Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí và cơ kỹ thuật nghiên cứu xây dựng mô hình cơ học và tính toán thiết kế thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

Nghiên cứu khả năng ứng dụng của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại Việt Nam, phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án, nhằm xây dựng được một mô hình t

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

SÓNG BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2019

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

SÓNG BIỂN

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 9 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TSKH Nguyễn Đông Anh

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Nguyễn Văn Hải

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS.TSKH Nguyễn Đông Anh, người thầy đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình học nghiên cứu sinh Tôi xin cảm ơn Viện Cơ học, Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn tới Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí thông qua đề tài khoa học công nghệ VAST 01.10/16-17 để

có được các kết quả nghiên cứu của luận án

Xin cảm ơn các đồng nghiệp ThS Lê Chí Công, ThS Nguyễn Như Hiếu, cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận án này

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan ……… i

Lời cảm ơn ……… ii

Mục lục ……… iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ……… vi

Danh mục các bảng ……… viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… ix

MỞ ĐẦU ……… 1

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 ………

4 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới ………

4 1.1.1 Các thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ ……… 5

1.1.2 Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển ……… 6

1.1.3 Nhận xét và đánh giá ……… 11

1.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại Việt Nam ……… 13

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 ……… 17

1.3.1 Vị trí địa lý và tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam ……… 17

1.3.2 Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án …… 22

Kết luận chương 1 ……… 25

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN ……… 27

2.1 Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………… 27

2.1.1 Phân tích xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển 27

2.1.2 Thiết lập phương trình chuyển động ……… 29

2.2 Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp phi tuyến ……… 31

2.2.1 Phương pháp trung bình hóa ……… 32

2.2.2 Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp cộng hưởng ……… 34

2.3 Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………… 41

2.3.1 Tính toán tối ưu hóa mô hình thiết bị theo điều kiện sóng biển Việt Nam ……… 41

2.3.2 Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao ……… 49

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 ……… 52

2.4.1 Xây dựng chương trình mô phỏng số ……… 52

2.4.2 Tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……… 54

2.4.3 Khảo sát tính phi tuyến và chuyển động của mô hình theo biên độ sóng biển … ……… 61

Kết luận chương 2 ……… 63

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ………… 65

3.1 Cấu trúc tổng thể của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ……… 65

3.2 Tính toán thiết kế các bộ phận cơ học ……… 67

3.2.1 Phân tích cấu trúc cơ hệ trong thiết bị ……… 67

3.2.2 Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận trong thiết bị ……… 68

3.2.3 Tính toán thiết kế vỏ thiết bị ……… 71

3.3 Tính toán thiết kế phần điện ……… 74

3.3.1 Tính toán thiết kế tối ưu bộ chuyển đổi DC-AC ……… 75

3.3.2 Mạch bảo vệ ……… 82

3.4 Chế tạo thiết bị ……… 83

3.4.1 Chế tạo các cơ cấu bộ phận của thiết bị ……… 83

3.4.2 Lắp ghép hiệu chỉnh thiết bị ……… 85

3.4.3 Kiểm tra sự hoạt động của thiết bị tại phòng thí nghiệm 86

Kết luận chương 3 ……… 87

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN ……… 88

4.1 Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển ……… 88

4.1.1 Lắp ghép thiết bị và chuẩn bị thử nghiệm ……… 88

4.1.2 Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển ……… 89

4.2 Phân tích chất lượng điện áp của thiết bị phát ra ……… 95

4.3 Phân tích hiệu suất của thiết bị hoạt động thực tế tại biển ……… 97

Kết luận chương 4 ……… 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ……… 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 103

PHỤ LỤC ……… 109

Phụ lục A: Các số liệu về sóng biển ……… 109

Phụ lục B: Các bản vẽ thiết kế ……… 115

Phụ lục C: Thông số mô hình của mô tơ phát điện ……… 129

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

z0 Độ sâu nước biển (m)

z Chuyển động của phao theo phương thẳng đứng (m)

zs Chuyển động của sóng biển (m)

γ Hệ số cản (Ns/m)

γf Hệ số cản nhớt (Ns/m)

γem Hệ số cản điện (Ns/m)

t, τ Thời gian (s)

Pgm Công suất cơ hệ của thiết bị (W)

kL hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo (N/m)

kN hệ số phi tuyến của lò xo ( N/m3)

m Khối lượng của mô hình thiết bị (kg)

Sb Diện tích mặt đáy phao ( m2)

IDC Cường độ dòng điện một chiều (A)

IAC Cường độ dòng điện xoay chiều (A)

η Hiệu suất chuyển đổi của thiết bị

ηm Hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng từ

phao nhận được đến mô tơ phát điện

ηe Hiệu suất phần điện của thiết bị

ηg Hiệu suất của mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định

điện áp 12 VDC DC-AC Chuyển đổi từ điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều DC-DC Chuyển đổi điện áp một chiều

VDC Điện áp một chiều

VAC Điện áp xoay chiều

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

PIC Programmable Intelligent Computer

IC Integrated circuit

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1 Công suất cơ hệ Pgm theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển 50 Bảng 3.1 Các thông số chính trong mô hình ……… 69 Bảng 4.1 Các kết quả thử nghiệm nhận được về công suất điện của thiết bị

phát ra tại biển ………

93

Bảng 4.2 Giá trị công suất điện phát ra trung bình theo tải thử ……… 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric, Brazil ……… 5

Hình 1.2 Mô hình thiết bị phát điện Oyster ……… 6

Hình 1.3 Thiết bị phát điện dạng rắn biển ……… 7

Hình 1.4 Thiết bị phát điện dạng phao nổi ……… 7

Hình 1.5 Cấu trúc mô hình thiết bị sử dụng bộ tăng tốc chuyển động quay … 8 Hình 1.6 Cấu trúc mô hình thiết bị thả nổi trên mặt biển ……… 8

Hình 1.7 Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển ……… 9

Hình 1.8 Mô hình thiết bị phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng ……… …

10 Hình 1.9 Sơ đồ đo kiểm tra thiết bị hoạt động tại biển của L Ulvgard ……… 11

Hình 1.10 Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí ……… 13

Hình 1.11 Cấu trúc hệ thiết bị phát điện cố định trên mặt biển ……… 14

Hình 1.12 Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội …… 14

Hình 1.13 Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng lượng …… ………

15 Hình 1.14 Cấu trúc hệ thiết bị phát điện trực tiếp gắn cố định ở đáy biển … 16

Hình 1.15 Sơ đồ các điểm khảo sát và tính thông lượng năng lượng sóng … 19

Hình 1.16 Độ cao sóng trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông … 21

