Thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng biển theo nguyên lý pelamis

Với những đi u kiện thực tế đĩ, được sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Hiếu Giang tác Trang 7 Nhằm tạo ra thiết bị phục vụ việc nghiên cứu và phát tri n các hệ thống máy phát điện bằng năng l

DANH M C CÁC HỊNH

Hình 2.1 Thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis 15

Hình 2.2 Cấu tạo của modul biến đổi năng lượng 16

Hình 2.3 Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuOY 16

Hình 2.4 Hệ thống phao tiêu chìm AWS 17

Hình 2.5 Sĩng điện đứng tại châu Ểu 18

Hình 2.6 Bản đồ v khu vực bức xạ mặt tr i trên bi n Đơng 19

Hình 2.7 Bản đồ v khu vực giĩ trên bi n Đơng 19

Hình 2.8 Bản đồ v khu vực sĩng bi n trên bi n Đơng 20

Hình 2.9 Nguyên lý Pelamis sử dụng 5 cylinder 21

Hình 2.10 Nguyên lý Pelamis sử dụng 4 cylinder 21

Hình 3.1 Mặt cắt ngang đập thủy điện 23

Hình 3.2 Tuabin nước và máy phát điện 24

Hình 3.3 Quá trình khai thác năng lượng địa nhiệt 25

Hình 3.4 Khai thác năng lượng gió 25

Hình 3.5 Tuabin chạy bằng năng lượng thủy triều 26

Hình 3.6 Khai thác năng lượng sóng biển 27

Hình 3.7 Máy phát ki u địn bẩy 28

Hình 3.8 Máy phát ki u phao nổi 28

Hình 3.9 Máy phát điện ki u Pittong thủy khí 29

Hình 3.10 Máy phát ki u giàn khoan 29

Hình 3.11 Nguyên lý máy phát điện sử dụng tuabin khí và tuabin well 30

Hình 3.12 Hệ thống phát điện sử dụng tuabin Well 30

Hình 3.13 Hệ thống phát điện sử dụng van một chi u 30

Hình 3.14 Kiểu máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí 31

Hình 3.14 Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến 31

Hình 3.15 Máy phát điện kiểu rắn biển 32

Hình 3.16 Máy phát điện kiểu rắn biển 33

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện cánh ngầm 33

Hình 3.18 Mơ hình dạng rắn bi n 35

Hình 3.19 Cấu tạo hệ thống máy phát điện dạng rắn bi n 36

Hình 3.20 Mơ hình tính tốn 36

Hình 3.21 Lực đẩy Acsimet 37

Hình 3.22 Đi u kiện nổi của vật 38

Hình 3.23 Động lượng dịng chảy 44

Hình 3.24 Mặt cắt ướt 47

Hình 3.25 Chu vi ướt 47

Hình 3.26 Hệ thống các dạng cánh turbine thơng dụng 49

Hình 4.1 Mơ hình tính tốn phao 56

Hình 4.2 Mặt cắt ngang ống phao 57

Hình 4.3 Vận tốc dịng lưu chất truy n cho bánh turbine 59

Hình 4.4 Kích thước cánh turbine 60

Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động của thiết bị trên nguyên lý Pelamis 61

