Cải tiến mô hình máy phát điện thủy khí năng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CẢI TIẾN MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN THỦY KHÍ NĂNG GVHD TS BẠCH THANH QUÝ Nhóm sinh viên thực hiện 1 Trần Văn Mạnh, MSSV[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

1) Trần Văn Mạnh, MSSV: 16072231 2) Lâm Hải Đăng, MSSV: 16073741 3) Ngô Quốc Hùng, MSSV: 16068511 4) Phạm Anh Tuấn, MSSV: 16067711

2 Tên đề tài

CẢI TIẾN MÁY PHÁT ĐIỆN THỦY KHÍ NĂNG

3 Nhiệm vụ

- Tìm hiểu mô hình máy phát thủy khí năng đang có

- Đọc lại báo cáo đã có, viết lại các tồn tại còn trong báo cáo của DHDI11

- Cải tiến các điểm hoạt động chưa tối ưu của mô hình cũ

- Trình bày và thuyết minh đề tài rõ ràng , phù hợp, đúng và thẩm mỹ

- Mô hình hoạt động được, tối ưu hơn mô hình cũ

4 Kết quả dự kiến

- Cải tiến trên mô hình cũ

- Sửa chữa, hoàn thiện các bản vẽ theo thiết kế mới

- Mô hình có thể hoạt động và phát ra điện năng

Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 20…

Nhóm sinh viên thực hiện

Trưởng bộ môn

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN 9

1.1 Tổng quan 9

1.2 Tổng quan về lực đẩy Archimedes 12

1.3 Các ứng dụng điển hình của lực đẩy Archimedes 16

1.4 Phân tích lực đẩy Archimedes 18

1.5 Mô hình phát điện bằng lực đẩy Archimedes 23

1.6 Nguyên lý hoạt động của mô hình 23

1.7 Công nghệ tích trữ năng lượng không khí nén (CAES) 24

1.8 Tỷ số truyền động 31

CHƯƠNG 2 :THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY PHÁT THỦY KHÍ ĐỨNG (MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG LỰC ĐẨY ARCHIMEDES) 34

2.1 Mô tả đặc tính cần thiết của mô hình 34

2.2 Những vấn đề cần khắc phục trong mô hình cũ và giải pháp 39

2.3 Thiết kế các chi tiết 2D 44

2.4 Bản vẽ thiết kế 3D 49

CHƯƠNG 3: THI CÔNG MÔ HÌNH 54

3.1 Ý tưởng thiết kế mô hình 54

3.2 Thi công mô hình 56

CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM - TỔNG KẾT ĐÁNH GIÁ 70

4.1 Vận hành thử nghiệm 70

4.2 Những vấn đề đã được cải thiện 73

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 76

5 1 Kết Luận 76

5.2 Hướng phát triển của đề tài 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

LỜI CẢM ƠN 79

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 : Mô hình máy phát điện RTKG 9

Hình 1 2 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống RTKG 10

Hình 1 3 : Hình ảnh hệ thống RTKG thực được Rosch-KPP giới thiệu 11

Hình 1 4: Hình vẽ mô tả hệ thống RTKG do Rosch – KPP giới thiệu 11

Hình 1 5 : Bức tranh phác họa chân dung Archimedes 12

Hình 1 6 tranh mô tả phát minh nổi tiếng của Archimedes 13

Hình 1 7 Phân tích lực Archimedes trong hệ tọa độ trụ 15

Hình 1 8 phao nổi trong hệ trục tọa độ trụ 18

Hình 1 9 Mô phỏng lực đẩy Archimes và trọng lực tác dụng lên vật 20

Hình 1 10 Mô hình lưu trữ năng lượng không khí nén 28

Hình 1 11 Lưu trữ không khí nén (CAES) 29

Hình 2 1 Ý tưởng khung nhôm định hình dùng để cố định mô hình 34

Hình 2 2 Mô phỏng trụ chứa nước 35

Hình 2 3 Mô phỏng hệ truyền động 36

Hình 2 4 Mô phỏng hệ thống phao 37

Hình 2 5 Máy phát điện đồng bộ phòng X5.6 37

Hình 2 6 Máy nén khí sử dụng cho mô hình 38

Hình 2 7 Phao làm từ ống pvc 40

Hình 2 8 Ống pvc trong màu xanh 40

Hình 2 9 Tấm nhựa tròn 41

Hình 2 10 Nắp bịt ống pvc 41

Hình 2 11 Van 1 chiều nhựa 41

Hình 2 12 Van 1 chiều đồng mạ niken 42

Hình 2 13 Bộ nối khí chế từ ổ bi 42

Hình 2 14 Đầu nối khí xoay 42

Hình 2 15 Mặt cắt mô phỏng dây xích dùng để kéo phao 43

Hình 2 16 Ổ van gắn van khí 2 chiều 44

Hình 2 17 Ổ van chế từ súng xịt khí 44

Hình 2.18 Bản vẽ phát thảo THIẾT kế mô hình phát điện thủy khí đứng 44

Hình 2.19 Bản vẽ thiết kế cột nước đứng 45

Hình 2.20 Bản vẽ đáy cột nước 45

Hình 2.21 Bản vẽ thiết kế hệ bánh răng Z=12 47

Hình 2.22 Bản vẽ thiết kế hệ bánh răng Z=30 48

Hình 2 23 Bản vẽ thiết kế hệ bánh răng Z=60 48

Hình 2.24 Bản vẽ thiết kế hệ trục đỡ 49

Hình 2 25 Bản vẽ 3D mô phỏng lõi truyền động của mô hình 50

Hình 2 26 Bản vẽ 3D mô phỏng lõi truyền động được cố định trong khung mô hình 51 Hình 2 27 Bản vẽ 3D mô phỏng trạng thái đóng-mở của van 1 chiều 52

Hình 2 28 Bản vẽ 3D mô phỏng bánh răng truyền động 52

Hình 2 29 Mô phỏng bộ bơm khí 53

Hình 3 1 Ý tưởng khung nhôm định hình dùng để cố định mô hình 54

Hình 3 2 Phác thảo khung sườn dùng để gắn hệ phao truyền động 55

Hình 3 3 Sản phẩm khung hoàn chỉnh 57

Hình 3 4 Ống mica hoàn chỉnh khi đã cố định lên đế 58

Hình 3 5 Ống pvc sau khí được gia công 59

Hình 3 6 nắp bít ống 59

Hình 3 7 Van 1 chiều và co chữ L 60

Hình 3 8 Phao hoàn chỉnh 60

Hình 3 9 Gia công mắt xích để lắp tấm thép vào 61

Hình 3 10 Sản phẩm dây xích hoàn chỉnh đã được gia công tấm thép 61

Hình 3 11 Đo đạt khoảng cách giữa các tấm thép 62

Hình 3 12 Dây xích dùng truyền động ra máy phát 62

Hình 3 13 Bánh răng dùng để kéo hệ phao và nơi mua 63

Hình 3 14 Bánh răng khi cố định lên trục quay hoàn chỉnh 63

Hình 3 15 Hệ thống bánh răng truyền động 3 lớp được kết nối với máy phát 64

Hình 3 16 Gối đỡ vòng bi 65

Hình 3 17 Súng xịt khí 65

Hình 3 18 Bộ bơm khí sau khi được hàn nhôm 66

Hình 3 19 Bộ bơm khí được lắp vào trục 66

Hình 3 20 Quá trình nhấn và ngắt nút để nạp và ngừng bơm khí vào phao 67

Hình 3 21 Hệ thống phao sau khi hoàn thành 67

Hình 3 22 Ống dẫn khí và các vật liệu để nối ống 68

Hình 3 23 Van điều áp và máy nén khí 68

Hình 4 1 Chờ máy nén đạt đủ áp suất 70

Hình 4 2 Mở van khí 70

Hình 4 3 Khí nén được bơm vào 71

Hình 4 4 Quá trình truyền động 71

Hình 4 5 Chỉnh kích từ 72

Hình 4 6 Đo điện áp và dòng điện 72

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế các kho trữ năng lượng 28 Bảng 2 1 Thông số máy phát 38 Bảng 4 1 :Thống kê số liệu đo được 73

