chung, được gắn trực tiếp vào máy phát điện Bằng cách này, sẽ tạo ra năng lượng đồng đều trong suốt thời lượng sóng, cho phép áp dụng các giải pháp máy phát điện đã biết khác

Khi một làn sóng chạm vào một rôto riêng lẻ, cơ học của trục khớp làm cho nó quay Sau khi một làn sóng truyền qua cánh quạt riêng lẻ, trọng tâm làm cho cánh quạt quay ngược trở lại điểm xuất phát

động trực tiếp máy phát điện Một nguyên mẫu với tổng cộng hai phao nổi (đường kính

5 m) đã được thử nghiệm trên biển tại DanWEC, Hanstholm, Đan Mạch

❖ Thiết bị vượt sóng Wave Dragon

Bộ chuyển đổi năng lượng sóng vượt sử dụng sự khác biệt về năng lượng tiềm năng để tạo ra năng lượng hữu ích Các thiết bị này tạo lại một cột sóng tương tự mà chúng ta sẽ tìm thấy trên bãi biển Cánh tay dang rộng tập trung sóng để chúng nâng theo chiều cao Các sóng sau đó được hướng tới một bãi biển nhân tạo, nơi nước sẽ chảy lên một đoạn dốc và vào một bể chứa ở độ cao hơn mực nước biển xung quanh Từ đây, chất lỏng được thoát ra từ độ cao hơn và dòng chảy được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tua bin Các thiết bị này có nhiều khả năng lắp đặt gần bờ, nhưng một số đã được chuyển đổi để sử dụng ngoài khơi, chẳng hạn như Wave Dragon Loại WEC này phải tự điều chỉnh theo chiều cao của sóng tới để có hiệu quả tốt nhất, do đó có một hệ thống không khí điều áp được sử dụng để điều chỉnh độ cao nổi

Hình 1.19: Thiết bị vượt sóng Wave Dragon [10]

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng đã đóng một vai trò quan trọng trong đời sống sinh hoạt và sản suất của con người Trong khi đó, các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, thủy điện, hạt nhân đang ngày một cạn kiệt Thêm vào đó, việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch đang gây ra những tác động xấu đến môi trường và là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí hậu dẫn đến những thảm họa tự nhiên đe dọa đến sự sống của con người Chính vì lý do này, hầu hết các quốc

gia trên thế giới đang nổ lực nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nhằm mục đích thay thế phần nào nguồn năng hóa thạch đang được khai thác và

có xu hướng cạn dần

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 nượng 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

So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, thì năng lượng sóng biển có mức đầu tư

ít hơn, đơn giản hơn, ít ảnh hưởng tới môi trường Tuy nhiên, trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và khai thác tại nước ta thì năng lượng sóng biển chưa nhận được nhiều sự quan tâm Mặc dù, được biết rằng mỗi mét vuông của một tấm pin mặt trời nhận được từ 0,2 đến 0,3 kW năng lượng mặt trời, và mỗi mét vuông của tháp điện gió sẽ hấp thụ từ 2 đến 3 kW Trong khi đó mỗi mét vuông bờ biển nhận được

30 kW năng lượng sóng [11]

1.3 Ý nghĩa thực tiễn

Theo thống kê, trong nhiều năm qua đã có hơn một ngàn sáng chế về năng lượng sóng biển Các sáng chế đầu tiên để tận dụng năng lượng từ sóng biển đã có từ năm 1799

và đã được tập hợp tại Paris bởi Girard và con trai của ông [12]

Nghiên cứu tiên phong là thí nghiệm của Yoshio Masuda trong thập niên 1940 Ông đã thử nghiệm những khái niệm khác nhau của các thiết bị năng lượng sóng trên biển, với hàng trăm thí nghiệm được sử dụng để chuyển hướng đèn điện [12]

Tuy vậy, nhưng rất ít trong số đó được các viện nghiên cứu công nghệ trên thế giới lựa chọn thử nghiệm và phát triển Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển các nhà khoa học tin tưởng rằng việc phát triển mô hình chuyển đổi năng lượng của sóng biển thành năng lượng điện nhờ các bộ chuyển đổi năng lượng đang rất có tiềm năng

Nước ta có đường bờ biển dài trên 3200 km, đứng thứ 32 trên tổng số 156 quốc gia Bên cạnh đó, nước ta cũng có nhiều các hải đảo vì vậy năng lượng sóng biển ven

bờ của nước ta là rất lớn Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng của sóng biển thành năng lượng điện có rất nhiều lợi thế

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án

1.4.1 Mục tiêu chung

Việc nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng có ý nghĩa trong việc mở ra một hướng mới nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng chung của đất nước, cũng như cho các khu vực và lĩnh vực hoạt động mà nguồn cung cấp năng lượng còn rất khó khăn (ven biển, hải đảo, các hoạt động trên biển…) trong tương lai