Hình 4.6 Nguyên lý hoạt động của thiết bị trên nguyên lý cảm ứng điện từ 62

Hình 4.7 Mơ hình rắn bi n phát điện theo nguyên lý Pelamis 63

Hình 5.2 Thanh treo mô hình 64

Hình 5.3 Mô đun không mang máy phát 65

Hình 5.4 Đầu nối + hệ thống ống 65

Hình 5.5 Đầu nối + van 1 chi u 66

Hình 5.6 Xi lanh đẩy 66

Hình 5.7 Tua bin phát 67

Hình 5.8 Động cơ điện 1 chi u 67

Hình 5.10 Mô hình tiếp nhận điện từ máy phát 68

Hình 5.11 Đồng hồ VOM 68

Hình 5.12 Mô hình thực nghiệm 69

DANH M C B NG BI U

Bảng 3-1 Tuabin cánh quay đặt đứng 51

Bảng 3-2 Tuabin cánh quay đặt nằm 51

Bảng 3-3 Tuabin chéo trục quay 51

Bảng 3-4 Tuabin tâm trục 51

Bảng 3-5 Tuabin gáo 51

Bảng 3-6 Phân nhóm tuabin theo tỷ tốc tuabin cùng loại 52

Bảng 3-7 Phạm vi sử dụng của các tuabin 52

M C L C

CH NG I: GI I THI U 10

1.1 Tính cấp thiết của đ tài 10

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đ tài 10

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đ tài 11

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 11

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11

1.5 Phương pháp nghiên cứu 11

CH NG II: T NG QUAN 13

2.1 Tổng quan chung v lĩnh vực nghiên cứu 13

2.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước đã cơng bố 14

2.2.1 Các kết quả nghiên cứu ngồi nước 14

2.2.2 Các kết quả nghiên cứu trong nước 18

CH NG III: C S Lụ THUY T 23

3.1.Năng lượng truyền thống 23

3.1.1.Năng lượng thủy điện 23

3.1.2.Năng lượng địa nhiệt 24

3.1.3.Tổng quan về năng lượng gió 25

3.1.4.Tổng quan về năng lượng thủy triều 26

3.1.5 Năng lượng sóng biển: 27

3.1.5.1.Máy phát ki u phao – trục – địn bẩy 27

3.1.5.2.Máy phát ki u phao nổi: 28

3.1.5.3.Máy phát sử dụng sĩng bi n ki u pittơng thủy khí: 28

3.1.5.4.Máy phát ki u giàn khoan 29

3.1.5.5.Máy phát điện sử dụng tuabin khí và hơi 29

3.1.5.6.Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến 31

3.1.5.7.Máy phát điện ki u rắn bi n 32

3.1.5.8.Máy phát điện ki u cánh ngầm 33

3.2 Kết luận: 34

3.3 Lựa chọn phương án khai thác và mơ hình tính tốn: 35

3.4 Cơ s tính tốn thiết kế 36

3.4.1 Tính tốn thiết kế phao 36

3.4.1.1 Cơ s lí luận v vật nổi 36

3.4.1.1.2 Phản lực theo phương ngang 37

3.4.1.1.3 Phản lực theo phương đứng 37

3.4.1.2 Đi u kiện nổi của các vật : 38

3.4.2 Tính tốn xilanh thủy lực 39

3.4.2.1 Khái niệm chung v xilanh thủy lực 39

3.4.2.2 Những đặc tính vật lí chủ yếu của chất lỏng 39

3.4.2.3 Các thơng số cơ bản của xilanh thủy lực 42

3.4.2.4 Tính tốn và thiết kế piston : 44

3.4.2.5 Tính tốn đư ng ống dẫn và vịi phun 45

3.4.2.5.1 Phân loại dịng chảy 45

3.4.2.5.2 Dịng chảy khơng đi u và dịng chảy đi u 45

3.4.2.5.3 Dịng chảy cĩ áp, khơng áp, dịng tia : 46

3.4.2.5.4 Dịng chảy cĩ áp, khơng áp, dịng tia : 46

3.4.2.5.5 Tính toán dòng lưu chất trong đư ng ống 467

3.4.2.5.6 Tính dòng lưu chất tại vòi phun 49

3.4.2.6 Cơ s thiết kế tuabin nước : 49

3.4.2.6.1 Giới thiệu tuabin nước : 49

3.4.2.6.2 Giới thiệu một số dạng turbine nước thông dụng: 49

3.4.2.6.3 Giới thiệu một số dạng turbine nước thông dụng: 49

3.4.2.6.4 Phân loại tuabin và phạm vi sử dụng : 52

CH NG IV: TệNH TOÁN VÀ THI T K 55

4.1.Thông số ban đầu 55

4.2.Tính toán 56

4.2.1 Tính toán phao 56

4.2.2 Tính áp lực của sóng tác động vào phao 57

4.2.3 Tính lưu lượng và áp suất trong xilanh 58

4.2.4 Tính lưu lượng, áp suất trong đư ng ống vòi phun và turbine 59

4.2.5 Tính toán trục của turbin 60

4.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị 61

4.3.1 Theo nguyên lý Pelamis 61

4.3.2 Theo nguyên lý cảm ứng điện từ: 61

4.4.Mô hình máy phát điện theo nguyên lý Pelamis 63

4.4.1 Cấu tạo mô hình 63

4.4.2 Nguyên lý hoạt động mô hình : 63

CH NG V: THI CỌNG MỌ HỊNH 64

5.1 Đế mô hình : 64

5.2 Thanh treo mô hình: 64

5.3 Mô đun không mang thiết bị phát điện 64

5.4 Đầu nối dẫn dầu thủy lưc + hệ thống ống 65

5.5 Van một chi u 65

5.6 Xi lanh tạo lực đẩy 66

5.7 Tua bin phát 66

5.8 Các thiết bị phụ trợ khác 67

CH NG VI: K T LU N ậ KI N NGH 70

6.1 Kết quả thực nghiệm: 70

6.2 Kết luận: 73

6.3 Kiến nghị: 73

TÀI LI U THAM KH O 75

PH L C 76

CH NG I: GI I THI U 1.1 Tính cấp thi t của đ tƠi

Sự phát tri n của n n công nghiệp toàn cầu kéo theo nhu cầu ngày càng lớn năng lượng phục vụ cho nó mà năng lượng chủ yếu được sử dụng là năng lượng điện Trong khi

đó, ti m năng đ khai thác, sản sinh ra điện theo phương pháp truy n thống như thủy điện, nhiệt điện đã dần cạn kiệt Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng lượng rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo khoa học gần đây cho thấy, ti m năng này sẽ không còn trong vài mươi năm nữa Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài toán v môi trư ng toàn cầu được đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp, chúng ta phải hạn chế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh hư ng xấu tới môi trư ng Trong khi đó các nhà máy ki u nhiệt điện truy n thống thì không th tránh được việc thải ra môi trư ng một lượng lớn các chất ảnh hư ng tới môi trư ng như oxit cacbon, oxit nitơ, oxit lưu huỳnh, trong quá trình vận hành

Trái đất có 70% là nước trong đó phần lớn là bi n Do đó khai thác năng lượng từ

bi n có ti m năng rất lớn, được đánh giá là nguồn năng lượng vô tận, có khả năng cung cấp năng lượng cho toàn thế giới là nguồn năng lượng chủ yếu trong tương lai Mọi nguồn năng lượng được hình thành từ bi n đ u từ tự nhiên và có năng lượng lớn Việc tận dụng thủy tri u và sóng bi n thực sự là một bước ngoặc trong sản xuất năng lượng điện Đây là nguồn năng lượng sạch ít gây ô nhi m môi trư ng

Hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng bi n đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay Đặc biệt là hệ thống phát điện theo nguyên lý Pelamis và thực hiện phát điện gián tiếp được tập trung nghiên cứu nhi u do nó có ưu đi m hơn hệ thống phát điện trực tiếp là kết cấu đơn giản d chế tạo, chi phí chế tạo thấp, hiệu suất thiết bị cao, bảo dưỡng đơn giản…

1.2 ụ nghĩa khoa h c vƠ thực ti n của đ tƠi

Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước do đó nhu cầu tiêu thụ năng lượng là rất lớn Với hàng ngàn ki lô mét b bi n, một vùng bi n rộng lớn vì vậy Việt Nam có nhi u ti m năng v năng lượng bi n Đồng th i việc khai thác năng lượng

từ bi n cũng là hướng đi cho bài toán ô nhi m môi trư ng hiện nay tại Việt Nam

Với những đi u kiện thực tế đó, được sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Hiếu Giang tác

giả đã lựa chọn đ tài tốt nghiệp của tôi là: ắThi t k vƠ ch t o mô hình máy phát đi n bằng năng l ng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis”

Nhằm tạo ra thiết bị phục vụ việc nghiên cứu và phát tri n các hệ thống máy phát điện bằng năng lượng sóng bi n, với mục tiêu giảm tải cho điện lưới quốc gia và tiến đến việc sử dụng năng lượng sóng bi n là nguồn năng lượng chủ yếu Đ tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis” sẽ đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát tri n thành sản phẩm thực tế đưa vào phục vụ đ i sống và cung cấp nguồn điện năng dồi dào cho các khu vực dân cư ven bi n và hải đảo

1.3 M c tiêu nghiên c u của đ tƠi

Mục tiêu và nhiệm vụ của đ tài là: Dựa trên cơ s lý thuyết tính toán các thông số

kỹ thuật cho máy phát điện bằng năng lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis bên cạnh đó chế tạo “mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis” dùng

đ trang bị cho việc khảo sát và chế tạo máy phát điện bằng năng lượng sóng bi n

1.5 Ph ng pháp nghiên c u

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phân tích và tổng hợp

- Tính toán, thiết kế chế tạo mô hình

- Phương pháp lấy số liệu khảo sát

1.6 K t cấu của lu n văn

Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 6 ch ơng:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Cơ s lý thuyết

Chương 4: Tính toán và thiết kế

Chương 5: Thi công mô hình

Chương 6: Kết luận – Kiến nghị

C H NG II: T NG QUAN 2.1 T ng quan chung v lĩnh vực nghiên c u

Trong th i gian vừa qua ngành điện nước ta phát tri n rất nhanh, nhưng vẫn không đáp ứng đủ điện cho n n kinh tế đang tăng trư ng nhanh và nhu cầu tiêu dùng của nhân dân Ngành điện đã phải nhập khẩu thêm điện của Trung Quốc mà vẫn còn thiếu điện nghiêm trọng, ảnh hư ng lớn đến sản xuất và đ i sống của nhân dân Nguồn điện của ta rất đa dạng: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu, thủy điện, điện chạy bằng năng lượng gió, điện chạy bằng năng lượng mặt tr i, Trong th i gian sắp tới ta sẽ phải xây dựng nhà máy điện chạy bằng năng lượng hạt nhân

Than đá của ta tuy khá nhi u, nhưng th i gian tới cũng không đủ, sẽ phải nhập khẩu với giá cao đ chạy các nhà máy phát điện chạy bằng than phía nam Khí đốt của ta cũng

có hạn, chỉ có th đáp ứng được một phần nhu cầu phát điện của đất nước Phát điện chạy dầu thì giá thành rất cao và ta cũng không đủ dầu, đang phải nhập khẩu thêm xăng, dầu từ nước ngoài V thủy điện, những nơi có khả năng xây dựng nhà máy thủy điện lớn và vừa,

ta đã và đang xây dựng gần hết quỹ đất có th Điện hạt nhân cũng chỉ có khoảng chục địa