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đời sống của người dân ngày càng nâng cao Nhu cầu sử dụng điện năng trong đời sống sinh hoạt cũng như trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ là tăng không ngừng Đây là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu của xã hội Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đó chính là nhu cầu sử dụng điện đang ngày càng gia tăng ở thời đại công nghệ 4.0 này, khi mà các máy móc công nghệ hiện đại đang ngày một nhiều hơn và dần chiếm lĩnh thị trường thì mức tiêu thụ điện năng cũng ngày một tăng cao và đòi hỏi một nguồn năng lượng khổng lồ Do

đó, để góp phần tạo ra một nguồn năng lượng điện sử dụng công nghệ sạch, không gây

ô nhiễm môi trường, nhóm chúng em đã tìm hiểu và nghiên cứu về một dự án sử dụng năng lượng thủy khí để phát ra điện thông qua sự hướng dẫn của thầy TS Bạch Thanh Quý

Các nghiên cứu và phát triển năng lượng gió đã ra đời từ rất lâu rồi và vẫn còn đang trên đà phát triển do nhu cầu tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo đang ngày một được quan tâm Vì vậy đòi hỏi yêu cầu đào tạo kỹ sư Điện phải nắm vững kiến thức cơ bản của năng lượng tái tạo và các ứng dụng của nó Trong thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy cô giáo trong khoa Điện trường Đại học Công nghiệp TP HCM, nhóm chúng em đã kết thúc khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo

trong khoa, chúng em được giao đề tài tốt nghiệp: “Cải tiến mô hình máy phát điện thủy khí năng”

Bằng sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy TS Bạch Thanh Quý, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do đề tài còn khá mới lạ đối với chúng em, bên cạnh đó thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các bạn sinh viên để bài đồ

án này hoàn thiện hơn nữa Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Bạch Thanh Quý, các thầy cô giáo trong khoa Điện trường Đại học Công nghiệp TP HCM đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong thời gian qua

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.Đặt vấn đề

Nhu cầu năng lượng điện sử dụng hằng ngày càng tăng cao, nhu cầu sử dụng cho phát triển kinh tế ngày một lớn hơn, trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu khí thì ngày càng cạn kiệt và khó khai thác hơn, và hơn hết chính việc đốt các nguồn năng lượng hóa thạch này gây tác động ô nhiễm đến môi trường sống của con người Do vậy, trong quá trình phát triển nhân loại đã không ngừng tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế cho nguồn hóa thạch từ các nguồn năng lượng khác nhau như: Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối, thuỷ triều, phản ứng hóa học v.v Song song với việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế, con người cũng tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng Vì với đặc tính cân bằng điện năng phát và tiêu thụ, công suất điện dư thừa hay nguồn nguyên liệu cơ sở cần được lưu trữ những lúc nhu cầu sử dụng thấp và đưa vào sử dụng những lúc nhu cầu sử dụng nâng cao Hai xu hướng phát triển nguồn năng lượng mới và lưu trữ nguồn năng lượng dư thừa đã hình thành

từ lâu tuy nhiên đến nay vẫn chưa đến hồi kết thúc

Việt Nam đang là một trong những nền kinh tế phát triển năng động, với nhịp độ phát triển khá cao so với các nước trong khu vực và trên thế giới Ngành năng lượng điện đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Không nằm ngoài xu hướng chung, ngành điện vẫn không ngừng tìm kiếm nguồn năng lượng xanh, sạch và bền vững để thay thế nguồn năng lượng truyền thống đang ngày cạn kiệt Các nguồn năng lượng có tính bền vững, và ít gây ô nhiễm được xem xét tại nước ta đó là: Các hồ thuỷ điện nhỏ, phong năng, quang năng và năng lượng sinh khối Tuy nhiên, giải pháp nào cũng có nhiều ưu và nhược điểm, có thể phân tích sơ bộ như: Đầu tiên, với các hồ thuỷ điện nhỏ được đánh giá là có giá thành đổi điện thấp nhất, khả năng sản xuất ổn định và kết nối lưới tốt, tuy nhiên tại nước ta hiện nay nguồn tài nguyên năng lượng này đã được khai thác hết tiềm năng đang có

Tiếp theo là tài nguyên năng lượng gió, Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi, có đường

bờ biển dài, nguồn năng lượng gió được đánh giá khá tốt (năng lượng gió khai thác trên 6m/s), có một vài nhà máy điện gió đã được triển khai và nối lưới, tuy nhiên việc đổi điện của nguồn năng lượng này vẫn còn nhiều hạn chế trong quá trình khai thác và vận hành hệ thống phát điện gió như: Ổn định tần số, công suất phát, tính ổn định khi

hệ thống nối lưới, và giá thành biến đổi điện cao, … Nên việc khai thác và phát triển nguồn năng lượng này vẫn còn nhiều hạn chế cần khắc phục

Kế đến là nguồn phát điện từ sinh khối, về cơ bản, nước ta được đánh giá là có thế mạnh về khai thác nông nghiệp, nên nguồn nguyên liệu sinh khối có trữ lượng lớn, có tiềm năng trong việc chuyển đổi năng lượng sinh khối sang điện năng, tuy nhiên công nghệ phát điện sinh khối vẫn còn rất nhiều vấn đề phát sinh trong việc xử lý sinh khối,

xử lý môi trường và giá thành đổi điện vẫn còn rất cao, nên nguồn tài nguyên này chưa mang lại hiệu quả khai thác

Về năng lượng quang năng, Việt Nam được đánh giá là một trong những nước có trữ lượng năng lượng mặt trời lớn Theo kết quả đánh giá sơ bộ của Chương trình Trợ giúp Năng lượng MOIT/GIZ năm 2016 (Hiền, 2019), tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam khoảng 130 GW, là một trữ lượng vô cùng lớn cần được khai thác và phát triển để đáp ứng tốt nguồn cung năng lượng cho công nghiệp và dân sinh, giảm bớt áp lực phụ thuộc lên nguồn năng lượng hoá thạch Tuy nhiên, với giá thành còn cao, chiếm diện tích đất lớn, và hạn chế trong chất lượng điện năng vẫn là những vấn

đề cần phải đầu tư nghiên cứu và khắc phục

Không ngừng sáng tạo và tìm kiếm phương thức hay công nghệ phát điện mới, Những năm gần đây, Rosch Innovation AG giới thiệu công nghệ phát điện tương lai đầy hứa hẹn với nhà máy phát điện mang tên Thrust Kinetic Power Plant Đây là cổ máy kết hợp thủy khí năng và được giới thiệu là Năng lượng miễn phí, phá vỡ định luật bảo toàn năng lượng (www.rosch.ag, n.d.) Thực sự của công nghệ này như thế nào? Có thực sự như thế hay không?

Trong đồ án “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện thủy khí năng” này, nhóm tác giả đã xây dựng được mô hình nhưng vẫn tồn đọng mốt số vấn đề Mục tiêu lần này của nhóm chúng em chính là khắc phục những vấn đề đó với đồ án “Cải tiến máy phát điện thủy khí

2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Công ty Rosch đổi mới của Đức là nhà phát minh công nghệ KPP và là nhà cung cấp tất cả các mô-đun công nghiệp, từ 200 kW đến 100 MW KI-tech là đại diện bán hàng toàn cầu của tất cả các mô-đun và sẽ tham gia vào toàn bộ quá trình từ việc mua lại, xây dựng và dịch vụ của các mô-đun Họ cũng xử lý việc bán giấy phép

Một số nguồn độc lập và phòng thí nghiệm thử nghiệm của bên thứ 3 đã xác nhận chức năng và sản xuất năng lượng của các nhà máy điện Một báo cáo thử nghiệm được thực hiện gần đây từ một công ty chứng nhận nổi tiếng chứng minh việc sản xuất năng lượng sạch, ổn định của KPP trong các tiêu chuẩn cần thiết cho các nhà

cung cấp năng lượng châu Âu Các thông số kiểm tra bao gồm: dòng điện, năng lượng hiệu dụng, điện áp và dòng điện hài, công suất hoạt động và biểu kiến Rosch đã có một nhà máy demo 60 kW hoạt động từ mùa thu năm 2015

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

 Dự án nhà máy điện Kinetic của Liên doanh PHI Group:

Năm 2017: Dự án điện công nghệ mới của Liên doanh PHI Group – Công ty Cổ phần xuất nhập khẩu và xây dựng Hùng Vương, dự kiến nhà máy điện Kinetic (KPP- Kinetic Power Plant) với công suất ban đầu 140MW với tổng nguồn vốn xây dựng khoảng 297 triệu đô la nhằm cung cấp điện cho tỉnh Yên Bái và một số khu vực lân cận

Phát biểu tại buổi làm việc đồng chí Đỗ Đức Duy – Chủ tịch UBND tỉnh Yên Bái đã hoan nghênh Liên doanh Phi Group – Công ty Cổ phần xuất nhập khẩu và xây dựng Hùng Vương đã có ý tưởng đầu tư xây dựng nhà máy điện sạch thủy khí nén Kinetic tại tỉnh Yên Bái Đồng chí khẳng định, tỉnh Yên Bái luôn quan tâm thu hút và mời gọi đầu tư các dự án có công nghệ sạch, đem lại lợi ích kinh tế xã hội bền vững

cho địa phương

Sáng chế máy phát điện thủy khí ACBell của Đại học Quốc tế Bắc Hà:

Năm 2016: Trường Đại học Quốc tế Bắc Hà đã có một sáng chế về máy phát điện thủy khí ACBell Theo thông tin thu thập được, trường đại học này cho biết:

“Công nghệ này sẽ làm thay đổi ngành điện trên thế giới và Việt Nam; ngành điện sẽ mất thế độc quyền trong tương lai; định luật bảo toàn năng lượng không còn giá trị 100%”

“Đại học Quốc tế Bắc Hà sẽ là nơi đầu tiên ứng dụng công nghệ này để làm nhà máy phát điện tại Bắc Ninh trong năm 2017 (chỉ 5m2 đào giếng có thể phát được 1

MW điện), công nghệ điện gió, điện mặt trời, điện than, điện sinh khối sẽ biến mất trong tương lai gần, các nhà đầu tư sẽ thu lợi hàng trăm tỷ lợi nhuận mỗi năm, thậm chí mỗi tháng" – Trường đại học này cho biết thêm

3 Lý do chọn đề tài

nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Cải tiến mô hình máy phát thủy khí năng” vì chúng

em nhận thấy mô hình trước vẫn còn tồn đọng một số vấn đề trong quá trình vận hành, đông thời loại công nghệ năng lượng tái tạo này còn khá mới mẻ và có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai

4 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu tường minh công nghệ phát điện thuỷ khí đứng và tính khả thi của công nghệ này trong việc phát điện năng Cải thiện những vẫn đề trong mô hình cũ

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Công nghệ phát điện thuỷ khí đứng

Phạm vi nghiên cứu

Lực đẩy Archemedes, khí nén, cơ cấu truyền động, máy phát điện

Nghiên cứu nguyên lý hệ thống phát điện thuỷ khí

Xây dựng mô hình toán học hệ thống phát

Thực nghiệm hệ thống mô hình phát thử

6 Phương pháp nghiên cứu

Nguyên lý cơ bản của mô hình là sử dụng áp suất khí và lực đẩy Archimedes thông qua hệ thống phao nổi trong môi trường nước làm tạo sự chuyển động, nhờ động năng này cùng với từ trường để phát ra điện

Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là việc khai thác nguồn khí tự nhiên để đưa vào các phao khí Khi không có nguồn khí tự nhiên đưa vào các phao khí thì không thể tạo sự chuyển động dựa trên lực đẩy Archimedes được Nếu dùng một nguồn năng lượng khác để tích khí đến một áp lực nào đó và bơm vào hệ thống phao nổi để phát điện thì nguyên lý tổn hao và cân bằng năng lượng bị phá vỡ, điều này là không tưởng

Chính vì thế, mục tiêu ở đây là chúng ta tối ưu trong việc sử dụng nguồn khí nén tự nhiên để phát điện Vào những lúc tải cao điểm ta sẽ sử dụng nguồn khí nén đã được tích trữ trong các kho khí nén thông qua các nguồn năng lượng dư thừa như năng lượng gió tốc độ thấp, năng lượng dư thừa hệ thống tại thời điểm non tải,…để phát ra điện năng

Bằng việc xác định nguyên lý cơ bản như trên, các nhà khoa học đã nghiên cứu

và đưa ra mô hình máy phát điện thủy khí năng có hiệu suất cao như một giải pháp tăng cường tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế Để có cơ sở lý luận vững chắc cho lập luận cơ bản trên, nhóm tác giả chúng em tiến hành các phương pháp nghiên cứu như sau:

 Phương pháp giải tích: Bằng nguồn tư liệu tham khảo, tiến hành phân tích

khả năng tạo sự chuyển động trong hệ thống bằng lực đẩy Archimedes, tính toán sự chuyển động và các hạn chế của mô hình

 Phương pháp phản biện: Những hạn chế còn tồn tại khiến cho ý tưởng một

mô hình công nghệ mới còn chưa được triển khai rộng rãi và những lý do khác mà mô hình thủy khí năng chưa được phổ biến nhiều

 Phương pháp mô phỏng, thiết kế: Trên cơ sở lập luận có được cũng như

phân tích, tiến hành thiết kế sơ bộ một mô hình để kiểm chứng cơ sở lý thuyết được lập luận trong các bước trên

 Phương pháp đánh giá và kiểm nghiệm: Trên mô hình xây dựng được, tiến

hành vận hành và đánh giá, đồng thời rút kinh nghiệm để phát triển

Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Đánh giá tính khả thi của một giải pháp công nghệ phát điện mới có tính đột phá Đưa

ra đánh giá khách quan một vấn đề khoa học bằng các phương pháp nghiên cứu khoa học

7 Kết quả dự kiến

- Khắc phục được những vấn đề có trên mô hình cũ

- Ứng dụng được lực đẩy Archimedes tác dụng lên các phao đặt trong nước khi được bơm khí vào để giúp phao chuyển động

- Tìm hiểu và biết cách khai thác nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường để tạo ra điện năng, cụ thể ở đây là năng lượng gió Qua đó xác định được hướng giải quyết vấn đề về hiệu suất của gió thông qua việc hiểu được nguyên lý tích trữ năng lượng gió bằng khí nén

- Thi công và lắp đặt hoàn thiện mô hình, đồng thời mô hình có thể hoạt động được để tạo ra điện năng

- Hiểu được nguyên lý chuyển đổi cơ điện, biết cách truyền động cơ học thông qua hệ thống bánh răng, từ đó tính toán được tỷ số truyền và các thông số liên quan để chạy máy phát điện

- Mô phỏng được quá trình sản xuất điện dựa trên việc khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng sạch, cơ bản liên tục, ổn định Từ đó đưa ra các giải pháp và

ý tưởng để phát triển dự án trong tương lai

- Tính toán được hiệu suất của mô hình, lượng điện ngõ ra và nguồn điện đầu vào thông qua các thông số của máy phát điện và các số liệu tính toán được

- Xác định được khả năng hiệu quả năng lượng mà mô hình mang lại Chỉ ra được các ưu điểm cần khai thác và phát triển thêm, đồng thời cũng nêu ra các mặt còn hạn chế cần cải thiện

8 Cấu trúc Luận văn được phân chia như sau:

Mở đầu:

Xác định vấn đề nghiên cứu của đề tài, đặt vấn đề nghiên cứu của đề tài Dựa trên vấn

đề nghiên cứu đã xác định, tiến hành xác định mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Từ phạm vi nghiên cứu, tiến hành sử dụng các phương pháp nghiên cứu phù hợp

để nghiên cứu

Chương 1: Cơ Sở Phương Pháp Luận

Giới thiệu lực đẩy Arcimedes và các ứng dụng điển hình Phân tích lực đẩy Archimedes trong ứng dụng phao khí nổi trong mô hình phát điện bằng lực bằng lực đẩy Archimedes

Chương 2: Thiết Kế Mô Hình Máy Phát Thủy Khí Đứng

Mô tả đặc tính cần thiết của mô hình như kết cấu tổng thể, cột nước, hệ truyền động,

hệ thống phao nổi – nạp khí - máy phát điện, thiết kế các chi tiết 2D và mô hình máy phát dạng 3D

Chương 3: Thi Công Mô Hình

Từ thiết kế mô hình ở chương 2, chương 3 này sẽ tiến hành liệt kê các vật tư cần thiết, cũng như yêu cầu vật liệu để chế tạo mô hình, sau khi hoàn tất mô hình, tiến hành vận hành thử nghiệm