Hình 1.17 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng ………… 21

Hình 1.18 Thông lượng năng lượng sóng trung bình trong năm ven biển Việt Nam …… ………

22 Hình 1.19 Mô hình thiết bị phát điện từ sóng biển 24

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển …… 29 Hình 2.2 Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A=0,5 m 39 Hình 2.3 Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A=0,8 m 39

Hình 2.4 Đồ thị công suất cơ hệ theo hệ số cản ……… 46

Hình 2.5 Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC ……… 47

Hình 2.6 Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát điện theo tốc độ chuyển động quay ………

48 Hình 2.7 Các đường đặc trưng công suất cơ hệ theo tần số góc ……… 49

Hình 2.8 Đồ thị công suất cơ hệ theo bán kính phao ……… 51

Hình 2.9 Sơ đồ khối của chương trình ……… 53

Hình 2.10 Đồ thị công suất cơ hệ theo tần số góc ……… ……… 54

Hình 2.11 Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian với sóng bậc nhất ………

55 Hình 2.12 Đồ thị đặc trưng công suất theo tần số với sóng bậc nhất ……… 56

Hình 2.13 Quỹ đạo pha của phao với sóng bậc nhất ……… 56

Hình 2.14 Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian với sóng bậc hai Stockes ………

58 Hình 2.15 Đồ thị đặc trưng công suất theo tần số với sóng bậc hai Stockes … 58 Hình 2.16 Quỹ đạo pha của phao với sóng bậc hai Stockes ……… 59

Hình 2.17 Chuyển động của sóng biển theo hàm sóng bậc nhất và bậc hai … 60 Hình 2.18 Đồ thị đặc trưng công suất theo biên độ sóng biển ……… 60

Hình 2.19 Đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ sóng tại các chu kỳ sóng biển ………

61 Hình 2.20 Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ nhận được theo biên độ sóng biển ………

62 Hình 2.21 Chuyển động của phao theo biên độ sóng biển ……… 63

Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ……… …… 66

Hình 3.2 Cấu trúc tổng thể phần cơ hệ của thiết bị …… ……… 67

Hình 3.3 Cấu trúc lõi thiết bị phát điện ……… 68

Hình 3.4 Tốc độ chuyển động quay của mô tơ theo biên độ sóng biển ……… 69

Hình 3.5 Tổng thể vỏ phần thiết bị phát điện ……… 71

Hình 3.6 Cấu trúc phao thiết bị 73

Hình 3.7 Sơ đồ khối phần điện trong thiết bị ……… 74

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DC-AC và bảo vệ ……… 75

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động IC TL494C ……… 76

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động sine tần số 50 Hz ………… 77

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại DC-DC ……… 80

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điện áp 220 VAC ……… 81

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ ……… 83

Hình 3.14 Chế tạo vỏ thiết bị và phao tại xưởng ……… 84

Hình 3.15: Chế tạo trục piston, thanh răng và các khớp nối ……… 84

Hình 3.16 Board mạch chuyển đổi DC-AC và bảo vệ ……… ……… 85

Hình 3.17 Lõi thiết bị phát điện 85

Hình 3.18 Lắp ghép toàn bộ thiết bị 86

Hình 3.19 Đo kiểm tra điện áp thiết bị phát ra tại phòng thí nghiệm bằng thiết bị đo Picoscope USB Oscilloscope 2204A ghép nối máy tính của Anh sản xuất ………

87 Hình 4.1 Vận chuyển thiết bị trên tàu HQ 1788 và tác nghiệp thử nghiệm … 88 Hình 4.2 Thiết bị đo DASIM ghép nối máy tính để đo và phân tích dữ liệu về sóng biển khi thử nghiệm thiết bị tại biển trên tàu HQ 1788 ………

89 Hình 4.3 Dạng sóng đo thực nghiệm tại biển từ sensor Futek ……… 90

Hình 4.4 Đo dữ liệu, phân tích điện áp và kiểm tra công suất điện phát ra bằng thiết bị đo Picoscope USB Oscilloscope 2204A ghép nối máy tính ……

92 Hình 4.5 Đồ thị đặc trưng điện áp và cường độ dòng điện theo tải thử ……… 94

Hình 4.6 Đồ thị dạng sóng điện áp do thiết bị chế tạo phát ra ……… 95

Hình 4.7 Dạng sóng điện áp 220 VAC tần số 50 Hz của các thiết bị sẵn có trên thị trường ………

96 Hình 4.8 Cấu trúc sơ đồ khối hiệu suất hoạt động của thiết bị ……… 97

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 Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang là nhu cầu thiết yếu Đối với Việt Nam, định hướng chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn 2050

đã ghi rõ: “Phấn đấu tăng tỷ lệ nguồn năng lượng mới và tái tạo chiếm khoảng 5% tổng năng lượng vào năm 2020 và khoảng 11% vào năm 2050” Về kinh tế, đến năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50% GDP Do đó nhu cầu cần thiết về nguồn năng lượng 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, trong khi điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới Do vậy, việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển là lựa chọn tốt, góp phần trong việc giải quyết bài toán thiếu hụt về nguồn năng lượng điện sử dụng ngoài biển

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 1 triệu km2 mặt biển cho thấy nguồn năng lượng từ biển là rất lớn Nhằm khai thác nguồn năng lượng to lớn từ sóng 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 Với mục tiêu đưa ra một

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

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 mẫu 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 theo mức công suất phát điện nhỏ nhất thiết bị cần đạt được

- Trong tính toán mô phỏng số sử dụng phương pháp Runge-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 hệ của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển, phân tích đánh giá sự phi tuyến của mô hình, quỹ đạo chuyển động và biên độ dao động của mô hình theo các điều kiện sóng biển

- Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, 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, thiết bị 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” Trong chương này trình bày nghiên cứu tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới và Việt Nam, phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết

bị Nghiên cứu khả năng ứng dụng của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại Việt Nam, phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án, nhằm xây dựng được một mô hình 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” Trong chương này thực hiện xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, thiết lập phương trình chuyển động Khảo sát dao động phi tuyến của hệ, xác định vùng hoạt động ổn định và mất ổn định của mô hình Xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện theo các thông số mô hình, mức công suất cơ hệ thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển Viết chương trình tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị, tính toán mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết bị