đi m có th xây dựng được nhà máy Động đất và sóng thần Nhật Bản cũng đã làm cho cả thế giới phải cảnh giác với điện hạt nhân

Điện chạy bằng năng lượng gió và điện chạy bằng năng lượng mặt tr i nước ta mới chỉ chiếm một tỷ trọng rất nhỏ và giá thành còn cao hơn nhi u so với thủy điện và nhiệt điện chạy than, chạy khí

Trong Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21 tháng 7 năm 2011 v việc Phê duyệt Quy hoạch phát tri n điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm:

“+ u tiên phát triển nguồn điện từ năng l ợng tái tạo (điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối, ), phát triển nhanh, từng b ớc gia tăng tỷ trọng của điện năng sản xuất từ nguồn năng l ợng tái tạo : Đ a tổng công suất nguồn điện gió từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030; điện năng sản xuất từ nguồn điện gió chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.Phát triển điện sinh khối, đồng phát điện tại các nhà máy đ ờng, đến năm 2020, nguồn điện này có tổng công suất khoảng 500 MW, nâng lên 2.000 MW vào năm 2030; tỷ trọng điện sản xuất tăng

từ 0,6% năm 2020 lên 1,1% năm 2030.”

Theo tính toán của Bộ Công Thương tại th i đi m năm 2009 khi làm t trình Chính phủ nghị định khuyến khích phát tri n năng lượng tái tạo, bình quân giá điện gió tại Việt nam vào khoảng 12,5UScent/kWh, nhưng giá điện bình quân tại th i đi m đó mới chỉ khoảng 5,3UScent/kWh Nếu tính cả lần đi u chỉnh giá điện gần đây nhất (1.8.2013) thì giá điện bình quân mới bằng 1.508đ/kWh (tương đương 7,56UScent)

Than đá, dầu mỏ, khí đốt, ngày càng cạn kiệt dần nên việc nghiên cứu và xây dựng các nhà máy phát điện chạy bằng năng lượng tái tạo nhi u nước trên thế giới ngày càng được đẩy mạnh Việc sử dụng năng lượng sóng bi n đ chạy máy phát điện đã được nhi u nhà khoa học một số nước trên thế giới nghiên cứu từ lâu bằng những công nghệ rất hiện đại Trong các bản tin th i sự ta thư ng được nghe các nước đang tích cực đẩy nhanh tỷ lệ phát điện bằng năng lượng tái tạo lên cao Nhưng rất tiếc rằng năng lượng tái tạo đây mới chỉ đ cập đến năng lượng mặt tr i và năng lượng gió

Qua đó ta thấy tuy điện gió còn rất đắt so với điện chạy bằng các loại năng lượng đã

có, nhưng nước ta và các nước trên thế giới vẫn tích cực phát tri n Vấn đ đặt ra là tại sao điện chạy bằng năng lượng sóng bi n vẫn chưa được đưa vào? Phải chăng việc nghiên cứu

sử dụng năng lượng sóng bi n đ chạy máy phát điện của các nhà khoa học thế giới còn nhi u vấn đ và giá thành phát điện còn rất cao so với các dạng năng lượng khác?[15]

2.2 Các k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c đƣ công b

2.2.1 Các k t qu nghiên c u ngoƠi n c

Các sáng chế đầu tiên đ tận dụng năng lượng từ sóng bi n đã có từ năm 1799 và đã được tập hợp tại Paris b i Girard và con trai của ông Từ 1855-1973 có 340 sáng chế đã có mặt tại Vương quốc Anh Một ứng dụng ban đầu của sóng điện là một thiết bị được xây dựng vào khoảng năm 1910 b i Bochaux-Praceique cho đèn và điện năng phục vụ cho nhà của ông Royan, gần Bordeaux, Pháp Nó chứng tỏ rằng đây là lần đầu tiên một loại thiết bị năng lượng sóng bi n được sử dụng

Khoa học hiện đại đã và đang theo đuổi năng lượng sóng bi n và 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 bi n, với hàng trăm thí nghiệm được sử dụng đ chuy n hướng đèn điện Trong số này đã có khái niệm chiết điện từ các chuy n động góc tại khớp của một mảng khớp nối, được đ xuất b i Masuda trong năm 1950

Quan tâm v năng lượng sóng được thúc đẩy b i cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm

1973 Một số nhà nghiên cứu thuộc một số trư ng đại học đã tiến hành ki m tra ti m năng tạo ra điện từ sóng bi n, trong đó đáng chú ý là Stephen Salter từ Đại học Edinburgh, Kjell Budal và Johannes Falnes từ Viện Công nghệ Na Uy (nay sáp nhập vào Đại học Khoa học

và Công nghệ Na Uy), Michael E McCormick từ Học viện Hải quân Hoa Kỳ, David Evans

từ Đại học Bristol, Michael của Pháp từ Đại học Lancaster, John Newman và Chiang C.Mei

Hình 2.1 Thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis

* Nguyên lý ho t đ ng của thi t b ch t o theo nguyên lý Pelamis:

Thiết bị là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, nối với nhau bằng bản l Sóng bi n làm chuy n 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 truy n qua giây cáp ngầm dưới đáy đại dương dẫn vào b , 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 bi n là 1km2

Thiết bị được neo vùng bi n có độ sâu chừng 50–70m; cách b dưới 10km, là nơi

có mức năng lượng cao trong các con sóng Và Thiết bị 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 th cho công suất 750kW, nó có chi u dài 140-150m, có đư ng kính ống 3-3,5m.[11]

Hình 2.2 Cấu tạo của modul biến đổi năng l ợng.

Năm 2006, dự án 2MW, mi n Nam California, Mỹ, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình

Hình 2.3 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 chuy n động thẳng đứng do các đợt sóng bi n tạo ra năng lượng điện

Nh việc nhấp nhô lên xuống của sóng bi n làm hệ thống phao nổi dập d nh lên xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuy n động, tạo ra dòng điện Điện dẫn qua hệ thống cáp ngầm đưa lên b , hòa vào lưới điện

Mỗi phao tiêu có th đạt công suất tới 250kW, với đư ng kính phao 6m Nếu trạm phát điện có công suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2mặt bi n

Bơm ống là ống cao su cốt thép, nó hoạt động như cái bơm bình thư ng, khi sóng nén, nước bi n đẩy mạnh v phía sau, có chứa một bộ cao áp, làm quay turbin, điện thu được, dẫn qua cáp ngầm vào b đ hòa chung vào lưới điện

Ngoài ra trên các AquaBuOY còn đặt các tấm pin mặt tr i; turbin gió nhỏ nhằm tạo

ra nguồn điện năng cho các thiết bị chuẩn đoán gắn trong AquaBuOY Tất cả dữ liệu v thiết bị đ u được truy n bằng công nghệ không dây, vệ tinh v khu vực đi u hành Hệ thống

điện mới nhằm biến chuy n 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 hư ng b i đi u kiện khí hậu trên mặt bi n Hệ thống phao tiêu ngầm giống như những quả ngư lôi dưới mặt nước bi n chừng 50 mét mà vẫn tạo ra điện năng nh sóng bi n