Chương 4: Vận Hành Thử Nghiệm - Tổng Kết Đánh giá

Sau khi hoàn tất mô hình, tiến hành vận hành thử nghiệm.Sau quá trình vận hành thử nghiệm tiến hành tổng kết đánh giá các ưu điểm, khuyết điểm cũng như hướng phát triển của mô hình

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP LUẬN

Theo (Mulder, 2014), từ những năm 2014, Rosch Innovation AG đã giới thiệu sản phẩm được phát triển tại Serbia mang tên Rosch Thrust Kinetic Generation – RTKG,

là một sản phẩm được mô tả là hệ thống phát điện “Năng lượng miễn phí” dựa trên nền tảng kỹ thuật là định luật Lực đẩy Archimedes, truyền động và sự biến đổi năng lượng điện từ, hệ thống phát điện được mô tả là không sử dụng xăng, dầu, gas, than đá, quang điện hay gió, và hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường Mô hình máy phát RTKG được giới thiệu như hình 1.1 sau:

Hình 1 1 : Mô hình máy phát điện RTKG

Mô hình RTKG sẽ hoạt động như thế nào để phát ra năng lượng, nguyên lý rất dễ hiểu, nguyên lý được mô tả áp dụng định luật Lực nổi Archimedes Hệ thống sử dụng một loạt phao nổi hở được gắn kết trong một cột nước Có hai hệ thống phao chuyển động đối lập Với hệ thống phao nổi bên trái, khi mỗi phao đến vị trí đáy của cột nước nó được nạp đầy bằng các bóng khí, các phao nổi trở thành các phao khí Các phao khí này chịu áp lực nổi sẽ chuyển động lên trên, tạo ra sự chuyển động Khi các phao lên đến đỉnh cột nước, vì là các phao hở nên không khí tự động thoát ra Nước trong cột nước lại lấp đầy vào phao hở và phao hở này tự động chìm xuống ở phía đối diện Nguyên lý được trình bày như hình vẽ 1.2 sau:

1.1 TỔNG QUAN

Hình 1 2 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống RTKG

Để hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống TKG đã được Rosch - KPP giới thiệu là đã hoạt động phát công suất điện 12kW, 3 pha, 380V/50HZ, trong khi sử dụng máy nén khí để bơm khí là 4.2kW, 3 pha, 380V/50HZ, và nêu rằng đã nhận được bản quyền sáng chế, có chiều cao toàn mô hình là 6m Hình ảnh thực tế và hình vẽ minh họa được Rosch giới thiệu trong

(cutafrica.com/documents/Rosch_KPP_Brochure.pdf), được trình bày lại như hình sau:

Hình 1 3 : Hình ảnh hệ thống RTKG thực được Rosch-KPP giới thiệu

Hình 1 4: Hình vẽ mô tả hệ thống RTKG do Rosch – KPP giới thiệu

Có thể thấy rằng, tương lai không còn các nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân, hay các trang trại gió rộng lớn ồn ào nữa v.v , một viễn cảnh năng lượng điện được phát ra không ô nhiễm khí CO2, NOx, không xăng dầu, khí gas, hay mặt trời sức gió, mức tiêu thụ năng lượng không cần giới hạn hay tiết kiệm Vậy viễn cảnh tươi đẹp

đó có thật sự hay không? Vì sao đến nay công nghệ này chưa thể áp dụng hay thương mại? Xét mặt khoa học hiệu suất hệ thống RTKG được tuyên bố là lớn hơn 1, vậy định luật bảo toàn năng lượng và nguyên lý hiệu suất nhỏ hơn 1 tồn tại bao lâu nay có bị phá vỡ hay không?

Trên các trang quốc tế đã có những phản biện cho công nghệ này, vì thông tin thiết kế đến công nghệ hoàn toàn không được nêu ra nên những phản biện vẫn chưa tường minh Xét tại Việt Nam, công nghệ này cũng được biết đến thông qua một số diễn đàn

Hình 1 5 : Bức tranh phác họa chân dung Archimedes

Tác giả mô tả lại giống hoàn toàn những thông tin có được từ Rosch và nhận định rằng, công nghệ phát điện thủy khí (kinetic) là công nghệ phát điện của thế kỷ 21, đây chỉ là bài viết trích dẫn công nghệ nhưng không có phản biện khoa học Tại (Hiệp, http://www.bhiu.edu.vn/tin-tuc/5989_may-phat-dien-thuy-khi-acbell, 2018), tác giả nhà khoa học tại Trường Đại học Quốc Tế Bắc Hà, đưa ra thiết kế máy phát thủy khí đứng, tuy nhiên theo công bố chỉ có mô hình 3D mà không có thiết bị thực và cơ sở lý luận, tác giả còn khẳng định công nghệ đề xuất là phá vỡ định luật cân bằng năng lượng, tương lai sẽ loại bỏ các dạng nhà máy điện than, gió, mặt trời

Như vậy, cần có một câu trả lời chính xác cho vấn đề này, nó cũng là mục tiêu duy nhất của luận án này

1.2.1 Tiểu sử Archimedes

Archimedes (287 TCN – 212 TCN) là nhà khoa học vĩ đại nhất trong thời đại cổ điển Ông là một nhà vật lý, nhà toán học, nhà thiên văn học, nhà phát minh và kỹ sư Archimedes sinh ra tại thành phố Syracuse, một thành bang của Hy Lạp cổ đại Cha của Archimedes là một nhà thiên văn và toán học nổi tiếng Phidias, đã đích thân giáo dục và hướng dẫn ông đi sâu vào hai bộ môn này

Năm 7 tuổi ông học khoa học tự nhiên, triết học, văn học Năm 11 tuổi ông đi du học học Ai cập, là học sinh của nhà toán học nổi tiếng Ơclit,

rồi Tây Ban Nha và định cư vĩnh viễn tại thành phố

Cyracuse, xứ Sicile

Được hoàn gia tài trợ về tài chính, ông cống hiến hoàn

toàn cho nghiên cứu khoa học Dù được sinh ra trong

trong một gia đình khá giả nhưng từ thuở nhỏ cậu bé

Archimedes lại rất thích làm bạn với những người nô lệ

Ông thường đi dạo khắp mọi nơi, tìm hiểu mọi thứ xung

quanh và đặt ra nhiều câu hỏi để tìm lời giải đáp cho

những thắc mắc của mình Những câu hỏi về khoa học

và vũ trụ ấy đi theo ông suốt nhiều năm và là động lực

thôi thúc ông nghiên cứu để tự tìm ra câu trả lời cho

chính mình

Dù ít chi tiết miêu tả về cuộc đời ông nhưng ông được coi là một trong những nhà khoa học hàng đầu của thời kỳ cổ đại Nhiều phát minh, lý thuyết và khái niệm của ông vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay Có lẽ thành tựu nổi tiếng nhất của ông là khoảnh khắc "Eureka" khi ông phát hiện ra định luật về sức đẩy của nước

1.2 TỔNG QUAN VỀ LỰC ĐẨY ARCHIMEDES

Hình 1 6 tranh mô tả phát minh nổi

tiếng của Archimedes

Acsimet suốt cuộc đời say sưa học tập, nghiên cứu Tương truyền rằng ông đã tìm

ra định luật về sức đẩy của nước khi đang tắm Ông đã sung sướng nhảy ra khỏi bồn

tắm, chạy thẳng về phòng làm việc mà quên cả mặc quần áo, miệng kêu lớn: “Ơrêca! Ơrêca!” (Tìm thấy rồi! Tìm thấy rồi!)