1.4.2 Mục tiêu cụ thể

Với những điều kiện thực tế được nêu trên, được sự hướng dẫn của TS Phan Công Bình, nhóm đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo cơ cấu chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện”

Nhằm tạo ra thiết bị phục vụ việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống máy phát điện bằng năng lượng sóng biển với mục tiêu giảm tải cho điện lưới quốc gia và tiến đến việc sử dụng năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng chủ yếu Đề tài sẽ đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển thành sản phẩm thực tế đưa vào phục vụ đời sống và cung cấp nguồn điện năng dồi dào cho các khu vực dân cư ven biển và hải đảo

1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: Sóng biển ở vùng ven bờ biển Vũng Tàu

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Vì điều kiện thời gian còn hạn chế, đề tài chỉ nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển với mục đích để thử nhiệm thực tế thiết bị tại vùng biển Vũng Tàu Áp dụng làm tiền đề để cải tiến và phát triển các trạm thu hồi năng lượng sóng cấp phát điện cho các vùng ven biển và hải đảo

1.6 Phương hướng tiếp cận và lựa chọn phương án ý tưởng thiết kế

1.6.1 Các tồn tại

❖ Tại Việt Nam:

Ở Việt Nam các thiết bị hầu hết đều hoạt động dựa theo nguyên lý phao nổi trên mặt biển vì thế bị ảnh hưởng rất lớn khi biển động hay gió bão hay va chạm với tàu thuyền trên biển

1.6.2 Đề xuất nhiệm vụ của đồ án

Qua các nghiên cứu, phân tích và đánh giá về các thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển trên thế giới, cũng như tại Việt Nam đã cho thấy thiết bị sử dụng phao thả nổi thu được hiệu suất tốt hơn Đồng thời để đáp ứng được điều kiện của vùng biển nước ta cho thấy thiết bị phát điện được gắn cố định gần bờ biển là phù hợp

Nguyên lý làm việc vủa thiết bị

Sau mỗi đợt sóng tới khiến phao (3) đi lên và kéo dây cáp (10) + xích (4) dịch chuyển làm quay bánh răng (5) kéo theo trục chính của hộp số 1 chiều (6) quay (tăng tốc chuyển động) và làm quay máy phát (7) tạo ra dòng điện Đối trọng (9) sẽ làm nhiệm

vụ giữ dây cáp luôn căng khi thiết bị làm việc và tiếp tục chu trình tiếp theo

Hình 1.20: Mô hình sơ bộ

1.7 Kết cấu đồ án

Đề tài gồm 5 chương:

- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH

- CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỘP SỐ

- CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

sóng là đỉnh sóng Điểm thấp nhất của đáy sóng là chân sóng [13]

Hình 2.1: Các thông số của sóng

Mực sóng trung bình là đường thẳng cắt profin sóng sao cho diện tích tổng cộng phần trên và phần dưới của profin sóng bằng nhau

Độ cao sóng h là khoảng cách giữa đỉnh sóng và chân sóng xác định trên profin

sóng dọc hướng truyền của sóng

Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau

trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng

Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một đường

thẳng đứng cố định

Vận tốc truyền sóng hay vận tốc pha là vận tốc di chuyển ngọn sóng theo hướng truyền Khái niệm về vận tốc truyền sóng chỉ áp dụng với sóng tiến

Tỷ số độ cao sóng và bước sóng h/λ gọi là độ dốc của sóng

Phần sóng từ chân sóng đến đỉnh sóng hướng về phía gió thổi tới tạo thành sườn đón gió của sóng, phần ngược lại từ đỉnh đến chân sóng khuất gió gọi là sườn khuất gió của sóng

2.1.2 Cơ sở tính toán năng lượng sóng

Công suất trung bình của sóng được xác định theo lý thuyết tuyến tính và được tính theo công thức sau [14]:

E : là mật độ năng lượng trung bình trên mộ đơn vị diện tích, và được tính bằng

tổng của động năng E k và thế năng E p

Mật độ năng lượng được tính theo công thức:

Xa bờ Gần bờ bờ biển

Hình 2.2: Phân loại chiều sâu mực nước

Ở đây ta chỉ xét với vùng bờ biển hay còn gọi là vùng nước cạn thì vận tốc nhóm bằng vận tốc pha và được tính:

c=v p = gh (2.3)

2.2 Cơ sở tính toán thiết kế mô hình phao

Phao có nhiệm vụ tiếp nhận các đợt sóng, nhận năng lượng từ sóng từ đó qua các

hệ thông chuyển đổi biến thành năng lượng điện

Với cùng nguyên lý chuyển động tịnh tiến nhưng hình dạng và kích thước của phao thu nhận khác nhau sẽ thu được những kết quả khác nhau về công suất của như hiệu quả của thiết bị