Hình 2.4 Hệ thống phao tiêu chìm AWS

Các hệ thống nổi trên mặt bi n d bị các trận bão tàn phá, thì hệ thống chìm của

AWS (Aschimedes Wave Swing) đã chế tạo bằng vật liệu được sử dụng như dàn khai thác dầu mỏ ngoài khơi, được đặt độ sâu yên tĩnh Hệ thống tạo ra năng lượng nh sóng bi n từ

xa, qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nước.[8]

Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 mét, rộng 10 mét chứa khí nén bên trong khiến phao không chìm, nửa trên chỉ chuy n động theo chi u 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 Chuy n động bơm biến thành điện năng Điện được chuy n tải qua cáp ngầm, lên hòa vào lưới điện

Hình 2.5 Sóng điện đứng tại châu Âu

Châu Ểu hiện nay đang đi đầu trong công nghệ năng lượng thay thế và dần đạt được một chỗ đứng tốt trong công nghệ khai thác sóng điện

Gần đây, công ty năng lượng thủy tri u Anh [Lunar Energy], đã đồng ý xây dựng lắp đặt hệ thống điện năng thủy tri u lớn nhất thế giới tại Hàn Quốc với giá 500 triệu bảng

300 tua bin cao 60 foot [1 foot = 30,48cm] sẽ đặt đáy bi n và sử dụng năng lượng

từ các dòng thủy tri u đ xoay tua bin tạo ra điện Họ hy vọng sẽ được tạo ra đủ điện cho 200.000 căn nhà vào năm 2015

OpenHydro của Ireland và RWE của Đức sẽ thực hiện một số dự án công nghệ khai thác thủy tri u của họ, sử dụng sóng trên b bi n đ làm xoay tua bin Cho đến nay, cả hai công ty có đặt thử nghiệm một số hệ thống tại các đại dương, hy vọng sẽ hạn chế tối thiếu

sự tác động đến hệ sinh thái và các hệ thống có th tồn tại trong đi u kiện bi n khắc nghiệt nhất

Venture Capitalists đặc biệt vui mừng v sự tăng trư ng trong ngành công nghiệp này và đang đầu tư số ti n chưa từng có vào đây công ty VC tin rằng làn sóng điện sẽ thay thế cho 20% năng lượng của châu Ểu vào năm 2020, so với 40% dự báo của năng lượng

gió.[15]

2.2.2 Các k t qu nghiên c u trong n c

Nước ta có b bi n dài trên 3.200 km, đứng thứ 32 trong tổng số 156 quốc gia có

bi n Do đó nước ta có ti m năng năng lượng bi n rất lớn, đặc biệt phải k đến hai nguồn năng lượng khả quan nhất đó là gió và sóng

Hiện tại, nghiên cứu năng lượng bi n Việt Nam mới giai đoạn sơ khai, tuy chúng ta

có các nghiên cứu sơ bộ và đã có được một vài tài liệu v mật độ của các dạng năng lượng

bi n chủ yếu: bức xạ mặt tr i vùng bi n, gió bi n, sóng bi n và thủy tri u mà chưa có những ứng dụng cụ th phát điện trên bi n Các nghiên cứu mới chỉ được thực hiện thông qua đ tài khoa học công nghệ, chưa có đại diện đầu mối quốc gia v nghiên cứu, tri n khai,

lắp đặt, chưa được giao nhiệm vụ đ chuẩn hóa các hoạt động R&D v năng lượng bi n quốc gia và hợp tác quốc tế, chủ yếu là các nghiên cứu nhỏ lẻ, r i rạc, chưa hệ thống

Tiềm năng bức xạ mặt trời trên biển: Trên bi n Đông ti m năng bức xạ có xu

hướng tăng dần từ phía Bắc xuống phía Nam

Hình 2.6 Bản đồ về khu vực bức xạ mặt trời trên biển Đông

Trên khu vực phía bắc vĩ tuyến 20oN tổng xạ đạt 4000 Wh/m2/ngày Phía nam vĩ tuyến 20oN tổng xạ đạt gần 5000 Wh/m2/ngày Vùng nhi u ti m năng nhất Việt Nam là vùng ngoài khơi bi n Nam Trung Bộ gồm cả Hoàng Sa và Trư ng Sa, vùng bi n Vũng Tàu-

Côn Đảo

Tiềm năng gió biển: Trên bản đồ hình 2.7 cho thấy các vùng ngoài khơi vịnh Bắc

Bộ và ngoài khơi Vũng Tàu-Côn Đảo là những vùng có mật độ năng lượng gió bi n lớn nhất Theo tính toán thì mật độ cao nhất tại vùng bi n Vũng Tàu-Côn Đảo tầng 80 m đạt 300-600 W/m2, vùng giữa vịnh Bắc Bộ đạt 300-400 W/m2

Theo phân cấp của Mỹ và UNEP (Chương trình môi trư ng Liên hợp Quốc) thì cấp điện gió Việt Nam đạt cấp III trên thang 4 cấp, chứng tỏ ti m năng điện gió bi n tại vùng

bi n này là rất khả thi

Hình 2.7 Bản đồ về khu vực gió trên biển Đông

Tiềm năng sóng biển: Trên bản đồ hình 2.8 cho thấy những vùng có mật độ năng

lượng bi n lớn nhất là vùng bi n Trung Bộ và Đông Nam Bộ Việt Nam Chia ven bi n Việt Nam làm 54 vùng theo mật độ năng lượng sóng bi n, từ Quảng Ninh đến Nghệ An, Thanh Hóa đến Dung Quất, Quảng Ngãi, Dung Quất - Ninh Thuận, Ninh Thuận - Cà Mau, Cà Mau

- Kiên Giang Vào mùa gió Đông Bắc công suất điện sóng đạt cực đại 40kW/m phía bắc b

bi n Việt Nam và 30kW/m vùng phía Nam Trung bình một năm là 25kW/m vùng ven

bi n ngoài khơi Nam Trung Bộ Mật độ cao nhất tại vùng bi n Phú Quý đạt 40 kW/m Vào mùa gió Tây Nam công suất đạt 20 kW/m vào tháng 7, 8 tại các vùng Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ, các vùng khác công suất trung bình đạt 10 kW/m

Hình 2.8 Bản đồ về khu vực sóng biển trên biển Đông

Tiềm năng thủy triều và dòng chảy biển : Những vùng có ti m năng v năng lượng

thủy tri u bi n nhất, đó là vùng bắc vịnh Bắc Bộ, vùng ven bi n Vũng Tàu-Cà Mau Các địa đi m v ti m năng thủy tri u được phân bố từ phía Bắc đến phía Nam, Vịnh Hạ Long-4,7 GWh, Di n Châu-620 GWh, Văn Phong - 308 GWh, Quy Nhơn-135 GWh, Cam Ranh

-185 GWh, Gành Rái-714GWh, Đồng Tranh - 371 GWh, Rạch Giá-139 GWh.Vùng có

ti m năng dòng chảy là ngoài khơi Ninh Thuận- Bình Thuận đạt 40-60W/m2, ngoài khơi

Cà Mau-Hòn Khoai đạt 100-300 W/m2.[5,6,7]