Trong cuộc chiến tranh của Hy Lạp chống quân xâm lược Rôma, Acsimet đã sáng chế

ra nhiều loại vũ khí mới như máy bắn đá, những cái móc thuyền, đặc biệt trong đó có một thứ vũ khí quang học để đốt thuyền giặc Thành Xicacudo đã được bảo vệ đến 3 năm mới bị thất thủ Khi bọn xâm lược hạ được thành, chúng thấy ông vẫn đang say

sưa ngồi nghiên cứu những hình vẽ trên đất Ông đã thét lên: "Không được xóa các hình vẽ của ta", trước khi bị ngọn giáo của kẻ thù đâm vào ngực Acsimet đã anh dũng

hi sinh như một chiến sĩ kiên cường

Acsimet là người yêu nước thiết tha Trong giai đoạn cuối đời mình, ông đã tham gia bảo vệ quê hương chống lại bọn xâm lược La Mã Ông đã lãnh đạo việc xây dựng các công trình có kỹ thuật phức tạp và chế tạo vũ khí kháng chiến Hơn hai nghìn năm đã trôi qua từ khi Acsimet bị quân La Mã giết hại, song người đời vẫn mãi ghi nhớ hình ảnh một nhà bác học thiết tha yêu nước, đầy sáng kiến phát minh về lý thuyết cũng như về thực hành, hình ảnh một con người đã hiến dâng cả đời mình cho khoa học, cho tổ quốc đến tận giờ phút cuối cùng

1.2.2 Các phát minh và sáng tạo

Acsimet có nhiều đóng góp to lớn trong lĩnh

vực Vật lý, Toán học và Thiên văn học:

 Về Vật lý, ông là người đã sáng chế ra

chiếc máy bơm dùng để tưới tiêu nước

cho đồng ruộng Ai Cập, là người đầu

tiên sử dụng hệ thống các đòn bẩy và

ròng rọc để nâng các vật lên cao, là

người đã tìm ra định luật về sức đẩy của

nước

Nguyên lý Archimedes được sử dụng rộng rãi trong môn Vật lý ngày nay do nhà bác học Archimedes phát minh được bắt nguồn từ giai thoại về “Chiếc vương miện vàng” của Vua Hiero II Theo yêu cầu kiểm tra sự nguyên chất của vàng đối với chiếc vương miện của nhà vua, Archimedes đã dựa trên hiện tượng nước tràn ra khi thả một vật nặng vào bên trong, từ đó có thể suy ra được nguyên liệu tạo ra vương miện nhờ vào khối lượng của vật thể bằng với thể tích nước đã tràn ra bên ngoài Đây là phát minh tạo được tiếng vang rất lớn cho nhà bác học, được đưa vào giảng dạy trong bộ môn Vật lý ở thời đại ngày nay

 Về Toán học, Acsimet đã giải bài toán về tính độ dài của đường cong, đường xoắn ốc, đặc biệt ông đã tính ra số Pi bằng cách đo hình có nhiều góc nội tiếp

và ngoại tiếp

Theo sách Kể chuyện danh nhân thế giới, Archimedes chính là người phát hiện sức mạnh của đòn bẩy Ông gắn liền với câu nói: "Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi có thể nâng cả Trái Đất" Quốc vương xứ Hiero không tin vào điều đó, yêu cầu Archimedes chứng minh Ông đã phát minh hệ thống ròng rọc và đem vào ứng dụng khi vua thách ông hạ thủy được cả một con thuyền chiến khổng lồ

Archimedes đã sử dụng những kiến thức mà ngày nay chúng ta gọi là toán học ứng dụng để tính trọng tâm của nhiều đồ vật và giải được bài toán phía sau những chiếc máy đơn giản như ròng rọc, đòn bẩy, bánh răng…

Ngoài ra, ông đã sử dụng những kiến thức của mình về sự truyền động để phát minh ra một loại xe kéo cỡ nhỏ, có bánh, đo được những khoảng cách xa (đồng hồ đo quãng đường), đồng hồ điểm giờ, dụng cụ dự đoán vị trí Mặt Trời, Mặt Trăng…

 Về Thiên văn học, ông đã nghiên cứu sự chuyển động của Mặt Trăng và các vì

sao

1.2.3 Khái niệm lực đẩy Archimedes

Khi ta nhúng một vật vào chất lỏng, ta sẽ thấy vật đó bị chất lỏng đẩy thẳng từ dưới lên bằng một lực có độ lớn đúng bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ Và người ta gọi đây là lực đẩy Acsimets Lực đẩy này cùng phương và ngược hướng với trọng lực Và đây là lực quyết định đến sự nổi hay chìm của một vật

Vật nhúng trong chất lỏng càng nhiều thì lực đẩy của nước lên vật càng mạnh

Nguyên tắc Archimedes là một công cụ rất hữu ích và linh hoạt Nó có thể hữu ích trong việc đo thể tích của các vật thể không đều, chẳng hạn như mão vàng, cũng như giải thích các hành vi của bất kỳ vật thể nào được đặt trong bất kỳ chất lỏng nào Nguyên tắc của Archimedes mô tả cách tàu nổi, tàu ngầm lặn, khinh khí cầu bay

và nhiều ví dụ khác, theo Science Clarified Nguyên tắc Archimedes cũng được sử dụng trong rất nhiều đối tượng nghiên cứu khoa học bao gồm y tế, kỹ thuật, côn trùng học, kỹ thuật và địa chất

1.2.4 Công thức tính lực đẩy Archimedes

Archimede đã tìm ra rằng, bất kỳ vật nào khi ngâm trong chất lỏng đều chịu tác dụng bởi một lực đẩy bằng với trọng lượng chất lỏng mà vật đó chiếm chỗ, nghĩa là tỷ lệ thuận với thể tích của vật đó

Công thức đầy đủ về lực đẩy Archimede viết dưới dạng như sau:

 Dấu – thể hiện lực đẩy ngược hướng với vector gia tốc trọng trường g

Khi một vật có khối lượng m, được để trong một dụng cụ chứa chất lỏng, lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật đẩy vật, đồng thời vật cũng có lực hút trọng trường kéo vật xuống, gọi 𝑃⃗ (N) là trọng lực của vật ta có:

Trong công thức (2), a⃗⃗⃗ cùng hướng nr ⃗ , dS = r dØ dz a⃗⃗⃗ r

 d: khối lượng riêng của nước (d = 9810 N/m3)

1.3.1 Khối lượng xương - mật độ

Nguyên tắc Archimedes có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y tế và nha khoa và được sử dụng để xác định mật độ của xương và răng Trong một bài báo năm 1997 được công bố trên tạp chí Kỹ thuật Y học & Vật lý, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên lý Archimedes để đo thể tích của phần xốp bên trong của xương, còn được gọi

là xương hủy Phần khối lượng của xương hủy có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về độ tuổi và sức khỏe khác nhau bao gồm là một chỉ số trong nghiên cứu lão hóa, loãng xương, sức mạnh của xương, độ cứng và nghiên cứu độ đàn hồi Các phương pháp khác nhau sử dụng nguyên lý Archimedes đã được thử nghiệm để tăng khả năng tái tạo các phép đo: một trong đó xương được ngâm trong nước cất, một phương pháp khác, nơi xương được ngâm trong dung dịch nước và chất hoạt động bề mặt, và một phần ba nơi xương được đặt trong một niêm phong thùng chứa nơi thay đổi áp suất khí

đã được ghi lại

Một bài báo được xuất bản vào năm 2017 trên tạp chí Phẫu thuật Răng miệng, Thuốc uống, Bệnh lý Răng miệng, Xạ trị Răng miệng có bản chất tương tự như bài viết trước đây, trong đó các phương pháp khác nhau đã được sử dụng để xác định độ tái lập, một trong số đó là sử dụng nguyên tắc Archimedes Nguyên lý Archimedes được so sánh với việc sử dụng phương pháp chụp cắt lớp chùm tia hình nón (CBCT)

để đo thể tích của răng Các xét nghiệm so sánh nguyên lý Archimedes và các phép đo

1.3 CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LỰC ĐẨY ARCHIMEDES

CBCT cho thấy rằng cái sau sẽ là một công cụ chính xác trong việc lập kế hoạch cho các thủ tục nha khoa

1.3.2 Tàu ngầm

Một thiết kế đơn giản, đáng tin cậy, hiệu quả về chi phí cho một chiếc tàu ngầm được

mô tả trong bài báo năm 2014 trên tạp chí Tin học, Điện tử và Tầm nhìn, dựa trên nguyên tắc Archimedes Các tàu ngầm, theo các tác giả, được thiết kế để di chuyển trong khi chìm hoàn toàn dưới nước và dựa trên nguyên tắc Archimedes để duy trì độ sâu không đổi Thiết kế của tàu ngầm nguyên mẫu này sử dụng các tính toán liên quan đến khối lượng, mật độ và thể tích của cả tàu ngầm và nước được di chuyển để xác định kích thước cần thiết của bể dằn, sẽ xác định lượng nước có thể lấp đầy và do đó