Hình 2.3: Một số hình dạng thông dụng của phao

Theo “Tạp chí Quốc tế về Kiến trúc Hải quân và Kỹ thuật Đại dương” [15] đã có các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của hình dạng phao tới bộ hấp thụ điểm Kết quả cho thấy phao có hình dạng hình cầu sẽ cho kết quả tối ưu nhất và tiếp sau đó là hình trụ Tuy nhiên, việc gia công phao có hình cầu khá phức tạp và tốn kém, cho nên chọn phao hình trụ sẽ tối ưu hơn Khi tiếp nhận sóng phao sẽ chịu ảnh hưởng theo cả hai phương thẳng đứng và ngang, cho nên phần trụ ngập trong nước sẽ một phần gây ra yếu

tố cản sóng tới Cho nên để tối ưu việc cản sóng phần ngập dưới nước sẽ được thiết kế hình nón

Hình 2.4: Hình dáng phao

Theo các nhà nghiên cứu về năng lượng sóng McCormick (1973), Bhattacharyya (1978), cùng với các nhà nghiên cứu khác thì ta nhận được cùng một biểu thức tính toán tần số dao động nhấp nhô tự nhiên của mô hình phao là:

Z

gA cc

Tz: chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s)

z

 :tần số góc của dao động nhấp nhô (rad/s)

 : khối lượng riêng của nước biển (2,00 slugs/ft3 hoặc 1,030 kg/m3 )

wp

A : diện tích bề mặt tiếp xúc nước của phao (m2)

m : khối lượng phần nước biển bị thay thế bởi phần chìm của phao (kg)

Áp dụng biểu thức tính toán của McCormick (1973) ta được biểu thức tính toán lực dao động nhấp nhô của phao hình trụ là:

2

0 2

F là biên độ của lực nhấp nhô của phao

Vậy công suất nhận được từ phao cân bằng dao động với sóng tương ứng là:



Hình 2.6: sơ đồ chuyển đổi công suất

Để thu được công suất định mức tối thiểu P dm=50 W thì công suất mà phao thu được từ sóng được tính theo công thức:

s

dm phao

h mp

P P

 



2.3 Cơ sở tính toán thiết kế đối trọng

Đối trọng có nhiệm vụ giữ cho phao ở vị cân bằng khi nổi trên mặt nước cũng như

có tác dụng làm tăng quán tính trong quá trình thu hồi năng lượng sóng

Hình 2.7: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng

2.4 Cơ sở lựa chọn máy phát điện

Thông qua các tài liệu kỹ thuật về mô tơ phát điện do nhà sản xuất đưa ra hiện có trên thị trường Với các phân tích đánh giá dựa theo tài liệu kỹ thuật, khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, đặc biệt trong môi trường nước biển với chu kỳ sóng biển lớn Do vậy, các chuyển động quay ban đầu dưới tác dụng của sóng biển là rất chậm

Để thiết bị hoạt động hiệu quả, mô tơ phát điện sử dụng trong mô hình cần lựa chọn loại hoạt động tốt ngay ở mức tốc độ chuyển động quay thấp (do sóng biển đầu vào nhỏ), thì nguồn điện của mô tơ phát ra cần đạt được với mức điện áp thấp nhất là 12 V (giá trị điện áp này sẽ thuận lợi để sử dụng làm nguồn cấp điện cho các tải hoạt động ở điện áp

12 V, cũng như trong thiết kế bộ chuyển đổi điện áp DC-AC).[16]

Từ các phân tích và đánh giá ở trên, đã lựa chọn sử dụng loại mô tơ phát điện xoay chiều ba pha sản xuất tại Mỹ của hãng Windbluepower, được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu loại N50 (Super Strong N50 grade Neodymium rare earth magnets) hiệu suất cao [16]

Các thông số mô tơ phát điện:

Tốc độ quay phát điện đạt 12 V ngay tại 130 vòng/phút

Điện áp cấp ra: 12÷110 V

Cường độ dòng điện: 1÷18 A

Khối lượng: 11 lbs

Nước sản xuất: Mỹ

Hình 2.8: Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC [16]

Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện theo tốc độ chuyển động quay (vòng/phút) của mô tơ phát điện có dạng:

Hình 2.9: Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát điện

theo tốc độ chuyển động quay [16]

Từ đồ thị đặc trưng của mô tơ phát điện cho thấy khi tốc độ chuyển động càng cao, giá trị điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát ra càng lớn, tương ứng công suất điện nhận được từ mô tơ phát ra càng lớn Trong đó, ngay tại tốc độ chuyển động quay

130 vòng/phút, mức điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát ra đã đạt 12 V và 1

A