Có nhi u phương pháp đ chuy n đổi năng lượng cơ học của sóng bi n sang năng lượng điện Có th phân chia thành các dạng như: khí động, thuỷ động, thủy tĩnh chuy n động tương đối của phao… Tuy nhiên, loại thiết bị tổ hợp năng lượng dựa trên nguyên lý khí động (turbine khí), thuỷ động (turbine nước) tuy có công suất lớn và rất lớn (vài chục

kW đến vài MW), nhưng đòi hỏi vùng bi n có sóng lớn, b bi n có vách cao hoặc phải xây công trình trạm nổi tốn kém trên bi n, chi phí đầu tư cao và công nghệ hạ tầng phức tạp Khắc phục vấn đ này, nhóm tác giả của Trung tâm nghiên cứu thuỷ khí, thuộc Viện nghiên

cứu cơ khí đã đ xuất tri n khai “Hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng bi n có công suất 5÷ 10 kW, lần đầu tiên được nghiên cứu, phát tri n Việt Nam, hoạt động theo nguyên

lý thuỷ tĩnh của hãng Pelamis - (Pê-la-mits) - Scotland

Hình 2.9 Nguyên lý Pelamis sử dụng 5 cylinder

Thiết bị phát điện dạng rắn bi n này bao gồm các phao r i liên kết với nhau b i các khớp quay theo chi u ngang và đứng cùng 02 module năng lượng: Bơm xilanh thu nhận năng lượng sóng ngang và bơm xilanh nhận năng lượng sóng đứng Chuy n động tương đối giữa các phao trên b mặt sóng làm các xilanh (bơm thuỷ lực) hoạt động, chuy n đổi năng lượng chuy n động cơ học thu nhận được từ năng lượng sóng thành năng lượng dầu ép

Các chuy n động đây chủ yếu là lực Acimet và cho phép khai thác năng lượng sóng bi n, cung cấp năng lượng dầu ép cho hệ thống thuỷ lực bên trong các module, năng lượng được nạp vào bình tích, sau đó cung cấp tới cụm máy phát điện, điện phát ra có th được đưa trực tiếp tới các hộ tiêu thụ, hoặc nạp cho ắcquy hay phát lên điện lưới

Hình 2.10 Nguyên lý Pelamis sử dụng 4 cylinder

Hệ thống đã được chạy thử nghiệm với mô hình trên cạn và thu được kết quả như dự kiến với công suất 5-10kw/h Tuy nhiên, việc đặt hệ thống thiết bị này trên bi n và thu cơ năng sóng bi n, còn phụ thuộc vào nhi u yếu tố khách quan tự nhiên đặc biệt là vào các thông số sóng (độ cao, chu kỳ, bước sóng), tính chất sóng

Tuy thiết bị mới chỉ dừng lại công suất nhỏ nhưng bước đầu khẳng định chúng ta hoàn toàn có th chủ động khai thác nguồn năng lượng vô tận này đ cung cấp điện phục vụ

sinh hoạt cho khu vực bi n đảo, giảm sự phụ thuộc vào hệ thống lưới điện quốc gia Đ nghiên cứu, phát tri n năng lượng sạch cần một chiến lược dài hơi, tập hợp đội ngũ các nhà nghiên cứu… đ từng bước nâng cao chất lượng, quy mô thiết bị.[13]

CH NG III: C S Lụ THUY T 3.1.Năng lượng truyền thống

Năng lượng sơ cấp là những nguồn năng lượng truyền thống sử dụng cho máy phát điện từ khi nó mới ra đời Đó là những nguồn năng lượng có thể làm cho động cơ chuyển động như : dầu diesel, xăng được sử dụng trong động cơ đốt trong để làm quay động cơ nối với rotor, than đá và khí đốt dùng làm nhiên liệu đốt nóng để tạo ra hơi nước làm quay tuabin, ngoài ra các nhà máy phát điện thường sử dụng sức nước để làm quay tuabin tạo ra điện Phần lớn những nguồn năng lượng truyền thống này đều lấy từ tự nhiên nên có một số nhược điểm:

 Nguồn năng lượng bị giới hạn, phụ thuộc vào thiên nhiên

 Gây ô nhiễm môi trường, tạo ra nhiều tiếng ồn

 Giá thành cao, không ổn định

Tuy nhiên cho đến nay những nguồn năng lượng này vẫn được sử dụng nhiều nhất

do nguồn cung cấp có sẵn trong tự nhiên, đồng thời nhiều thiết bị và các loại máy phát điện có cấu tạo hoạt động dựa trên những nguồn năng lượng này Hiện nay nhiều quốc gia, viện nghiên cứu và các nhà khoa học đang tìm cách tạo ra những nguồn năng lượng mới để thay thế chúng trước tình trạng nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt đồng thời góp phần bảo vệ thiên nhiên và bảo vệ môi trường

3.1.1.Năng lượng thủy điện

Hình 3.1 Mặt cắt ngang đập thủy điện

Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuabin nước và máy phát điện Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay

các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thủy triều Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể phục hồi

Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất Để có được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một tuabin nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock)

Hình 3.2 Tuabin nước và máy phát điện

Ngoài nhiều mục đích phục vụ cho các mạng lưới điện công cộng, một số dự án thuỷ điện được xây dựng cho những mục đích thương mại tư nhân.[1,2]

3.1.2.Năng lượng địa nhiệt

Địa nhiệt nói chung là nhiệt bên trong lòng đất, có hai nguồn chính đó là :

1 - Nguồn nhiệt từ nhân trái đất được đưa lên bề mặt thông qua sự phun trào núi lửa Nguồn nhiệt này rất lớn nhưng con người không thể chế ngự được

2 - Nhiệt sinh ra từ sự giải phóng năng lượng của quá trình phân hủy các nguyên tố phóng xạ nằm trong lớp vỏ trái đất Chúng được đưa lên bề mặt thông qua các dòng nước ngầm, suối nước nóng, giếng tự phun dưới dạng nước nóng hoặc hơi Nguồn nhiệt từ các dòng nước phun đã được con người sử dụng cách đây hàng ngàn năm để nấu ăn, sưởi ấm nhà cửa, thậm chí chữa bệnh (do có chứa một số khoáng) Khi khoa học kỹ thuật phát triển, nguồn địa nhiệt này mới được ứng dụng để sản xuất điện năng

Thông thường những nhà máy địa nhiệt đều sử dụng nhiệt bằng cách khoan các giếng sâu khoảng 4-5km sau đó đưa nước xuống và nước sẽ bị nung nóng bốc hơi lên

Hơi nước sẽ được sử dụng để làm quay tuabin máy phát điện Nguồn nước này sẽ được tuần hoàn liên tục.[15]

Hình 3.3 Quá trình khai thác năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng vô tận có tiềm năng khai thác hàng trăm nghìn megawatt Nhưng hiện nay, đây vẫn là một ngành còn non trẻ và chiếm thứ yếu trong sản xuất năng lượng Trong tương lai không xa, với những ưu điểm nổi bật so với năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch như hiệu quả chi phí thấp, không phát thải khí nhà kính, người ta kỳ vọng rằng năng lượng địa nhiệt sẽ nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chủ đạo cung cấp điện cho thế giới.[15]