Chương 3: “Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị” Trong chương này thực hiện các tính toán thiết kế về toàn bộ thiết bị, bao gồm các tính toán thiết kế phần cơ

và các tính toán thiết kế phần điện Thiết bị chế tạo đảm bảo nhỏ gọn và thuận lợi trong sử dụng Nguồn điện của thiết bị phát ra được ổn định tại 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Chế tạo, lắp ghép và hiệu chỉnh toàn bộ thiết bị

Chương 4: “Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất thiết bị hoạt động thực tế tại biển” Trong chương này thực hiện thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển,

đo thử tải công suất điện của thiết bị phát ra và các thông số sóng biển thực tế khi thử nghiệm Phân tích chất lượng điện áp của thiết bị phát ra và đánh giá hiệu suất hoạt động của thiết bị

Phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết quả đã đạt được, những đóng góp mới của luận án và một số nhiệm vụ cần tiếp tục thực hiện trong tương lai Danh sách các công trình đã công bố có liên quan đến nội dung luận án được trình bày trong phần danh mục công trình của tác giả

Các tài liệu trích dẫn trong luận án được trình bày trong phần tài liệu tham khảo

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

Chương 1 nghiên cứu tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới và Việt Nam; Phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị đang được nghiên cứu chế tạo ở trong nước và trên thế giới; Thu thập, phân tích các số liệu thực tế về điều kiện biển Việt Nam và nhu cầu sử dụng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trong thực tế, làm cơ sở để xác định phạm vi và định hướng nghiên cứu của luận án Mục tiêu xây dựng được một mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam, khả năng gia công chế tạo trong nước, cũng như đáp ứng nhu cầu cần thiết của xã hội

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, chế tạo theo nhiều phương pháp và cách thức hoạt động khác nhau, với các thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ, hay 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 Ví dụ ở Tây Ban Nha, họ định hướng phát triển mạnh nguồn năng lượng tái tạo và đề ra đến năm 2020 đảm bảo 42,3% năng lượng điện tiêu thụ được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó phát triển điện năng từ nguồn năng lượng sóng biển là mũi nhọn Tại Anh, các chuyên gia ước tính trong tương lai việc phát triển điện sóng biển sẽ đáp ứng được 25% nhu cầu năng lượng điện sử dụng Tại Mỹ đã có các tính toán về kế hoạch phát triển nguồn năng lượng

điện sóng biển dọc theo các bờ biển với ước tính có thể sản xuất khoảng 2100 TWh/năm [1-19]

1.1.1 Các thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ

Các mô hình thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ được xây dựng ở những vùng biển nước sâu gần bờ, địa hình hiểm trở và độ cao sóng biển lớn Các mô hình được xây dựng với phần thiết bị phát điện được lắp đặt cố định ở trên bờ và bộ phận thu năng lượng sóng ở dưới biển Tiêu biểu là các mô hình thiết bị phát điện sau:

- Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric được lắp đặt trên bờ và sử dụng các cánh tay thủy lực kết nối với phao thả nổi trên mặt biển Dưới tác dụng của sóng biển, phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng, hệ thống thủy lực hoạt động đẩy dầu nạp vào bình được tích áp Dầu từ bình tích áp được điều chỉnh cấp ra

quay các mô tơ phát điện lắp đặt trên bờ và phát ra điện năng Công suất phát điện của thiết bị đạt khoảng 50 kW [1]

Hình 1.1 Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric, Brazil [1]

- Ngoài ra, một mô hình thiết bị phát điện khác được chế tạo với kiểu dáng hình con hàu (Oyster), thiết bị được thiết kế gồm một hệ thống các thùng chứa nước

và phao hứng sóng với bơm thuỷ lực Khi sóng biển tác dụng đổ vào các thùng chứa, đồng thời tạo lực kích hoạt bơm thuỷ lực thực hiện đẩy nước từ thùng chứa qua một hệ thống đường ống dẫn nước áp suất cao theo một chiều lên bờ đẩy quay

mô tơ phát điện Hệ thống có ưu điểm là phần phát điện đặt trên bờ dễ vận hành,

thuận lợi trong bảo dưỡng và sửa chữa, nhược điểm là tổn hao năng lượng cao do dẫn nước theo đường ống chạy dài từ dưới biển lên bờ [1-5]

Hình 1.2 Mô hình thiết bị phát điện Oyster [4]

1.1.2 Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển

Hiện nay các mô hình thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển đang được nghiên cứu chế tạo theo nhiều phương pháp, cách thức khác nhau và được phân thành hai loại chính: thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển và thiết bị phát điện gắn

cố định ở đáy biển

* Thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển: loại mô hình thiết bị này đang được nghiên cứu chế tạo ở nhiều nước trên thế giới, tiêu biểu như: thiết bị phát điện dạng rắn biển (Pelamis), thiết bị phát điện dạng phao nổi (Buoy) Chúng được chế tạo để sử dụng trong các hoạt động ngoài khơi xa và ở vùng nước sâu, với công suất phát điện từ vài chục đến vài trăm kW [1,4-8]:

- Thiết bị phát điện dạng rắn biển: được thiết kế chế tạo gồm bốn boong phao thả nổi trên mặt biển, thiết bị có dạng ống hình trụ nửa chìm nửa nổi trên mặt biển

và được kết nối với nhau bằng các khớp thủy lực Thiết bị có chiều dài khoảng 140÷150 m, đường kính ống 3÷3,5 m, sử dụng ba mô tơ phát điện với tổng công suất phát điện vào khoảng 750 MW Dưới tác dụng của sóng biển, hệ thống phao chuyển động uốn theo sóng và truyền chuyển động kích bơm thủy lực hoạt động để đẩy quay các mô tơ phát điện được lắp đặt bên trong các boong phao Hiện nay, dạng mô hình thiết bị này đã, đang được chế tạo và khai thác sử dụng tại các nước: Anh, Bồ Đào Nha, Na Uy v.v [1,3-5]

Hình 1.3 Thiết bị phát điện dạng rắn biển [4]

