Nghiên cứu xây dựng mô hình cơ học và tính toán thiết kế phát điện tử năng lượng sóng biển tt

Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xây dựng được mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, thiết bị hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam; Xác định tối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

- Nguyễn Văn Hải

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Nguyễn Đông Anh

… năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Theo tính toán của các nhà khoa học với tốc độ sử dụng năng lượng như hiện nay, nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới Do vậy, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang là nhu cầu cấp thiết Đối với Việt Nam, định hướng phát triển kinh tế đến năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50% GDP Do đó nhu cầu cần thiết về năng lượng điện để cung cấp cho nền kinh tế nói chung

và kinh tế biển nói riêng là rất quan trọng, đặc biệt điện năng phục vụ

an ninh quốc phòng trên biển (nguồn điện sử dụng trên các nhà dàn DKI, các ngọn đèn hải đăng v.v.) là nhiệm vụ cấp bách

Ngoài ra, Việt Nam với lợi thế là một quốc gia có bờ biển trải dài trên 3260 km, cùng với hơn 3000 đảo, quần đảo lớn nhỏ và trên một

Nhằm khai thác nguồn năng lượng to lớn của biển, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu của luận án về xây dựng mô hình thiết bị để chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang điện năng

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Xây dựng được mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, thiết bị hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam; Xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện, các thông số mô hình để công suất điện thiết bị phát ra đạt lớn nhất; Thiết kế, chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Thiết bị có khả năng ứng dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng ngoài biển

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các phương pháp giải tích, kết hợp phương pháp

mô phỏng số và thực nghiệm, cụ thể được mô tả như sau:

- Sử dụng phương pháp giải tích xác định tối ưu hệ số cản của mô

tơ phát điện, hệ số đàn hồi của lò xo và kích thước phao của thiết bị

- Trong tính toán mô phỏng số sử dụng phương pháp Kutta bậc 4 giải số phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình, phương pháp Simpson tính tích phân số Xác định mức công suất cơ

Runge-hệ của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển và khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện sóng biển

- Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện, thử nghiệm thiết

bị hoạt động thực tế tại biển để kiểm chứng kết quả lý thuyết và phân tích hiệu suất hoạt động của thiết bị

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Đưa ra được một phương pháp nghiên cứu với cách tiếp cận từ việc khảo sát các điều kiện thực tế của sóng biển để thực hiện xây dựng mô hình cơ học, tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết

bị hoạt động thực tế tại biển

- Chế tạo được một mẫu thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam

- Thiết bị có khả năng sử dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng

5 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc của luận án gồm: phần mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết luận và kiến nghị, phần danh mục công trình của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TẠI VIỆT NAM 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới

Trên thế giới, việc nghiêu cứu, chế tạo các thiết bị phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển đang được quan tâm và phát triển mạnh Đặc biệt ở các vùng đảo xa ngoài biển, các thiết bị phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển đã đáp ứng được một phần trong nhu cầu sử dụng điện năng Các mô hình thiết bị được nghiên cứu dưới nhiều dạng khác nhau như thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ, thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển theo phương pháp thả nổi trên mặt biển hoặc gắn cố định ở đáy biển Hiện nay các mô hình thiết bị này

đã, đang được khai thác sử dụng tại một số nước như: Anh, Bồ Đào Nha, Canada, Đan Mạch, Hàn Quốc, Mỹ, Na Uy, Nhật Bản, Pháp, Tây Ban Nha, Thụy Điển v.v [1-19]

Từ các nghiên cứu và phân tích cho thấy các mô hình thiết bị phát điện đã, đang được nghiên cứu chế tạo theo nhiều cách thức Trong các mô hình thiết bị, mô tơ phát điện được thiết kế hoạt động dưới dạng chuyển động quay tròn hoặc chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng Mỗi thiết bị đều có các ưu nhược điểm khác nhau, tùy theo khả năng chế tạo của từng đơn vị để thiết

bị nghiên cứu chế tạo hoạt động hiệu quả và phù hợp với thực tế sử dụng

1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại Việt Nam

Tại Việt Nam, một số đơn vị đã, đang tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển như: Viện Nghiên cứu

Cơ khí thực hiện thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, mô hình hoạt động nổi trên mặt biển dạng rắn biển (pelamis), thiết bị đã hoạt động thử nghiệm tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng và cung cấp điện năng cho bộ đội biên phòng đóng trên đảo

sử dụng [24]; Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển dạng thả nổi trên mặt biển, với

mô tơ phát điện loại chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng Thiết bị được tiến hành thử nghiệm ở biển, với công suất điện phát

ra đã nhận được còn hạn chế [26,27]; Viện Khoa học Năng lượng – VAST đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động cố định trên mặt biển Trong thiết bị chế tạo đã sử dụng loại mô tơ phát điện thủy điện trục đứng công suất 60 W, công suất điện phát ra khi thử nghiệm tại biển đã nhận được 50,92 W [28]