độ sâu mà tàu ngầm có thể lặn

1.3.3 Bọ xít nước

Trong khi nguyên tắc Archimedes được sử dụng trong thiết kế tàu ngầm để giúp chúng lặn và hồi sinh, nó cũng giải thích lý do tại sao một số con bọ có thể đi trên mặt nước Trong một nghiên cứu năm 2016 được công bố trên Tạp chí Vật lý Ứng dụng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp đo bóng được tạo ra bởi các vệt nước để đo

độ cong trên mặt nước Những giọt nước này sau đó có thể được sử dụng để lấy được lượng nước bị dịch chuyển dẫn đến lực được sử dụng để giữ cho bọ nước nổi lên Các tác giả cho biết có rất nhiều sự quan tâm trong việc tìm hiểu vật lý đằng sau những con

bọ đi bộ dưới nước để tạo ra những robot đi bộ dưới nước sinh học

1.3.4 Địa chất

Một bài báo được xuất bản năm 2012 trên Soft Matter mô tả một cái nhìn sâu sắc hơn

về nguyên tắc Archimedes, mà các tác giả gọi là Nguyên tắc Archimedes tổng quát Nguyên lý Archimedes vì nó thường được sử dụng chỉ có thể được sử dụng như một xấp xỉ trong nhiều trường hợp nghiên cứu cấu hình trầm tích, trong khi nguyên tắc tổng quát có thể giải thích cho các hiện tượng như các hạt dày đặc hơn nổi trên một chất lỏng nhẹ Điểm mấu chốt của các tác giả nằm ở sự nhiễu loạn mật độ được gây ra bởi các hạt lơ lửng trong chất lỏng, điều này không được tính đến trong việc sử dụng truyền thống của nguyên tắc Archimedes và một cách tiếp cận mới đối với nguyên tắc Archimedes

1.3.5 Khí cầu

Trong một chất lưu, mọi chất có tỷ trọng nhẹ hơn đều có xu hướng đi lên trên do có lực Archimedes tác dụng Đó là điều xảy ra khi khí cầu nóng lẫn trong khí lạnh Cũng

có hiện tượng như vậy đối với khí hyđro và heli là những khí nhẹ hơn không khí Tóm lại, tất cả các khí cầu đều phụ thuộc vào nguyên tắc chênh lệch tỷ trọng

lên phần đáy của phao khi đặt trong

nước (1/2 diện tích của phao)

1.4 PHÂN TÍCH LỰC ĐẨY ARCHIMEDES

Hình 1 8 phao nổi trong hệ trục tọa độ

trụ

Nhận xét: khi chiều cao cột áp suất càng cao, lực đẩy tác động lên phao càng lớn, càng

gần về mặt nước, áp suất giảm, lực tác động lên phao càng giảm, do đó chiều cao cột

nước có tính tác động quan trọng đến lực nổi cũng như tốc độ nổi của phao

1.4.2 Giai đoạn vận hành

a Sự nổi của phao

- Các trường hợp của vật khi ở trong nước:

+ Vật chìm xuống khi : FA < P

+ Vật nổi lên khi: FA > P

+ Vật lơ lửng trong chất lỏng khi: FA = P

m là khối lượng của vật (kg)

g là gia tốc trọng trường (g=10 m/s2)

Hình 1 9 Mô phỏng lực đẩy Archimes và trọng lực tác dụng lên vật

Giả sử lực đẩy Archimedes tác dụng lên toàn bộ hệ phao là không đổi

+ TH1: Phao đầy nước

d là trọng lượng riêng của nước (d = 9810 N/𝑚3)

V là thể tích của vật chiếm trong lòng chất lỏng (𝑚3)

→

m: khối lượng của phao (kg)

a⃗ : gia tốc của vật (m/s2)

g: gia tốc trọng trường (m/s2)

- Vận tốc chuyển động của phao chịu tác dụng của áp suất chất lỏng, nhưng

áp dụng với mô hình đang thực hiện ta xét quảng đường đi của phao cho một vòng quay của bánh răng là 0.45m nên sự thay đổi của áp suất là không lớn

- Vì vậy xem áp suất chất lỏng là một hằng số

- Xét ở điều kiện lý tưởng:

+ TH1: vận tốc của phao khi đầy nước

Fa – P = m.a

→ a = Fa – P

m =

5.1 2.8 =1.8 (m/s2)

+ TH2: vận tốc của phao khi được bơm khí

- Với trọng lượng của phao chứa khí ở mức 0.45 m tính từ mặt nước là:

VVh= (Vchìm +(− Vnổi) )

2 = 0.245 (m/s)

- Ta có phương trình chuyển động đều:

Xn= Xn−1 + V*t (*) Trong đó: Xn-1: tọa độ ban đầu

Xn: tọa độ tại thời điểm t

V: vận tốc (m/s)

T: thời gian chuyển động

(*)  0.127 = 0.245*t

→ T = 0.52s (≈ 0.5s)

- Vậy sau thời gian t = 0.5s thì các phao sẽ thế chỗ cho nhau

- Ta có tổng số lượng phao là 24 cái vậy thời gian để phao đi hết một vòng là:

t ≈ 12s

- Vậy tương đương số vòng phao đi được trong một phút là n=5 (vòng/phút)

- Ta có tỷ lệ phân bố phao trên dây xích theo tỷ lệ răng là 10/10/10 vậy với

quãng đường 0.381 m tương đương với 30 mắt xích thì bánh răng sẽ quay

được một vòng vậy t ≈ 1.5s thì bánh răng sẽ quay được một vòng

Vậy 𝑁𝑟ă𝑛𝑔 = 40 (vòng/phút)

Bằng phân tích như phần 1.4, nhận thấy rằng có thể sử dụng lực đẩy Archimedes trong

chế tạo máy phát điện Tuy nhiên, nếu sử dụng máy nén khí để bơm khí vào các phao,

thì liệu công suất phát ra của hệ thống có lớn hơn công suất tiêu thụ điện của máy nén

khí, mặc dù qua hệ thống nổi có sự gia tăng thêm lực đẩy tự nhiên Archimedes

Nếu bỏ qua vấn đề hiệu suất, giả sử khí tự nhiên có thể được lấy từ các nguồn tự nhiên

hoặc giá thành rẻ, thì mô hình máy phát điện thủy khí đứng hoàn toàn có tính khả thi

cao Trong tự nhiên, có thể tìm được nguồn khí tự nhiên hoặc có thể tìm cách lưu trữ

khí từ các nguồn năng lượng khác

guyên lý cơ bản của công nghệ thực chất rất đơn giản Đây là sự lợi dụng sức đẩy Archimede đối với bong

1.5 MÔ HÌNH PHÁT ĐIỆN BẰNG LỰC ĐẨY ARCHIMEDES

1.6 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH

bóng khí trong môi trường chất lỏng từ dưới lên trên để vận hành động cơ phát điện

- Hệ thống bao gồm một máy nén khí để nạp không khí tuần tự vào từng phao

hở trong một chuỗi nhiều phao hở, kết nối với nhau thành một dây chuyền

có tác dụng xoay tròn trục lắp

- Khí nén được nạp vào một bên, các phao sẽ nổi lên, khi lên đến mặt nước, phao sẽ tự động thoát khí và chìm xuống phía đối diện

- Quá trình hệ thống phao chìm nổi tuần tự sẽ tạo ra chuyển động quay tròn,

từ đó ta khai thác nguồn cơ năng sơ cấp đó để truyền động kéo máy phát quay theo phát ra điện

1.7.1 Xu hướng tích trữ nguồn năng lương sạch

Hiện nay tỷ trọng điện năng lượng tái tạo đang tăng lên trong lưới điện, nên việc đầu

tư vào các công nghệ tích trữ năng lượng để cung cấp sử dụng ngày càng được quan tâm Công nghệ tích trữ năng lượng có thể được phân loại thành năng lượng điện, khí nén, nhiệt và cơ Chúng có thể được thực hiện ở quy mô nhỏ và lớn theo cả hai cách tập trung, hoặc phân tán trong hệ thống năng lượng Năng lượng tích trữ giúp ta chuyển đổi để tạo ra điện năng để sử dụng Những thiết bị tích trữ lưới điện quy mô lớn được sử dụng để cân bằng biến động điện năng, còn hệ thống pin với dung lượng hạn chế, thời gian sạc và tự xả có thể kéo dài lại phù hợp hơn cho việc cân bằng không tập trung