- Thiết bị phát điện dạng phao nổi: được thiết kế chế tạo dạng trụ đứng và hoạt động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng Thiết bị gồm hai phần, phần tĩnh đứng yên lơ lửng trong môi trường biển chứa các cuộn dây của máy phát, phần chuyển động chứa các nam châm máy phát được gắn cố định trong thân phao và thả nổi trên mặt biển Khi sóng biển tác dụng, các nam châm máy phát chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng với cảm ứng từ biến thiên trên các cuộn dây Trên các cuộn dây ở phần tĩnh sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng và phát ra điện năng Công suất phát điện định mức của thiết bị được chế tạo vào khoảng 10÷40 kW [1,3-8]

Hình 1.4 Thiết bị phát điện dạng phao nổi [1]

- Ngoài ra một mô hình thiết bị phát điện khác được thiết kế như hình 1.5, hệ thiết bị được lắp đặt ở trên mặt biển sử dụng mô tơ phát điện loại chuyển động quay tròn (loại mô tơ phát phát điện công nghiệp truyền thống) Cấu trúc của thiết bị gồm phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của sóng biển, thông qua dây cáp kéo hệ trục thiết bị chuyển động quay tròn được sử dụng bởi cơ cấu ròng rọc [2], hay cơ cấu chuyển động sử dụng bánh cóc tạo chuyển động quay một chiều (ratchet) kết nối đồng trục với một ròng rọc chính được gắn trên hệ trục thiết bị và hai ròng rọc phụ nhận lực từ phao truyền đến [8,9] Bộ phận tăng tốc

chuyển động (với tỷ lệ chuyển đổi 1:20 [2]) chuyển đổi các chuyển động quay chậm nhận được từ phao do sóng biển tác dụng sang chuyển động quay nhanh tại đầu ghép nối với mô tơ phát điện, kéo mô tơ phát điện hoạt động và phát ra điện năng [2,8-11]

Hình 1.5 Cấu trúc mô hình thiết bị sử dụng bộ tăng tốc chuyển động quay [2] Một mô hình nghiên cứu của Carlos Velez và các cộng sự tại Đại học Florida

- Mỹ [12], đã tính toán thiết kế và tối ưu các cơ cấu cơ hệ để chuyển đổi từ chuyển động tịnh tiến lên xuống sang chuyển động quay tròn Mô hình được thiết kế với việc sử dụng mô tơ phát điện được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu chuyển động quay tròn Toàn bộ hệ thiết bị được đặt trong phao đóng kín và thả nổi trên mặt biển, dây cáp kéo thiết bị chuyển động được gắn cố định xuống đáy biển (xem hình 1.6) Dưới tác dụng của sóng biển, phao thiết bị chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng được truyền dẫn kéo mô tơ phát điện hoạt động và phát ra điện năng Thiết bị được thiết kế chế tạo với công suất phát điện khoảng 5 kW

Hình 1.6 Cấu trúc mô hình thiết bị thả nổi trên mặt biển [12]

* Thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển: các mô hình thiết bị phát điện này chủ yếu gồm hai loại thiết bị phát điện phao nổi và thiết bị phát điện phao chìm Các mô hình thiết bị này hoạt động phù hợp ở các vùng nước nông, gần bờ với công suất phát điện mức vừa và nhỏ Thiết bị được chế tạo hoạt động theo phương thẳng đứng, phần phát điện gắn cố định ở đáy biển, phần phao nhận năng lượng sóng biển được thả nổi trên mặt biển hay chìm lơ lửng trong nước biển Dưới tác động của sóng biển, phao truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến mô tơ phát điện qua dây cáp và một hệ thống cơ cấu phù hợp Công suất phát điện của thiết bị thường từ vài trăm oát cho đến cỡ 10 kW, các mô tơ phát điện được nghiên cứu chế tạo dạng chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng [4,8,13-21] Trong đó, tiêu biểu là các công trình nghiên cứu tại Đại học Uppsala – Thụy Điển như: tính toán mô phỏng số sự tương tác giữa phần thiết bị phát điện gắn ở đáy biển và phao thiết bị thả nổi trên mặt biển, với công suất phát điện định mức 10 kW của Mikael Eriksson [13] Trong nghiên cứu của Cecilia Bostrom tính toán thiết kế hệ thiết bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang điện năng, tác giả thực hiện tính toán mô hình thiết bị sử dụng mô tơ phát điện ba pha chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, xây dựng các mạch lọc để ổn định điện áp đầu ra với công suất phát điện lên đến 20 kW, đồng thời đưa ra phương pháp tích hợp các thiết bị phát điện riêng lẻ thành một hệ thống phát điện ổn định để truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ [14]

a Thiết bị phát điện dạng phao chìm [4] b Thiết bị phát điện dạng phao nổi [13]

Hình 1.7 Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển

Trong các nghiên cứu của Marco Tranpanese [18]; nghiên cứu của V Franzitta, A Messineo và M Tranpanese [19] Các tác giả đã đưa ra mô hình thiết

bị sử dụng loại mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, với sóng biển tác dụng lên mô hình được xét là sóng tuyến tính Trong nghiên cứu đã thực hiện các tính toán về sự tương tác giữa cảm ứng từ và cường độ dòng điện trong mô tơ phát điện, xác định mức công suất điện phát ra theo các thông số thiết kế của mô tơ và đưa ra giải pháp tích hợp các thiết bị phát điện riêng lẻ thành một hệ thống thiết bị phát điện ổn định

Hình 1.8 Mô hình thiết bị phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương

thẳng đứng [19]

Nghiên cứu của Yue Hong thực hiện xây dựng mô hình, tính toán thiết kế thiết bị phát điện loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng Tác giả tính toán mô phỏng số mức công suất cơ hệ của thiết bị hấp thụ được từ năng lượng sóng biển theo hệ số cản của mô tơ phát điện ở các số liệu sóng biển thực tế (cụ thể sử dụng các số liệu về biên độ và chu kỳ sóng biển tại 12 vùng biển của Thụy Điển) Từ hệ số cản tối ưu của mô tơ phát điện nhận được, tác giả thực hiện thiết kế chế tạo mô tơ và thiết bị phát điện để sử dụng tại từng vùng biển cụ thể,

nhằm thu được mức công suất điện phát ra đạt lớn nhất [22] Công trình nghiên cứu của Liselotte Ulvgard [23], nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị đo kiểm tra đánh giá trong thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động thực tế tại biển, áp dụng cho mô hình thiết bị phát điện sử dụng loại mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng Tác giả đưa ra phương pháp thực hiện, thiết kế chế tạo hệ thống đo với các thông số đo kiểm tra về công suất trên cơ

sở đo điện áp và cường độ dòng điện của thiết bị phát ra, đo biến dạng vỏ thiết bị và