3.1.3.Tổng quan về năng lượng gió

Hình 3.4 Khai thác năng lượng gió

Gió là nguồn năng lượng vô tận, ngay từ xa xưa con người đã biết sử dụng năng lượng gió phục vụ cho công việc hằng ngày của mình như lấy sức gió để làm phương tiện vận chuyển và đi lại như thuyền buồn, khinh khí cầu, lợi dụng sức gió thay sức người như sử dụng năng lượng gió để làm cối xay gió Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ

thuật, năng lượng gió được sử dụng để tạo ra điện.Tuy nhiên cũng giống như các nguồn năng lượng khác,năng lượng gió cũng có ưu điểm và nhược điểm của nó[9]

3.1.4.Tổng quan về năng lượng thủy triều

Thủy triều là hiện tượng nước biển, nước sông lên xuống trong ngày do sự tác động của lực hút từ mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác trong hệ mặt trời lên một vùng nào đó trên bề mặt trái đất tại những thời điểm nhất định trong ngày

Hình 3.5 Tuabin chạy bằng năng lượng thủy triều

Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta sử dụng năng lượng thủy triều để tạo ra điện Việc khai thác năng lượng điện từ thủy triều là khai thác biên độ lên xuống 2 lần/ngày của thuỷ triều Theo lý thuyết thì các nhà máy điện thuỷ triều tương tự như các nhà máy thuỷ điện

Mặc dù có một số nhược điểm như chỉ có thể được sản xuất tại khu vực có biên độ lên xuống của thuỷ triều lớn, liên tục và không thể sản xuất vào thời điểm mực nước không thay đổi nhưng điện thủy triều lại có những ưu điểm vượt trội so với năng lượng gió và năng lượng mặt trời 70% bề mặt trái đất là nước vì thế nguồn năng lượng này là vô tận, đồng thời việc khai thác nguồn năng lượng này không gây ô nhiễm môi trường

Do nguồn năng lượng này tự phát sinh nên chỉ cần biến chuyển động lên xuống của thủy triều thành điện thì tiết kiệm được rất nhiều chi phí so với việc khai thác năng lượng từ

các nguồn khác, vì vậy giá thành điện năng sản xuất từ năng lượng thủy triều thấp( tương tự như giá điện năng tạo ra từ nhà máy điện vận hành bằng khí đốt hoặc than đá).[15]

3.1.5 Năng lượng sóng biển:

Hình 3.6 Khai thác năng lượng sóng biển

Sóng biển là các sóng bề mặt xuất hiện tại tầng trên cùng của biển hay đại dương Chúng thường được tạo ra do tác dụng của gió, nhưng đôi khi cũng do các hoạt động địa chấn, và có thể lan truyền hàng nghìn kilômét Độ cao của sóng có thể chỉ nhỏ cỡ chục xentimét nhưng cũng có thể lớn tới cỡ sóng thần Các phân tử nước biển tham gia vào chuyển động sóng chỉ xoay vòng tại chỗ và có ít chuyển động tịnh tiến theo hướng lan truyền của sóng; tuy rằng một lượng năng lượng lớn có thể được lan truyền theo sóng

Với nguồn năng lượng lớn như vậy năng lượng sóng biển nếu được sử dụng vào việc chế tạo máy phát điện sẽ là một nguồn cung cấp cơ năng tốt Hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu đưa nguồn năng lượng này vào phục vụ cho việc tạo ra điện Những máy phát điện kết hợp với hệ thống phao lợi dụng sức nâng của sóng để tạo nên chuyển động cần thiết

Năng lượng từ sóng biển có những ưu điểm như : nguồn năng lượng lớn, vô tận Tuy nhiên việc sản xuất năng lượng từ sóng biển còn gặp nhiều khó khăn vẫn cần phải có những nghiên cứu để có thể thu năng lượng từ sóng biển một cách hiệu quả nhất.[15]

3.1.5.1 Máy phát ki u phao ậ tr c ậ địn bẩy

Máy cĩ cấu tạo như hình dưới Khi cĩ sĩng đánh qua phao sẽ nâng lên làm quay khớp trụ đỡ (hình 3.7a) Nguyên lý được chỉ ra hình (hình 3.7b)[11]

a) cấu trúc máy phát phao trục đòn bẩy b) Nguyên lý máy phát phao trục đòn bẩy

Hình 3.8 Máy phát kiểu phao nổi

3.1.5 3.Máy phát s d ng sóng bi n ki u pittông thủy khí:

Khi có con sóng đi qua, áp suất trong lòng nước cũng thay đổi chỗ đỉnh sóng chiếu xuống thì áp suất tăng lên, trong khi chân sóng chiếu xuống thì áp suất lại giảm Hệ thống được bố trí như hình vẽ 3.9 Ễp suất tăng lên, khí trong lòng phao bị nén lại Ngược lại khi áp suất giảm, khí giãn ra Phao nhỏ (trên đó đã được bố trí nam châm) được di chuy n trong lòng phao lớn(nơi đã được gắn những cuộn dây) theo mặt nước Và điện được sinh ra

Hình 3.9 Máy phát điện kiểu Pittong thủy khí

3.1.5.4 Máy phát ki u giƠn khoan

Đó là hệ thống giống như những giàn khoan đặt giữa bi n khơi và được bố trí giống như hình 3.10 bên dưới Trong đó chính bộ phận định hướng chuy n động của phao có gắn sẵn những cuộn dây Còn trên những trục gắn vào phao được bố trí sẵn những nam châm Khi có sóng đánh qua thì phao sẽ dao động và điện sẽ sinh ra các cuộn dây [11]

Hình 3.10 Máy phát kiểu giàn khoan

3.1.5.5 Máy phát đi n s d ng tuabin khí vƠ h i

Lợi dụng những dao động lên xuống của sóng, ngư i ta xây những “hốc nổi” gần

b Khi có sóng đánh vào b thì áp suất không khí trong hốc sẽ dao động Ngư i ta dẫn khí

đó qua một ống dẫn mà trên đó có gắn những tuabin gió [15]

Hình 3.11 nguyên lý máy phát điện sử dụng tuabin khí và tuabin well

Tuabin giĩ được dùng đây tốt nhất là tuabin Well hình 3.11c, đĩ là 1 loại tuabin đặc biệt, nĩ cĩ th quay cùng 1 chi u khi mà khơng khí dẫn qua nĩ thay đổi chi u

Tuabin này được trang bị sẵn những bộ phận đ chuy n những chuy n động của dịng khí thành điện với hiệu suất cao nhất.[15]

Hình 3.12 Hệ thống phát điện sử dụng tuabin Well

Yếu đi m cơ bản của hệ thống này là giá thành của tuabin Well cao Đ tránh sử dụng tuabin Well ngư i ta sử dụng những van 1 chi u Hệ thống được bố trí lắp đặt như hình bên dưới:

Hình 3.13 Hệ thống phát điện sử dụng van một chiều

Đây là máy phát điện sử dụng tuabin khí lợi dụng thủy triều lên xuống của sóng biển Khi sóng truyền vào thì mực nước dâng lên và nó tạo ra một áp suất để đẩy không khí lên và không khí thoát ra ngoài từ cửa bên trái qua tuabin và ra ngoài bằng cửa bên

phải Khi không khí thoát ra ngoài thì làm cho tuabin quay và tạo ra điện Khi thủy triều rút thì không khí tràn vào bên trong bằng cả hai cửa nên không làm cho tuabin quay, tuabin chỉ quay theo một chiều nhất định khi không khí đi qua tuabin từ trái sang phải thôi