Tích trữ nguồn năng lương sạch là một hệ thống thu và lưu trữ năng lượng trong thời gian trước khi đưa ra sử dụng theo nhu cầu cung cấp, công nghệ tích trữ năng lượng là lĩnh vực tạo đột phá để tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống năng lượng và tạo thuận lợi để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo

Các công nghệ tích trữ năng lượng hiện nay đang phát truyển giúp tiềm năng kinh tế các nước trên thế giới ngày càng phát triển Việc tạo ra các công nghệ tích trữ năng lượng khác nhau vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, bao gồm pin đa trị, bánh

đà tốc độ cao, pin liti-sulphua, lưu trữ năng lượng không khí nén (CAES) Phổ biến tích trữ năng lượng điện hóa vẫn chiếm ưu thế trong công nghệ pin bao gồm cả pin axit chì, hệ thống dựa trên niken, dòng ôxy hóa khử nhiệt độ cao và pin ion lithium Pin có thể dùng cho các ứng dụng ngắn hạn và trung hạn, có lợi cho việc mở

1.7 CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG KHÔNG KHÍ NÉN (CAES)

rộng quy mô và hiệu suất Phần lớn thiết bị điện tử tiêu dùng di động như xe chạy điện

và hybrid chở khách đều được trang bị pin ion lithium Pin ion lithium trạng thái rắn là

sự phát triển cao hơn của pin ion lithium truyền thống Loại pin này đang được thay thế điện cực lỏng bằng vật liệu rắn mang tính khả thi về thương mại trong tương lai gần Để công nghệ này trở nên linh hoạt và hấp dẫn hơn, các nhà sản xuất ô tô đã bắt đầu bán những hệ thống xe kết nối với nhà ở, cho phép người dùng xe cung cấp điện cho ngôi nhà và ngược lại Ngoài ra, tương lai sẽ phát triển thêm công nghệ về sức gió, sức gió còn có thể nằm dưới lòng đất bằng cách sử dụng nhà máy trữ năng lượng khí nén, không khí được bơm vào những cấu trúc lớn dưới lòng đất, ở đó nó có thể được

sử dụng sau này để phát ra một lượng lớn năng lượng đáng kể để phục vụ sinh hoạt

1.7.2 Phương pháp lưu trữ năng lượng

Tích trữ nguồn năng lượng là một hệ thống thu và lưu trữ năng lượng trong thời gian trước khi đưa ra sử dụng theo nhu cầu cung cấp, công nghệ tích trữ năng lượng là lĩnh vực tạo đột phá để tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống năng lượng và tạo thuận lợi để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo Các phương pháp tích trữ năng lượng điện hiện nay bao gồm: ăc-qui, thủy điện tích năng, kho năng lượng khí nén (CAES), bánh đà, kho từ

 Ăc-qui:

Ăc-qui là một thiết bị điện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và phóng điện dưới dạng điện năng Trong quá trình hoạt động, ăc-qui sẽ tích và phóng điện liên tục Ăc-qui là kho điện làm việc với điện một chiều do đó luôn phải đi kèm với bộ chuyển đổi Gồm có các loại là ăc-qui axit, ăc-qui kiềm, ăc-qui cải tiến

 Thủy điện tích năng:

Thủy điện tích năng có hồ thượng lưu và hạ lưu nối với nhau bằng đường ống áp lực,

tổ máy tua-bin bơm nối tới động cơ máy phát làm việc ở chế độ thuận nghịch

Khi trên lưới điện thừa công suất, động cơ - máy phát làm việc ở chế độ động cơ quay máy bơm, bơm nước từ hồ hạ lên hồ thượng

Khi trên lưới thiếu công suất bơm làm việc ở chế độ tua-bin quay máy phát phát công suất lên lưới

Quy mô của thủy điện bơm phụ thuộc vào điều kiện địa hình bố trí nhà máy, gồm dung tích hồ thượng lưu và hạ lưu cũng như độ chênh cột nước giữa thượng và hạ lưu Hiệu suất của thủy điện tích năng khá cao 72-75% Tuổi thọ cao như các nhà máy thủy điện

 Kho năng lượng khí nén ( CAES ):

Kho năng lượng khí nén gồm động cơ, máy nén và bồn trữ khí nén Động cơ và máy nén là loại thuận nghịch

Khi ở thời gian thấp điểm động cơ quay máy nén, nén không khí áp suất cao vào bồn chứa

Khi ở thời gian cao điểm máy nén chuyển sang chế độ tua-bin khí làm quay động cơ trở thành máy phát điện phát lên lưới

Hiệu suất kho năng lượng khí nén đạt khá cao lên đến 78%

 Bánh đà:

Bánh đà là một thiết bị cơ khí quay được sử dụng để lưu trữ năng lượng quay Bánh đà

có mô-men quán tính lớn, và do đó chống lại sự thay đổi tốc độ quay Năng lượng được lưu trữ trong một bánh đà tỉ lệ với bình phương tốc độ quay của nó Năng lượng được chuyển giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô-men xoắn đối với nó, gây ra tốc độ quay của nó, và năng lượng lưu trữ của nó gia tăng Ngược lại, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm

Bánh đà đi kèm với máy phát điện thuận nghịch động cơ máy phát Khi lưới điện dư thừa công suất máy điện làm việc như một động cơ ,quay bánh đà lên tới tốc độ đủ trữ hết năng lượng dư thừa

Khi lưới thiếu công suất, bánh đà quay máy điện chuyển sang chế độ máy phát, phát công suất lên lưới Bánh đà được lắp với UPS thành bộ lưu trữ năng lượng có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao

Hiệu suất bộ trữ năng lượng kiểu bánh đà lên tới 80%, giá thành cao

từ trường 42000 gao (Gauss)

Hiệu suất kho từ rất cao 90%

 So sánh các bộ trữ năng lượng:

Có nhiều phương pháp tích trữ năng lượng Việc áp dụng đòi hỏi sinh phân tích phức tạp trên cơ sở giá thành cất giữ và khả năng đáp ứng nhu cầu khai thác vận hành hệ thống điện

Giá thành cất giữ bao gồm : giá thành cất giữ công sức đồng/KW và giá thành cất giữ năng lượng đồng/ KWh cũng như thời gian cất trữ Chẳng hạn,cất trữ thời gian dài sẽ giảm chi phí các kho dự trữ thành phần Trái lại, cất trữ công suất cao thời gian ngắn, chi phí biến đổi điện thấp và đáp ứng nhanh là các đòi hỏi chính So với chỉ tiêu kinh

tế của các loại kho dự trữ Chẳng hạn, ắc quy được dùng cho tại đỉnh (cất trữ trong khoảng 5 giờ) còn kho khí nén thích hợp với chu kỳ dài (trên 8 giờ)

Về phương diện kinh tế, có một số xem xét khác có thể được thực hiện trước khi một trữ năng lượng được chọn cho một áp dụng cụ thể, như sự hạn chế của địa điểm, ảnh hưởng môi trường, thời gian đáp ứng,kích cở tổ máy, thời gian trữ khả năng cung cấp thiết bị công nghệ và kinh nghiệm khai thác vận hành Chỉ sau khi tất cả các yếu tố ảnh hưởng đã được xem xét mới có thể chọn hệ trữ năng lượng cho một ứng dụng cụ thể mỗi khi được chọn, hệ trữ năng lượng cần phù hợp với công nghệ phát điện với mức chi phí thấp nhất có thể được phần lớn các hệ trữ năng lượng đều có kích cỡ rất lớn và đặc tính vận hành mềm dẻo hơn hệ phát điện và có thể ứng dụng khả năng mở rộng hệ Dựa trên bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế các kho trữ năng lượng, ta thấy tích trữ nguồn năng lượng kho khí nén có chi phí đổi điện và cất giữ tương đối thấp nên đây là môt công nghệ tích trữ năng lượng sẽ được ứng dụng nhiều trong tương lai

Bảng 1 1 Bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế các kho trữ năng lượng