độ lớn lực thiết bị nhận được tại đầu trục piston từ phao truyền đến

- Các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển lắp đặt trên bờ được xây dựng với các mô tơ phát điện công nghiệp truyền thống Ưu điểm: toàn bộ phần phát điện của thiết bị được lắp đặt trên bờ sẽ thuận lợi trong bảo dưỡng, sửa chữa và truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ Nhược điểm: các mô hình phát điện này được xây dựng cố định không có khả năng di động trong sử dụng, hiệu suất chuyển đổi

năng lượng thấp do phần phát điện được lắp đặt trên bờ cách xa bộ phận thu nhận năng lượng hoạt động ở dưới biển

- Các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động ngoài biển thường

ở dạng đóng kín (phát điện trực tiếp), được nghiên cứu phát triển theo nhiều cách thức khác nhau, với công suất phát điện từ nhỏ đến vài trăm kW Thiết bị phù hợp trong các nhu cầu sử dụng điện tại địa phương trong ngắn hạn hay ổn định lâu dài,

cơ động trong khai thác sử dụng, thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa + Thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển được chế tạo chủ yếu hoạt động tại các vùng nước nông gần bờ với công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện lâu dài tại địa phương Phần phát điện của thiết bị được tính toán thiết kế gắn cố định ở đáy biển khi hoạt động Phao thiết bị được thả nổi trên mặt biển, truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến mô tơ phát điện thông qua dây cáp Ưu điểm của thiết bị là phần phát điện gắn cố định ở đáy biển sẽ không gây ảnh hưởng đến tàu thuyền đi lại trên mặt biển, đặc biệt trong những ngày biển bão thiết bị phát điện vẫn có khả năng hoạt động và tránh được tác động của bão biển Nhược điểm là phần phát điện gắn cố định ở đáy biển nên rất khó khăn trong việc sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ Thiết bị sử dụng loại mô tơ phát điện hoạt động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng hiện chưa được chế tạo thông dụng trong công nghiệp, cũng như chưa được thương mại sẵn trên thị trường + Thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển dạng thả nổi trên mặt biển được chế tạo để đáp ứng nhu cầu về năng lượng điện trong các hoạt động ngoài khơi xa, ở các vùng nước sâu với công suất phát điện ở mức vừa và lớn Thiết bị được chế tạo

sử dụng với mô tơ phát điện loại công nghiệp hiệu suất cao và sẵn có trên thị trường Ưu điểm: các thiết bị phát điện hoạt động nổi trên mặt biển dễ lắp đặt và cơ động trong khai thác sử dụng, thiết bị rất hữu ích trong các nhiệm vụ cấp điện có tính chất ngắn hạn ở ngoài biển Nhược điểm: do thiết bị hoạt động nổi trên mặt biển, nên trong những ngày biển động hay bão biển việc khai thác thiết bị hoạt động

sẽ khó khăn Ngoài ra thiết bị cũng gây ảnh hưởng đến các phương tiện di chuyển trên mặt biển, cũng như khó khăn trong việc bảo dưỡng thiết bị do hoạt động ở ngoài khơi xa

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, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Khoa học Năng lượng thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN Các mô hình thiết bị đang được nghiên cứu đều theo hướng hoạt động nổi trên mặt biển với các dạng thiết bị cụ thể sau [24-28]:

- Viện Nghiên cứu Cơ khí thực hiện thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trong khuôn khổ đề tài KC.05-17/06-10, thiết bị hoạt động theo mô hình thả nổi trên mặt biển dạng rắn biển với công suất thiết kế từ 5÷10 kW [24] Thiết bị được chế tạo gồm năm boong phao, trong đó ba boong phao thu nhận năng lượng và hai boong phao chuyển đổi năng lượng được lắp đặt các mô tơ phát điện loại công nghiệp Các boong phao được liên kết với nhau bằng khớp bản lề để thu nhận năng lượng, dưới tác dụng của sóng biển hệ thống thuỷ lực sẽ cung cấp dòng lưu lượng dầu ổn định với áp suất cao đẩy quay các mô tơ phát điện Thiết bị

đã hoạt động thử nghiệm tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng và cung cấp điện năng cho

bộ đội biên phòng đóng trên đảo sử dụng

Hình 1.10 Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí

- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Nghiên cứu Cơ khí đã thực hiện nghiên cứu tính toán động lực học hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng Các tác giả tính toán thiết kế mô hình đặt trên một trụ đứng và gắn cố định trên bề mặt sóng, phao được thả nổi chuyển động lên xuống theo sóng biển Năng lượng sóng biển từ phao nhận được thông qua hệ thống thủy lực truyền dẫn đẩy quay mô

tơ phát điện và phát ra điện năng, công suất phát điện của mô hình được tính toán ở mức dưới 0,5 kW [25]

Hình 1.11 Cấu trúc hệ thiết bị phát điện cố định trên mặt biển

- Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển dạng phao nổi, thiết bị được thiết kế chế tạo hoạt động thả nổi trên mặt biển theo phương thẳng đứng Trong mô hình, các tác giả đã tính toán chế tạo

mô tơ phát điện dạng chuyển động tịnh tiến lên xuống và phát điện trực tiếp, với nam châm của mô tơ phát được gắn xung quanh trục chuyển động nằm ở giữa, các cuộn dây cảm ứng được lắp đặt xung quanh trục nam châm để phát ra điện năng Thiết bị đã được tiến hành thử nghiệm ở biển, với công suất điện từ thiết bị phát ra

đã nhận được còn hạn chế, thiết bị là sản phẩm thuộc đề tài mã số QG.14.1 [26,27]

a Mô hình thiết bị chế tạo b Thử nghiệm thiết bị

Hình 1.12 Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội

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

đề tài mã số VAST07.04/14-15, trong đề tài đã chế tạo được một mô hình thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển hoạt động nổi trên mặt biển sử dụng mô tơ phát điện dạng máy phát thủy điện loại trục đứng Thiết bị hoạt động trên bề mặt sóng biển và gắn cố định trên mặt biển Thiết bị được chế tạo gồm hai khoang chứa

trên dưới, khoang ở trên nhận nước biển đổ vào trong nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng sóng đến đỉnh sóng và đồng thời khoang dưới xả nước đẩy quay mô tơ phát điện trong nửa chu kỳ kế tiếp khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng Trong mô hình thiết bị, các tác giả sử dụng loại mô tơ phát điện có công suất định mức 60 W, với công suất điện phát ra khi thử nghiệm ở biển đã nhận được 50,92 W Cách thức thử nghiệm: các tác giả sử dụng cần cẩu cảng buộc cáp thả treo thiết bị giữ ở mức lơ lửng trên bề mặt nước biển để khảo sát thử nghiệm sự hoạt động của thiết bị [28]

a Máy phát điện b Hạ thiết bị xuống mặt biển c Thiết bị hoạt động Hình 1.13 Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng lượng