Điện áp ra của stator thường nằm trong khoảng vài kV đến 14,4 kV Muốn truyền

đi xa hơn, người ta thường dùng một bộ phận tăng áp Để lấy điện đưa xuống sử dụng cho các thiết bị điện phụ vụ cho tổ máy vận hành, người ta dùng một máy biến áp hạ áp, trong trường hợp này gọi là máy biến áp tự dùng.[15]

Các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí có thể tạo ra từ một vài MW đến 700 MW

Hình 3.14 Kiểu máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí

Máy phát điện này tương tự máy phát điện trên cũng sử dụng tuabin khí nhưng khác ở chỗ là tuabin này có thể quay theo hai chiều Khi thủy triều lên thì không khí được đẩy ra ngoài qua tuabin lam cho tuabin quay tạo ra điện Khi thủy triều rút thì không khí được hút vào cũng qua tuabin và cũng làm cho tuabin quay cũng phát ra điện.[15]

3.1.5.6.Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến

Hình 3.14 Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến

Máy phát điện này được thiết kế sao cho cuộn dây có thể chuyển động bên trong nam châm Máy phát điện này được đặt ở ngoài biển nơi có sóng tương đối ổn định để tạo ra nguồn điện ổn định Khi có sóng thì máy phát điện sẽ chuyển động lên xuống theo biên độ của sóng làm cho cuộn dây bên trong cũng chuyển động theo Mà theo nguyên lí của máy phát điện thì khi có cuộn dây chuyển động bên trong từ trường thì có dòng điện Vậy khi máy phát điện dao động theo sóng biển thì sẽ tạo ra nguồn điện

Máy phát điện này tương tự với máy phát điện trên nhưng chỉ khác ở chỗ là máy phát điện này có nam châm chuyên động bên trong cuộn dây Còn nguyên lí tạo ra điện thì giống nhau.[13]

3.1.5.7 Máy phát đi n ki u r n bi n

Hệ thống gồm nhi u đoạn phao được nối với nhau b i những khớp cầu, trên những khớp này cĩ gắn những máy phát điện Hệ thống này được neo trên mặt bi n Khi cĩ sĩng đánh qua giàn phao sẽ dao động uốn lượn giống như những con rắn bơi trên mặt bi n

Hình 3.15 Máy phát điện kiểu rắn biển

Máy phát điện này được thiết kế bao gồm lớp vỏ ngoài được lam bằng cao su, bên trong được đổ đầy nước và ở sau đuôi có một tuabin máy phát điện Khi có sóng biển đến thì con rắn sẽ chuyển động theo sóng làm cho nước bên trong con rắn được đẩy về phía sau đuôi và lam máy tuabin máy phát để phát ra điện

Hình 3.16 Máy phát điện kiểu rắn biển

Đây cũng là máy phát điện dạng rắn nhưng khác nhau ở chỗ là con rắn này được chia ra làm nhiều khúc và mỗi khúc đều mang máy phát điện Khi có sóng đến thì các khúc của con rắn điện sẽ dao động theo sóng và làm cho hai xilanh bên trong mỗi khúc hoạt động Khi xilanh hoat động thì nó làm cho động cơ bên trong hoạt động và tạo ra điện.[15]

3.1.5.8 Máy phát đi n ki u cánh ngầm

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện cánh ngầm

* Máy phát điện cánh ngầm hoạt động như sau:

Khi sĩng bi n nâng phao (ký hiệu số 4) lên dây cáp (5) bị căng ra kéo cho t i quấn cáp (2) quay Khi sĩng bi n hạ phao xuống dây cáp bị chùng xuống và được quấn tr lại t i (Trong t i quấn cáp, ta lắp một lị xo sao cho lị xo này tự động quấn cáp lại mỗi khi nĩ bị chùng)

Trong t i quấn cáp, ta cũng lắp một hộp dây cĩt sao cho mỗi khi sĩng bi n dâng lên

Trên sợi cáp ta có thanh hãm (7) đ giữ cho cánh ngầm (6) không bị lò xo của t i quấn cáp kéo lại quá gần với phao Cánh ngầm phải được giữ cách phao một cự li nhất định

đ cánh ngầm không bị dao động lên xuống cùng với sóng bi n Ta biết rằng càng xuống sâu thì ảnh hư ng của sóng bi n càng giảm, độ sâu trên 10 mét thì nước bi n rất ít bị dao động b i sóng bi n

Công năng của dây cót sẽ được xả ra dần dần làm quay máy phát điện (1) Trong t i quấn cáp ta cũng cần lắp một cơ cấu đế có th tự động cắt kết nối giữa dây cót với t i mỗi khi dây cót đã bị lên quá căng Cánh ngầm cũng nên được chế tạo sao cho chúng ta có th cụp nó lại mỗi khi có bão tố

Các chi tiết của máy phát điện cũng cần phải được chế tạo bằng những vật liệu nhẹ

đ tăng hiệu quả của máy phát Đ có nguồn điện ổn định, cần trang bị thêm các bình ắc quy

đ tích trữ điện Chúng ta cũng có th tích hợp đưa máy phát điện vào trong lõi của t i quấn cáp và cũng có th kết nối trục tiếp máy phát với t i mà không cần qua trung gian là dây cót.[15]

3.2 K t lu n:

Với những ưu đi m vượt trội v kết cấu cũng như khả năng thu phát nguồn năng lượng dồi dào từ sóng bi n, kết cấu máy phát điện theo nguyên lý Pelamis rất hữu dụng khi được chế tạo và sử dụng trên th m lục địa Việt Nam Đặc biệt kết cấu này có th sử dụng phát điện cho các nhà giàn Trư ng Sa Việt Nam

Bên cạnh đó khi chế tạo và đưa vào sử dụng hệ thống phát điện theo nguyên lý Pelamis chúng ta sẽ giải quyết được một số vấn đ sau:

1 Sóng bi n chỉ lên xuống nhấp nhô nhưng máy phát điện lại cần chuy n động quay theo một chi u nhất định Có rất nhi u cách đ chuy n năng lượng sóng bi n thành chuy n động quay theo một chi u nhất định và các kết quả thu được cũng rất khác nhau Giá thành phát điện phụ thuộc phần lớn vào cách chuy n năng lượng này Dùng những công nghệ rất hiện đại và phải đầu tư lớn, nhưng kết quả thu được lại không nhi u thì giá thành phát

điện cao là đi u rất d hi u Đối với máy phát điện theo nguyên lý Pelamis thi kết câu chuy n đổi năng lượng đơn giản hơn và kinh tế hơn các loại công nghệ khác

2 Tính không ổn định của sóng bi n và mực nước bi n Điện sản xuất ra cần đ u đặn

và ổn định, nhưng:

- Sóng bi n lúc cao, lúc thấp, lúc mạnh, lúc yếu

- Chu kỳ và khoảng cách giữa 2 làn sóng bi n cũng khó xác định

- Mực nước bi n lên cao, xuống thấp theo thủy tri u

- Khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng bi n thư ng liên tục mạnh trong nhi u ngày, lớn hơn những ngày bình thư ng rất nhi u

3 Nước bi n có độ ăn mòn rất cao

4 Các thiên tai như động đất, sóng thần,

5 Có th xây dựng được nhà máy phát điện với công suất lớn, ổn định và đ u đặn Nếu chỉ phát điện được với công suất nhỏ thì rất khó hòa được vào lưới điện quốc gia