Công nghệ trữ năng

1.7.3 Phương pháp kho năng lượng không khí nén (CAES)

Hình 1 10 Mô hình lưu trữ năng lượng không khí nén

Máy nén khí sử dụng điện năng giờ thấp điểm bơm không khí nén vào đầy trong hang chứa Đến giờ cao điểm, không khí nén được phóng thích ra khỏi hang và dùng để làm

quay một tuabin gió Điện năng có giá rẻ nhất vào lúc nửa đêm và chạy bằng những máy nén khí, không khí có thể được bơm vào một cái hang lớn hoặc một bình chứa lớn với 750 psi Vào ban ngày, khi giá điện còn đắt, không khí nén được hâm nóng lên với nhiệt phát ra và trữ lại trong kì nén và rồi dùng để làm quay một tuabin

Phương pháp trữ năng lượng khí nén có hiệu suất tương đối thấp và giá thành khoảng

1000 đô la/kilowatt dự trữ so với khoảng 3000 đô la/kilowatt đối với phương pháp trữ bằng acquy chì Đây là ước tính của Viện Nghiên cứu Điện lực Hoa Kì, EPRI

Hình 1 11 Lưu trữ không khí nén (CAES)

1.7.4 Phát minh lưu trữ năng lượng không khí nén (CAES)

Trong khi các loại pin dòng chảy và các công nghệ lưới điện thông minh khác

đã xuất hiện trong những năm gần đây để giải quyết vấn đề, thì nhiều nhà khoa học lại đang lục lại một phương pháp đã nhiều thập niên tuổi: lưu trữ năng lượng không khí nén (CAES) Phương pháp liên quan đến việc sử dụng năng lượng gió dư để nén không khí rồi sau đó sẽ được lưu trữ trong một cái hang dưới lòng đất Khi cần điện, không khí được giải phóng qua một tua bin khí để phát điện

Theo nghiên cứu, đây là một giải pháp rất cuốn hút: về lý thuyết, nó là một trong những cách rẻ tiền nhất để lưu trữ khối lượng năng lượng rất lớn và so với các đập thủy điện, nó không đòi hỏi nhà máy phải nằm chỗ đồi núi mà yêu cầu vùng đất phù hợp.Tuy nhiên, quá trình nén khí dẫn tới sinh nhiệt giống như những gì diễn ra với một chiếc bơm xe đạp khi nó nóng lên trong lúc bơm hơi đầy bánh xe Vấn đề ở đây là

phải làm gì với nhiệt phát sinh Hiện tại, chỉ có 2 nhà máy CAES trên toàn thế giới là nhà máy Huntorf ở Đức và nhà máy McIntosh ở Alabama của Mỹ với công suất tối đa lần lượt là 290 MW và 226 MW Tại cả 2 nhà máy, nhiệt được giải phóng dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình nén vì cả hai nhà máy đều không có hạ tầng để xử lí và lưu trữ nó

Ngoài mất đi một nguồn năng lượng tiềm năng, điều này còn có nghĩa rằng không khí cần được làm nóng lên lần nữa, thường với khí thiên nhiên, để chạy các tua bin phát điện Điều này làm giảm hiệu suất năng lượng của hệ thống Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang làm việc cho dự án RICAS 2020 do EU tài trợ đã quay sang CAES đoạn hiện tiên tiến (AA-CAES) để phát triển một ý tưởng thiết kế giúp lưu trữ nhiệt

Một thành phần quan trọng của dự án là bộ phận cho phép nhiệt được truyền xin-phông (qua một ống có hình dạng chữ 'U' ngược) trong quá trình nén Sau khi rời máy nén, không khí đi qua một hang được đổ đầy đá nghiền vốn hấp thu nhiệt Không khí lạnh sau đó đi xuống hang chính nơi nó được lưu trữ Khi cần, nó sẽ quay trở lại qua đá nghiền nơi nó được làm nóng trở lại trước khi được xả, do đó, giảm thiểu nhu cầu đốt nhiên liệu

Giovanni Perillo, một nhà khoa học tại SINTEF vốn là một trong những quản lý của dự án tin rằng công nghệ này có tiềm năng mang lại sự thay thế tốt hơn cho pin do

có tuổi thọ dài hơn Ngoài ra, so với các khu vực lưu trữ hiện có - vốn chỉ đạt tỉ lệ hiệu suất 45 đến 55% và chỉ tạo ra được một nửa năng lượng được sử dụng trong quá trình nén khí, hệ thống mới này nâng tỉ lệ đó lên đến 70 đến 80% "Chúng tôi nghĩ rằng có thể lưu trữ được nhiều nhiệt hơn khả năng của công nghệ lưu trữ hiện có, do đó, tăng hiệu suất thực của các cơ sở lưu trữ", ông Giovanni Perillo cho biết

Một ưu thế nữa mà công nghệ AA-CAES cung cấp là nó không bị giới hạn với một số dạng cấu tạo địa chất Trong khi các nhà máy thực sự phải được đặt ở những nơi có không gian rộng lớn đã có sẵn thì các nhà nghiên cứu cho hay chúng cũng có thể bao gồm hang hay hầm mỏ không dùng nữa Tuy nhiên, để dự án vượt qua được giai đoạn thiết kế mà có thể là đầu tiên cho một dự án AA-CAES, một vài điều kiện cần phải được đáp ứng Đó bao gồm phát triển một lớp màng bít có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao của hang Dựa trên các kỹ thuật và phân tích chi phí, một quyết định về việc có xúc tiến một nhà máy thí điểm hay không sau đó sẽ được đưa ra

Mặc dù đã xuất hiện nhiều thập kỷ nay nhưng không khí nén vẫn chưa được thừa nhận tiềm năng của mình trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Điều này có nhiều nguyên nhân, theo Matthias Finkenrath, Giáo sư kỹ thuật năng lượng tại Đại học khoa học ứng dụng Kempten của Đức, với các thách thức công nghệ, giá năng lượng thấp và

sự thiếu chắc chắn trên thị trường năng lượng là các yếu tố khiến kế hoạch xây dựng các nhà máy quy mô lớn bị trị cản trở hoặc bỏ rơi Một ví dụ là nhà máy Iowa Stored Energy Park trị giá 400 triệu USD đã bị hủy bỏ năm 2011 sau khi các nghiên cứu chỉ

ra rằng các tầng ngậm nước sa thạch của bang này không phù hợp cho CAES

Tuy nhiên, điều không may đó không ngăn cản được sức hấp dẫn tiềm ẩn của

nó khi các nhà khoa học và chuyên gia trong ngành công nghiệp đang tìm cách cải thiện việc lưu trữ năng lượng tái tạo phát vào đỉnh điểm trên lưới điện So với các hợp chất hóa học trong các hệ thống pin dựa trên cell, không khí chẳng mất chi phí, không xuống cấp và hoàn toàn ở xung quanh chúng ta

Với những khu vực như Hawaii khởi xướng các sáng kiến để dựa vào các nguồn tái cho phần lớn nhu cầu năng lượng của mình, lưu trữ khí nén có thể làm cho điện gió trở nên đáng tin cậy như năng lượng được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch nếu các nhà khoa học tìm ra cách khai thác nó và vượt qua nhiều thách thức về địa chất

"Lưu trữ không khí nén kiểu giống dự án này nhắm tới có thể mang lại chi phí thấp hơn đáng kể và nâng cao dung lượng lưu trữ so với pin điển hình Nếu dự án này dẫn tới các nhà máy lưu trữ được xây dựng dưới rất nhiều các điều kiện địa chất thì bản thân điều đó đã là một bước tiến quan trọng Nếu các đối tác dự án cũng thành công với kế hoạch lưu trữ nhiệt hiệu quả, sử dụng khí nén có thể sắp sửa trở thành một đột phá", Finkenrath cho biết

Nghiên cứu và phát triển về các giải pháp lưu trữ cũng đang được tiến hành nhằm mục đích giảm chi phí trong công nghệ Chi phí vốn cao cho công nghệ tích trữ vẫn là một rào cản đối với việc triển khai rộng Khi các nguyên liệu, công nghệ và các ứng dụng triển khai để tích trữ năng lượng được tạo ra, các kỹ thuật và các giao thức mới cũng cần phát triển để xác nhận tính an toàn của chúng và đảm bảo giảm thiểu nguy cơ thất bại và tổn thất