Từ các mô hình nghiên cứu trên cho thấy, các mô hình thiết bị của các đơn vị

đã, đang được nghiên cứu và chế tạo đều hoạt động nổi trên mặt biển Ưu điểm chính của các mô hình là thuận lợi trong lắp đặt, sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị, cũng như trong khai thác sử dụng Nhược điểm là các thiết bị đều hoạt động nổi trên mặt biển, trong khi trung bình mỗi năm Việt Nam thường hứng chịu khoảng 10 cơn bão, đây là mối gây nguy hại trực tiếp và là thách thức trong việc khai thác sử dụng loại mô hình thiết bị phát điện nổi trên mặt biển hoạt động lâu dài ở biển

Tại Viện Cơ học – Viện Hàn lâm KHCNVN, trong những năm gần đây đã có những quan tâm và thực hiện các nghiên cứu nhằm khai thác năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng biển với các công bố về tiềm năng năng lượng sóng ở vùng biển Việt Nam [29]; Khảo sát đặc tính năng lượng của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao nổi, tiến tới đề xuất các

cơ cấu để 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 [31], 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 được tính toán nhằm chế tạo thiết bị 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

Hình 1.14 Cấu trúc hệ thiết bị phát điện trực tiếp gắn cố định ở đáy biển [31] Trong nghiên cứu này, tác giả tính toán thiết kế mô tơ phát điện gồm nam châm vĩnh cửu được gắn xung quanh trục và cố định ở đáy biển, các cuộn dây cảm ứng để phát ra điện năng được ghép đặt xung quanh trục nam châm và kết nối với phao thả nổi trên mặt biển Khi sóng biển tác dụng, các cuộn dây sẽ chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng trong môi trường cảm ứng từ do nam châm tạo

ra và phát ra điện năng Ở đây tác giả gặp khó khăn về kỹ thuật chế tạo mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, cũng như khả năng gia công chế tạo loại mô tơ phát điện này ở trong nước, đặc biệt yêu cầu đối với mô hình thiết bị cần phát điện tốt với chuyển động của mô tơ là rất chậm (do sóng biển chuyển động rất chậm với chu kỳ chủ yếu trong khoảng từ 2÷8 giây) Trong khi trên thế giới hiện nay, loại mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến vẫn chưa được chế tạo

ở quy mô công nghiệp, cũng như chưa được thương mại sẵn trên thị trường Để thiết bị hoạt động được hiệu quả, loại mô tơ phát điện này cần được chế tạo từ vật liệu nam châm đất hiếm có cảm ứng từ lớn Trong khi các nam châm đất hiếm hiện nay thường có kích thước nhỏ, dẫn đến cần tính toán phối ghép nam châm để đạt

được giá trị cảm ứng từ là lớn nhất, đồng thời cần tính toán thiết kế chế tạo các khuôn đúc lõi riêng cho mô tơ và thực hiện đúc lõi mô tơ phát điện với độ chính xác cao

Mặt khác từ các nhiệm vụ nghiên cứu chuyên môn, tại Viện Cơ học tác giả

đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Viện Hàn lâm KHCNVN với trách nhiệm là chủ nhiệm đề tài, cụ thể 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 tính toán thiết kế và 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, năng lượng gió và năng lượng sóng biển Trong đó phần nguồn vào từ năng lượng sóng biển của hệ thống phát điện đã 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

1.3.1 Vị trí địa lý và tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam

Vị trí địa lý:

Do đặc thù địa lý là quốc gia ven biển với nhiều đảo và vùng biển rộng lớn, nhu cầu về điện năng nhằm cung cấp cho dân cư sinh sống trên các đảo ngoài khơi, cũng như nhu cầu về các phao báo hiệu chỉ dẫn đường biển và nguồn điện cung cấp cho các đèn hải đăng ngoài biển là rất lớn Hơn nữa, nhu cầu về điện năng để cung cấp cho nền kinh tế biển, điện năng phục vụ an ninh quốc phòng trong bảo vệ chủ quyền biển đảo của tổ quốc (đặc biệt nguồn điện để sử dụng trên các nhà dàn DKI ngoài Biển Đông v.v.) là nhiệm vụ cấp bách, trong khi điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới

Tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam:

Các nghiên cứu về tiềm năng năng lượng sóng ở nước ta mới chỉ bắt đầu được quan tâm trong những năm gần đây Các kết quả nghiên cứu dựa trên các số liệu đo đạc khảo sát biển và các dữ liệu đo tại các trạm hải văn, cũng như các

nghiên cứu tính toán mô phỏng đã cho thấy bức tranh tổng quát về phân bố nguồn năng lượng sóng biển ở nước ta vào cỡ trung bình trên thế giới [34,35] Ở đây, các nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tính dòng năng lượng theo phổ sóng của Đaviđan Việc chọn công thức phổ này không những là một phương pháp đánh giá hiện thực do dựa trên cơ sở trường sóng thực tế đa dạng theo chu kỳ sóng, mà còn phù hợp với phương pháp tính dòng năng lượng sóng cho vùng ngoài khơi Biển Đông Với việc sử dụng cùng một phổ sóng có thể dễ dàng kiểm tra các kết quả tính toán và so sánh các kết quả nhận được với nhau Số liệu đưa vào tính toán là các kết quả tính toán chế độ trường sóng ven bờ phục vụ xây dựng công trình biển thuộc đề tài cấp Nhà nước KHCN-06-10 “Cơ sở khoa học và các đặc trưng kỹ thuật đới bờ phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ” bao gồm phân bố độ cao và chu kỳ sóng biển Trên cơ sở của phương pháp tính này, thông lượng năng lượng sóng tại 83 điểm quan trắc được thiết lập và phân chia thành 6 vùng khảo sát dọc theo chiều dài

bờ biển nước ta đã được thực hiện [35] Các kết quả tính toán là dòng năng lượng sóng cho mỗi mét chiều dài của bờ biển vuông góc với hướng truyền sóng, giá trị năng lượng sóng biển được tính theo kW/m cho từng tháng trong năm và trung bình của năm tại 83 điểm khảo sát được đưa ra trong hình 1.15 (các số liệu chi tiết về năng lượng sóng tại 83 điểm quan trắc được đưa ra tại phụ lục A) [35]