3.3 Lựa ch n ph ng án khai thác vƠ mô hình tính toán:

Trong các phương án đã nêu trên, máy phát điện dạng rắn biển là phù hợp hơn cả

vì d chế tạo, các thiết bị phát điện được đặt trong phao kín nên được bảo quản tốt, ít chịu ảnh hư ng của môi trư ng bi n, d vận chuy n từ nơi này sang nơi khác khi có gió bảo, không cần xây dựng các phần hạ tầng khác như ki u giàn khoan….[2]

Hình 3.18: Mô hình dạng rắn biển

Phương án khai thác máy phát điện dạng rắn bi n gồm 4 đốt phao dài và 3 đốt phao ngắn, các đốt dài là động cơ, đốt ngắn chứa các thiết bị máy móc Khi rắn dập d n trên sóng một trục dài (dạng xilanh-piston) chuy n động tới lui trong ruột xilanh ép dầu thủy lực vào một bình áp suất cao và chảy vào buồng turbine làm quay turbine và quay máy phát điện.[2]

Hình 3.19 Cấu tạo hệ thống máy phát điện dạng rắn biển

Với phương án đã chọn ta có mô hình toán lý của hệ thống như sau:

Hình 3.20 Mô hình tính toán

Phương trình đư ng mặt sóng [2]: (x,t)  Acos(kxt) (3.1)

Trong đó : A là biên độ của sóng

Ta áp dụng phương pháp tính áp lực lên mặt cong đ vận dụng vào việc nghiên cứu

đi u kiện nổi của các vật

3.4.1.1.1 Đ nh lu t Acsimét :

“ Một vật ngập trong chất lỏng chịu một lực đẩy của chất lỏng thẳng đứng từ d ới lên trên Lực này có trị số bằng trọng l ợng của thể tích chất lỏng bị choán chổ và gọi

Sx1, Sx2 : hình chiếu của mặt cong ABC, ADC lên mặt phẳng thẳng góc với phương x

hcx1, hcx2: độ sâu của trọng tâm Sx1và Sx2

Pz =  W(ABCD)

W : th tích của vật ngập ( th tích chất lỏng bị choán chỗ)

Vậy ta thấy khi một vật ngập trong chất lỏng thì chất lỏng tác dụng vào vật đó một lực Pz gọi là lực đẩy Acsimét, có chi u thẳng đứng từ dưới lên trên, có trị số bằng trọng lượng chất lỏng bị vật đó choán chỗ

Điểm đặt của Pz là trọng tâm của thể tích chất lỏng bị choán chỗ và gọi là tâm đẩy, ký hiệu D

3.4.1.2 Đi u ki n n i của các v t :

Giả thuyết một vật có th tích là W, trọng lượng G, ngập trong chất lỏng có trọng lượng riêng  [3]

Hình 3.22 Điều kiện nổi của vật

Nếu G > (Pz =  W) thì vật sẽ chìm xuống đáy

Nếu G = (Pz =  W) thì vật lơ lửng tức là đặt nó mọi vị trí trong chất lỏng nó đ u cân bằng

Nếu G < (Pz =  W) thì vật sẽ nổi nhô lên khỏi mặt chất lỏng đến khi nào

G = Pz’ =  W’ ( W’ là phần th tích của vật ngập trong chất lỏng ) thì thôi

Một vật ngập trong chất lỏng muốn cân bằng thì ngoài đi u kiện G = Pz , phải có trọng tâm C và tâm đẩy D trên một đư ng thẳng đứng

Vận tốc truy n sóng [2]: C' (x,t)  Asin(kxt) (3.2)

Gia tốc [2]: a '  A2cos(kxt) (3.3)

Như vậy áp lực của sóng tác động vào phao sẽ tuân theo định luật Newton

Fm.am.A2cos(kxt) (3.4)

Trong đó : m là khối lượng của phao

a gia tốc của phao momen tại khớp nối xoay [2]: M F.X m.A2cos(kxt).X (3.5)

lực tác động vào cần piston là [2] :

d

X t kx A

m d

3.4.2 Tính toán xilanh thủy lực

3.4.2.1 Khái ni m chung v xilanh thủy lực

Cấu tạo chủ yếu của xilanh thủy lực gồm có piston đặt trong xilanh và các chất lỏng làm việc vào và ra khỏi xilanh, các van và ống nối cho chất lỏng vào ra Nếu đưa vào xilanh một dòng chất lỏng có áp suất thì dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, piston sẽ chuy n động tịnh tiến tương đối đối với xilanh Qua các cơ cấu biến đổi chuy n động trung gian,

chuy n động tịnh tiến của piston hoặc xilanh có th biến thành các dạng chuy n động khác Xilanh thủy lực được dùng nhi u trong các cơ cấu chấp hành của truy n động thủy lực

Xilanh thủy lực được chia làm 2 loại: xilanh lực và xilanh mômen Trong xilanh lực, chuy n động tương đối của piston với xilanh là chuy n động tịnh tiến thẳng Còn trong xilanh mômen thì chuy n động tương đối giữa piston với xilanh là chuy n động quay Góc quay thư ng nhỏ hơn 360o

còn th hiện chỗ chúng không có hình dạng riêng, mà lấy hình dạng của bình chứa chất lỏng, chất khí dứng tĩnh, vì thế chất lỏng và chất khí còn gọi là chất chảy

Chất lỏng khác chất khí chỗ khoảng cách giữa các phân tử trong chất lỏng so với chất khí rất nhỏ, nên sinh ra sức dính phân tử rất lớn, tác dụng của sức dính phân tử làm cho chất lỏng giữ được th tích hầu như không thay đổi dẫu có bị thay đổi v áp lực, nhiệt độ Nói cách khác chất lỏng chống lại sức nén, không co lại trong khi chất khí d dàng co lại khi

(3.6)

bị nén, Vì thế, ngư i ta cũng thư ng gọi chất lỏng là chất chảy không nén được và chất khí

là chất chảy nén được

Tính chất không nén được của chất lỏng đồng th i cũng là tính không dãn ra của nó, nếu chất lỏng bị kéo thì khối liên tục của chất lỏng bị phá hoại, trái lại chất khí có th dãn ra chiếm hết được th tích của bình chứa nó

Tại mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và chất khí, hoặc với chất rắn, hay một chất lỏng khác do lực hút, đẩy giữa các phân tử sinh ra sức căng mặt ngoài, nh có sức căng mặt ngoài nên một th tích nhỏ của chất lỏng đặt môi trư ng trọng lực sẽ có dạng từ hạt Vì vậy, chất lỏng còn được gọi là chất chảy dạng hạt, tính chất này không có chất khí

Trong thủy lực, chất lỏng được coi như môi trư ng liên tục Với giả thiết này trong môn thủy lực nghiên cứu những vận động phân tử trong nội bộ chất lỏng mà chỉ nghiên cứu những vận động cơ học của chất lỏng dưới tác dụng của ngoại lực

Ngoài ra, nh giả thiết này, có th coi phân tố vật chất và những đặc trưng vật lí của chất lỏng là liên tục, do đó dùng được những hàm số liên tục trong toán học đ nghiên cứu

Vì vậy trong môn thủy lực các nghiên cứu và tính toán được dựa trên giả thiết cơ bản

là có tính liên tục, tính chảy, tính không nén được