Tại Viện Cơ học - VAST, đã thực hiện các nghiên cứu về khảo sát đặc tính năng lượng của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao nổi, để tiến tới đề xuất thiết kế, tính toán và chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển phù hợp với điều kiện chế tạo và thực tế sử dụng [30] Ngoài ra từ năm 2013, trong công tác chuyên môn, tác giả đã thực hiện nghiên cứu tính toán mô phỏng số

về mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Mô hình thiết

bị được tính toán với mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, phát điện trực tiếp và gắn cố định ở đáy biển [31] Tác giả đã chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh đa năng, mã

số đề tài VAST 02.04/11-12” [32] Trong đề tài đã thiết kế chế tạo được một hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh từ ba nguồn năng lượng đầu vào là năng lượng mặt trời, gió và sóng biển Trong

đó phần nguồn đầu vào từ năng lượng sóng biển được tính toán thiết

kế, chế tạo chờ sẵn để ghép nối tích hợp với thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển sẽ được nghiên cứu chế tạo trong luận án 1.3 Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại Việt Nam và định hướng nghiên cứu của luận

án

Việt Nam là một quốc gia có bờ biển trải dài trên 3260 km, cùng

lượng từ biển là rất lớn Từ các số liệu quan trắc, khảo sát cho thấy

độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ 0,5÷1,2 m với chu kỳ sóng

từ 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với chu kỳ sóng từ 6÷8 giây, đặc biệt khi biển động độ cao sóng ven bờ đạt từ 3,5÷5 m

và ở ngoài khơi từ 6÷9 m [34-37] Đây là nguồn năng lượng dồi dào, rất phù hợp cho các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển có công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ khai thác hoạt động Hơn nữa, nhu cầu về điện năng để cung cấp cho nền kinh tế biển, điện năng phục vụ an ninh quốc phòng ngoài biển đảo là nhiệm vụ cấp bách

Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo mẫu thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế là cần thiết

Định hướng nghiên cứu của luận án:

Từ các phân tích đã cho thấy loại mô hình thiết bị phát điện gắn

cố định ở đáy biển là phù hợp Trong các mô hình thiết bị này, các

mô tơ phát điện đều sử dụng loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, các phương trình chuyển động được thiết lập ở bài toán tuyến tính và sự phi tuyến trong mô hình cũng chưa

cản của mô tơ phát điện để sử dụng trong tính toán chế tạo mô tơ

phát điện chuyển động tịnh tiến [22] Trong đó, các tính toán tối ưu

về kích thước phao và hệ số đàn hồi của lò xo cũng chưa được đề cập Ngoài ra, tác giả nhận thấy loại mô tơ phát điện công nghiệp chuyển động quay tròn cũng chưa được đưa vào sử dụng trong các tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển Với mục tiêu nghiên cứu của luận án, nhằm tính toán thiết kế và chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Thiết bị hoạt động hiệu quả, phù hợp với khả năng gia công chế tạo ở trong nước Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Thiết bị có khả năng ứng dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng

Đã chỉ ra nhu cầu và khả năng ứng dụng của mô hình thiết bị tại Việt Nam Đưa ra cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển và định hướng nội dung nghiên cứu của luận án, thiết bị hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 2.1 Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

Mô hình cơ học của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển được thiết lập để tính toán, xác định tối ưu các thông số mô hình và mức công suất của thiết bị khi hoạt động Mặt khác, từ đặc trưng hoạt động của các mô tơ phát điện thường làm việc hiệu quả ở tốc độ chuyển động quay lớn, để điện năng thiết bị phát ra đạt lớn nhất trong

mô hình thiết bị cần tính toán tăng tốc chuyển động quay, từ chuyển động quay chậm nhận được do sóng biển truyền đến lên chuyển động quay nhanh tại mô tơ phát điện với hiệu suất chuyển đổi đạt lớn nhất Hình 2.1 đưa ra sơ đồ nguyên lý với các cơ cấu bộ phận chính và mô hình cơ học của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

a Sơ đồ nguyên lý mô hình thiết bị [33]

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

b Mô hình cơ học thiết bị [33,42,43]

γ k

z S (t) z(t)

m

Thiết lập phương trình chuyển động:

Phương trình chuyển động của mô hình được thiết lập quy về một vật là phao dạng trụ tròn được ghép nối gắn chặt với thanh răng

- piston, chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng z Gốc tọa

độ được lấy ở đáy biển với hướng dương là hướng từ dưới lên Mặt

bố về độ cản nhớt của nước biển [44,45], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt γf của nước biển sẽ là rất nhỏ so với hệ số cản điện γem của mô

tơ phát điện nên được bỏ qua Do vậy, phương trình chuyển động của

mô hình thiết bị được viết dưới dạng:

2

zzkzzkdt

dzmg

zzgS

lượng sóng biển tại thanh răng - piston được xác định từ công thức [15,20,38-41]:

,)(1

với τ là khoảng thời gian được xét

2.2 Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp phi tuyến

Để đánh giá sự ổn định của mô hình khi hoạt động trong các vùng biển có biên độ sóng lớn, tác giả khảo sát về đặc trưng biên độ - tần số của hệ trong trường hợp cộng hưởng [46-49]

Từ phương trình chuyển động (2.7), thực hiện phép đổi biến

2

xkxkdt

dxmg

xzzgSdt

x

d

em s

Sử dụng các ký hiệu 2,,c và B, xét trường hợp gần cộng

),,,(

2 2

2

txxfxdt

0

xt

a

Từ các đặc trưng của mô hình, trong luận án giả thiết hệ là phi tuyến yếu Áp dụng phương pháp trung bình hóa của cơ học phi

thức liên hệ giữa biên độ và tần số có dạng:

3

4

2 0

2 2 0

2 0 2

a

B x



được cho thấy, trong trường hợp đồ thị đường cong biên độ - tần số

đến điểm (2) và từ điểm (5) đến điểm (6) Trong vùng tần số đi từ điểm (2) đến điểm (3) và giảm từ điểm (5) về điểm (4), hệ dao động

có nhảy mức với biên độ dao động không ổn định, đây là vùng nguy hiểm cần tránh khi tính toán chế tạo thiết bị hoạt động Mặt khác, nếu

có đủ số liệu về điều kiện sóng biển thực tế tại các vùng biển có biên

độ sóng lớn, ta có thể khai thác thiết bị hoạt động ở vùng tần số ổn định gần điểm (2) để biên độ dao động của hệ nhận được là lớn nhất

Hình 2.2 Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω22.3 Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

Từ định hướng nghiên cứu, nhằm chế tạo được một thiết bị phát điện hoạt động ở ven bờ Với giả thiết ở sóng biển có độ cao dưới 1

m, ảnh hưởng của thành phần phi tuyến trong mô hình là không đáng

z

tuyến tính chuyển động theo phương thẳng đứng z có dạng:

.)sin( t z0A

AgSgxm

kgSdt

dxmdt

mgx

b L

(2.53)

với χ là biên độ dao động của hệ đã nhận được là:

L

b

gSk

m

AgS

L

b em gm

mgSk

AgSP







Mô hình thiết bị được nghiên cứu chế tạo với lựa chọn khu vực biển Hòn Dấu - Hải Phòng để khai thác thử nghiệm Tại biển Hòn Dấu, các điều kiện sóng biển có chu kỳ thay đổi trong khoảng 3,5÷4,5 giây và độ cao sóng từ 0,5÷1,4 m [36], do vậy vận tốc chuyển động theo phương thẳng đứng đạt từ 0,29÷0,62 m/s Trong

thiết bị nhỏ nhất cần đạt 270 W, phạm vi dao động của hệ là 0,45 m

Từ các biểu thức (2.57), (2.58) kết hợp các số liệu sóng biển tại biển

phao thiết bị dạng trụ tròn chiều cao 0,42 m và bán kính 0,4 m Hình 2.4 đưa ra các đồ thị về mức công suất cơ hệ Pgm của thiết

các kết quả nhận được, trong luận án mô tơ phát điện được chọn có

hệ số cản là 3400 Ns/m tương ứng mức công suất cơ hệ đạt lớn nhất Với giá trị hệ số cản nhận được là cơ sở lựa chọn loại mô tơ phát điện phù hợp để sử dụng trong thiết bị phát điện nghiên cứu chế tạo

Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao:

Trong tính toán khảo sát, phao thiết bị có dạng trụ tròn bán kính thay đổi từ 0,35÷0,55 m Kết quả tính toán đưa ra bức tranh toàn diện

biển Trong hình 2.8 là đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được

từ năng lượng sóng biển theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển

2.4 Xây dựng chương trình mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ học

Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số:

Phương trình chuyển động (2.7) được giải bằng phương pháp Runge – Kutta bậc 4, áp dụng phương pháp Simpson tính tích phân

số xác định mức công suất cơ hệ của thiết bị Chương trình tính toán

mô phỏng số được lập trình trên phần mềm Matlab, để khảo sát sự hoạt động của thiết bị với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo khi thiết bị hoạt động ở sóng biển có độ cao từ 1 m trở lên

Lưu đồ thuật toán thực hiện tính toán mô phỏng số:

Hình 2.8 Đồ thị công suất cơ

hệ theo bán kính phao Hình 2.4 Đồ thị công suất cơ

hệ theo hệ số cản