Từ các số liệu nhận được cho thấy về tiềm năng năng lượng sóng dọc dải ven biển Việt Nam, cùng với các đặc trưng năng lượng sóng tại 83 điểm khảo sát của 6 vùng như sau:

- Vùng 1 từ trạm số 1 đến trạm số 11, vùng phía bắc vịnh Bắc Bộ từ Móng Cái đến Thanh Hóa: tại vùng này năng lượng sóng chiếm ưu thế vào các tháng 6, 7

và 8 với giá trị từ 16 kW/m trở lên Vào mùa gió đông bắc ở các trạm phía bắc của vùng, năng lượng sóng không mạnh Tại các trạm phía nam của vùng này (từ trạm 7 đến trạm 11), năng lượng sóng khá đều, quanh năm đạt từ 15 kW/m trở lên Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 15 kW/m

- Vùng 2 từ trạm số 12 đến trạm số 21, vùng phía nam vịnh Bắc Bộ từ Thanh Hóa đến Quảng Bình có đặc điểm là dòng năng lượng sóng trong gió mùa đông bắc chiếm ưu thế Tại vùng này, trong khoảng từ tháng 10 năm trước đến tháng 2 năm

sau dòng năng lượng sóng đạt 30 kW/m trở lên Trong gió mùa tây nam, vào các tháng mùa hè, năng lượng sóng tại khu vực này nhỏ hơn 20 kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 25 kW/m

Hình 1.15 Sơ đồ các điểm khảo sát và tính thông lượng năng lượng sóng [35]

- Vùng 3 từ trạm 22 đến trạm 37, vùng bắc miền Trung từ Quảng Bình đến Quảng Nam là vùng có năng lượng sóng khá nhỏ so với các vùng lân cận do trường sóng trong gió mùa đông bắc bị đảo Hải Nam che chắn Còn trong gió mùa tây nam,

ở đây gió thường thổi từ bờ ra khơi Vào các tháng trong mùa đông, dòng năng lượng sóng tại vùng này cũng khá mạnh Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 10 kW/m

- Vùng 4 từ trạm 38 đến trạm 54, vùng nam miền Trung từ Quảng Ngãi đến Ninh Thuận là vùng có dòng năng lượng sóng lớn nhất trên dải ven biển nước ta, vì

là vùng tiếp xúc trực tiếp với biển thoáng và có đà sóng gần như không bị giới hạn trong cả hai mùa gió thịnh hành Trong gió mùa đông bắc, năng lượng sóng tại vùng này đạt từ 30 kW/m trở lên Đặc biệt tại các trạm từ 43 đến 54 trong tháng 12, dòng năng lượng sóng xấp xỉ 100 kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 30 kW/m

- Vùng 5 từ trạm 55 đến trạm 71, vùng ven bờ đồng bằng Nam Bộ từ Bình Thuận đến mũi Cà Mau là vùng có dòng năng lượng sóng không lớn vì ở đây tác động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị hạn chế Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 18 kW/m

- Vùng 6 từ trạm 72 đến trạm 83, vùng ven bờ biển phía tây nam từ Cà Mau đến Kiên Giang: tại vùng này dòng năng lượng sóng là yếu nhất trên toàn dải ven biển nước ta Có trạm không có dòng năng lượng trung bình tháng, có nghĩa là trong cả tháng sóng lặng Tại các trạm phía ngoài biển thoáng như trạm trên phía tây của đảo Phú Quốc (trạm 72) và các trạm dọc bờ từ Rạch Giá xuống phía nam (trạm 77 - 83) năng lượng sóng trong mùa gió tây nam đạt khoảng 15 kW/m, lớn nhất vào tháng 8 Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 5÷6 kW/m

Hình 1.16 đưa ra bức tranh tổng quát về độ cao sóng biển trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông nhận được từ các kết quả quan trắc và khảo sát, trong

đó độ cao sóng là khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp [34] Giá trị thông lượng năng lượng sóng tại các vùng theo tháng được đưa ra trên hình 1.17 và trung bình năm thể hiện trên hình 1.18 [34,35]

Hình 1.16 Độ cao sóng trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông [34]

Hình 1.17 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng [35]

Hình 1.18 Thông lượng năng lượng sóng trung bình trong năm ven biển Việt Nam [35]

Từ các số liệu về phân bố thông lượng năng lượng sóng, độ cao sóng và chu

kỳ sóng biển đã nhận được cho thấy: độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ 0,5÷1,2 m với chu kỳ sóng 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với chu

kỳ sóng 6÷8 giây, đặc biệt khi biển động độ cao sóng biển ven bờ đạt từ 3,5÷5 m, ngoài khơi đạt từ 6÷9 m [34-37] Do vậy, 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 Từ các số liệu về sóng biển thực tế đã nhận được, các số liệu này sẽ được sử dụng làm cơ sở trong các tính toán, xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, để thiết bị hoạt động phù hợp theo điều kiện thực tế của sóng biển

1.3.2 Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án Nhu cầu thực tế:

Việt Nam có bờ biển dài trên 3260 km, cùng hơn 3000 hòn đảo và trên 1 triệu km2 mặt biển cho thấy việc truyền tải điện nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng ở ngoài biển, hải đảo là rất khó và không thể thực hiện được Với định hướng phát triển kinh tế của Chính phủ đến năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50% GDP Dẫn đến yêu cầu về năng lượng điện đối với kinh tế biển nói chung, điện năng sử dụng trên các nhà dàn DKI hay các đảo ngoài khơi, cũng như điện năng đảm bảo an ninh quốc phòng biển đảo là vô cùng quan trọng

Định hướng nghiên cứu của luận án:

Qua các nghiên cứu, phân tích đánh giá về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới, cũng như tại Việt Nam đã, đang nghiên cứu và chế tạo Cùng với sự biến đổi khí hậu và điều kiện thời tiết ngày càng bất thường, các thống kê cho thấy Việt Nam trung bình hàng năm phải hứng chịu khoảng 10 cơn bão và thậm chí sóng thần có thể xảy ra Từ các phân tích đã cho thấy loại mô hình thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển là phù hợp Hiện nay, các mô hình thiết bị đã có đều được nghiên cứu chế tạo với mô tơ phát điện 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 của lò xo trong mô hình đều chưa được xét đến Việc nghiên cứu tối ưu mới chỉ được xét ở tối ưu hệ số 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 chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam Cấu trúc của thiết bị được nghiên cứu tính toán và thiết kế gồm hai phần, phần phát điện của thiết bị được gắn cố định ở đáy biển và phao thiết bị thả nổi trên mặt biển, chúng được kết nối bởi dây cáp và hoạt động theo phương thẳng đứng Mô hình thiết bị phát điện được xác định với công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ, phù hợp với đặc trưng của sóng biển Việt Nam (như biên độ và chu kỳ sóng biển) và mục đích sử dụng 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 Nguyên lý hoạt động của thiết bị là khi sóng biển tác động lên phao, năng lượng sóng biển từ phao truyền đến phần thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển bởi dây cáp được định hướng chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng Hình 1.19 đưa ra mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển gắn cố định ở đáy biển, thiết bị hoạt động theo phương thẳng đứng và được định hướng nghiên cứu trong luận án

Hình 1.19 Mô hình thiết bị phát điện từ sóng biển

Ưu điểm là phần phát điện của thiết bị được gắn ở đáy biển, nên thiết bị vẫn hoạt động được trong những ngày biển có bão Trong mô hình được tính toán đưa vào sử dụng loại mô tơ phát điện công nghiệp chuyển động quay tròn, hiệu suất cao

và sẵn có trên thị trường Sử dụng các cơ cấu thanh răng ghép bánh răng để chuyển đổi các chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng sang chuyển động quay tròn, khớp cá được sử dụng để bánh răng quay theo một chiều cố định Với cách tiếp cận này, hiện tại tác giả chưa thấy chúng được thực hiện hay công bố trên các công trình ở trong nước và quốc tế

Từ những lý do trên, luận án cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, phù hợp theo các điều kiện thực tế biển Việt Nam

- Thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo Xác định đường đặc trưng biên độ - tần số của mô hình trong trường hợp cộng hưởng, chỉ ra vùng hoạt động ổn định và mất ổn định Tính toán tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện để lựa chọn loại mô tơ phát điện phù hợp sử dụng trong thiết bị, xác định tối ưu kích thước phao thiết bị và hệ số đàn hồi của lò xo để công suất điện thiết bị phát ra đạt lớn nhất Viết chương trình tính toán

mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo, tính toán mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện sóng biển

- Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận cơ học của thiết bị Tính toán thiết kế phần phát điện của thiết bị, nguồn điện của thiết bị phát ra được ổn định tại 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam

- Chế tạo và lắp ghép toàn bộ thiết bị, thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển

- Đo khảo sát công suất điện do thiết bị phát ra và các thông số sóng biển thực tế khi thử nghiệm Phân tích chất lượng điện áp, đánh giá hiệu suất hoạt động của thiết bị trên cơ sở so sánh giữa công suất tính toán lý thuyết và công suất điện của thiết bị phát ra khi thử nghiệm thực tế ở biển

Kết quả chính của luận án nhằm xây dựng được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam, cũng như khả năng gia công chế tạo thiết bị trong nước Thiết bị được chế tạo với phần phát điện gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng, phao thiết bị được thả nổi trên mặt biển Thiết bị sau khi hoàn thiện có khả năng sử dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng thực tế ngoài biển đảo

độ cao sóng và chu kỳ sóng biển trung bình từng tháng trong năm dọc theo bờ biển trải dài trên 3260 km Trong đó độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ 0,5÷1,2 m

với chu kỳ sóng 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng trung bình từ 1,2÷2 m với chu

kỳ sóng 6÷8 giây, đặc biệt khi biển động độ cao sóng ở ven bờ từ 3,5÷5 m, ngoài khơi đạt từ 6÷9 m

Đã chỉ ra nhu cầu và khả năng ứng dụng của mô hình thiết bị tại Việt Nam

Đã 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, để thiết bị sau khi chế tạo sẽ hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam Các tính toán về xây dựng

mô hình, thiết lập phương trình chuyển động và xác định tối ưu các thông số của thiết bị sẽ được trình bày ở chương tiếp theo của luận án

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ

PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN Chương 2 trình bày các nghiên cứu về xây dựng mô hình cơ học, thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình dưới tác dụng sóng biển; Xác định đường đặc trưng biên độ - tần số của mô hình trong trường hợp cộng hưởng; Tính toán tối ưu hóa các thông số trong mô hình; Xây dựng chương trình mô phỏng

số, khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện thực tế của sóng biển như biên độ và chu kỳ của sóng biển Mục đích của luận án là xây dựng được một thiết

bị phát điện từ năng lượng sóng biển, có khả năng sử dụng làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng Mô hình thiết bị đảm bảo nhỏ gọn, hiệu quả và phù hợp với khả năng gia công chế tạo ở trong nước

2.1 Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

2.1.1 Phân tích xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

Từ các kết quả phân tích về ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị phát điện

từ năng lượng sóng biển hoạt động theo phương thẳng đứng, với mục tiêu chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động hiệu quả và phù hợp theo các điều kiện sóng biển thực tế Việt Nam Mô hình thiết bị được nghiên cứu xây dựng hoạt động theo phương thẳng đứng, phần phát điện của thiết bị được gắn

cố định ở đáy biển kết nối với phao thả nổi trên mặt biển bởi dây cáp Ngoài ra, từ các số liệu khảo sát và quan trắc về biển cho thấy mô hình thiết bị chuyển động dưới tác dụng của sóng biển là rất chậm Trên cơ sở về khả năng gia công chế tạo thiết bị

ở trong nước, mô hình thiết bị được tính toán sử dụng với mô tơ phát điện công nghiệp loại chuyển động quay tròn hiệu suất cao Từ đặc trưng hoạt động của 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 các chuyển động quay chậm ban đầu nhận được của sóng biển sang chuyển động quay nhanh tại mô tơ phát điện với hiệu suất chuyển đổi đạt lớn nhất Hình 2.1 đưa ra sơ đồ cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, trong đó hình 2.1a là sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình truyền năng lượng của phao đã