Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng dạng phao nổi

Được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Cơ Khí Giao Thông và các thầy cô trong bộ môn Thủy Khí Và Máy Thủy Khí chúng em thực hiện đề tài “Tính toán và thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng s

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG DẠNG PHAO NỖI

Sinh viên thực hiện: PHẠM ĐĂNG PHÚC NGUYỄN DUY LONG

Đà Nẵng – Năm 2018

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: ………

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

V Thông tin chung:

5 Họ và tên sinh viên: ……….………

6 Lớp: ……….……… Số thẻ SV: ………

7 Tên đề tài: ……….………

8 Người phản biện: ……….………… Học hàm/ học vị: …………

VI Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

tối đa

Điểm trừ

Điểm còn lại

1 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải

quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao 80

1a - Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự nhiên

1b - Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành

1c - Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô phỏng, tính toán trong vấn đề nghiên cứu 10

1d - Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng

1e - Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề 10

1f - Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng thực

2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 15

2b - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 5

3 Tổng điểm đánh giá: theo thang 100

Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

3 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: …….….………

2 Lớp: ……….….… Số thẻ SV: ………

3 Tên đề tài: ……….………….………

4 Người phản biện: ……… …….………… Học hàm/ học vị: ………

II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời 1 ……….……….…… ………

………

2 ……… ………

………

Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1 ……….……….…… ………

………

………

………

2 ……… ………

………

………

………

………

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

Người phản biện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Phạm Đăng Phúc 103130066 13C4A Kỹ thuật cơ khí

2 Nguyễn Duy Long 103130048 13C4A Kỹ thuật cơ khí

1 Tên đề tài đồ án: Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành

điện năng dạng phao nổi

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Theo số liệu nhà chế tạo

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Phạm Đăng Phúc -Tổng quan về đề tài

-Năng lượng sóng và tình hình khai thác năng lượng sóng tại Việt Nam

2 Nguyễn Duy Long -Tổng quan về thiết bị

b Phần riêng:

1 Phạm Đăng Phúc - Tính toán kích thước thân phao và đế phao

-Tính toán thiết kế thùng dầu, van an toàn

-Tính toán thiết kế motor thủy lực

2 Nguyễn Duy Long -Tính toán thiết kế máy phát điện

1 Phạm Đăng Phúc 1- bản vẽ tổng thể sơ đồ mạch thủy lực thiết bị A3

1- bản vẽ sơ đồ lắp ráp hệ thống thủy lực trong phao

6 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

hết các quốc gia, trong đó có Việt Nam Đề tài “Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi

năng lượng sóng biển thành điện năng dạng phao nổi” của chúng em nhằm đưa ra ý

tưởng thiết kế một thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng cung cấp cho sinh hoạt và hoạt động sản xuất nhằm khắc phục vấn đề thiếu năng lượng hiện nay Không những đem lại hiệu quả kinh tế cao phát triển bền vững mà thiết bị còn có nhiều ưu điểm đáng để chú ý phát triển như: không gấy ô nhiễm ảnh hướng tới môi trường tận dụng được nguồn năng lượng vô tận mà biển khơi mang lại chi phí đầu tư xây dựng vừa phải

Để thực hiện đề tài này chúng em đã tìm hiểu và đưa ra phương án thiết kế tối ưu nhất là thiết kế một phao nổi hình trụ tròn liên kết với hệ thống thống thủy lực

Cấu trúc đề tài gồm các phần chính như sau:

- Tổng quan về năng lượng sóng và tình hình nghiên cứu khai thác năng

lượng sóng biển trên thế giới và Việt Nam

- Tổng quan về các bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển

- Tính toán thiết kế phao

- Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi bằng hệ thống thủy lực

- Xây dưng mô hình 3D của bộ chuyển đổi

- Mô phỏng hoạt động của thiết bị bằng phần mềm Automation Studio

LỜI NÓI ĐẦU

Sau thời gian 5 năm học tại trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, được sự dạy dỗ

và chỉ bảo tận tình của các thầy, cô chúng em đã hoàn thành tốt chương trình đào tạo

kỹ sư ngành Kỹ thuật cơ khí Để vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế và để chúng em làm quen với công việc sau khi ra trường Được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Cơ Khí Giao Thông và các thầy cô trong bộ môn Thủy Khí Và Máy Thủy

Khí chúng em thực hiện đề tài “Tính toán và thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng

sóng biển thành điện năng dạng phao nổi” đây là đề tài mang tính thực tế cao

Chúng em được nghiên cứu đề tài này sẽ hiểu thêm về lý thuyết truyền động thủy lực, hiểu được nguyên lý làm việc của motor thủy lực, xylanh thủy lực, bơm vv… Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Ts Phan Thành Long cùng với sự giúp đỡ của các thầy ở Trung Tâm Thí Nghiệm Động Cơ Và Ôtô, và các thầy ở phòng Thí Nghiệm Thủy Khí

Và Máy Thủy Khí chúng em đã thiết kế thành công thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng

Để thiết bị có thế được phát triển và đưa vào hoạt động hiệu quả, khi thực hiện đề tài này chúng em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu một cách nghiêm túc Tuy nhiên vì bản thân chúng em còn ít kinh nghiệm thực tế và kiến thức hiểu biết về thủy lực cũng như các kiến thức chuyên ngành còn hạn chế không tránh khỏi sai sót Chúng

em rất mong sự chỉ bảo của quý thầy cô để đề tài của chúng em càng hoàn thiện hơn Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã dạy và truyền đạt kiến thức cho chúng em Đặc biệt chúng em xin gửi lời biết ơn đến thầy Ts Phan Thành Long đã tận tình quan tâm giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2018

Sinh viên thực hiện Nguyễn Duy Long

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Long

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu

Lời cam đoan liêm chính học thuật

Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ

Danh sách các kí hiệu, chữ viết tắt

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Lý do chọn đề tài 3

1.3 Mục tiêu của đề tài 4

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

1.5 Cấu trúc của đề tài 5

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SÓNG VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 6

2.1 Sóng biển 6

2.1.1 Sự hình thành sóng biển 6

2.1.2 Các yếu tố sóng biển 6

2.2 Phân loại sóng biển 8

2.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng 8

2.2.2 Phân loại sóng theo độ cao 8

2 2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền và phát sinh 9

2.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu 9

2.3 Năng lượng sóng và thông lượng năng lượng sóng 10

2.3.1 Năng lượng sóng 10

2.3.2 Thông lượng năng lượng sóng 10

2.4 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng sóng biển trên thế giới 11

2.5 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng sóng biển tại Việt Nam 16

2.5.1 Giới thiệu vùng biển Việt Nam 16

2.5.2 Chế độ trường sóng vùng Biển Đông và ven bờ biển Việt Nam 21

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

BIỂN 23

3.1 Các thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển 23

3.1.1 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ 23

3.1.2 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ 28

3.2 Phương án thiết kế 30

Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHAO VÀ CÔNG SUẤT ĐẦU RA MÁY PHÁT TUYẾN TÍNH 33

4.1 Tính toán thiết kế phao 33

4.1.1 Lựa chọn vùng biển thiết kế 33

4.1.2 Lựa chọn vật liệu làm phao 34

4.1.3 Tính toán công suất thu được từ phao 35

Chương 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC 44

5.1 Thiết kế bơm piston 44

5.1.1 Phân loại máy bơm piston 44

5.1.2 Các thông số cơ bản của máy bơm piston 45

5.1.3 Đường đặc tính của máy bơm piston 46

5.1.4 Tính toán thiết kế bơm piston 47

5.2 Chọn dầu làm việc cho hệ thống 54

5.3 Tính toán lựa chọn bình tích năng 55

5.3.1 Sự không ổn định lưu lượng trong bơm piston 55

5.3.2 Tác hại của sự không ổn định lưu lượng tới quá trình bơm 57

5.3.3 Sự cần thiết phải sử dụng bình tích năng 58

5.3.4 Nguyên lý làm việc của bình tích năng 58

5.4 Tính toán đường ống thủy lực và tổn thất áp suất 64

5.4.1 Tính chọn kích thước đường ống 64

5.4.2 Tính toán tổn thất áp suất trên đường ống từ bơm đến động cơ thủy lực 66

5.5 Tính toán thiết kế thùng dầu 68

5.6 Bình lọc 69

5.7 Van an toàn 69

5.7.1 Sơ bộ về van an toàn 69

5.7.2 Phân loại 69

5.7.3 Tính van an toàn tác dụng gián tiếp 72

5.8 Van một chiều 75

5.9 Tính chọn motor thủy lực 75

5.10 Tính chọn máy phát điện kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 77

5.11 Tính toán phần thân và đế phao 79

Chương 6: XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI 83

6.1 Giới thiệu về phần mềm Solidworks 83

6.2 Thiết kế và mô phỏng 85

6.2.1 Mô hình phao nổi 85

6.2.2 Mô hình các bộ phận thủy lực trong thân phao 87

6.2.3 Mô hình lắp ráp hoàn chỉnh bộ chuyển đổi 89

Chương 7: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC TRÊN AUTOMATION STUDIO 91

7.1 Giới thiệu phần mềm Automation Studio 91

7.2 Xây dựng sơ đồ và mô phỏng hoạt động hệ thống thủy lực 94

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 96

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 2.1- Các yếu tố của sóng biển

Hình 2.2- Bản đồ trung bình năm của độ cao sóng cho khu vực vùng biển

liên hiệp Anh

Hình 2.3- Giới thiệu bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực vùng biển Liên Hiệp Anh

Hình 2.4 - Sơ đồ các điểm tính dòng năng lượng sóng và phân vùng tiềm năng

năng lượng sống biển dải ven biển Việt Nam

Hình 3.1- Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon

Hình 3.2 - Thiết bị của Seabased AB

Hình 3.11 - Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon

Hình 3.12 - Sơ đồ hệ thống thủy lực sử dụng trong phao

Hình 4.1- Bản đồ khu vực biển được áp dụng thí nghiệm và phát triển thiết bị

Hình 4.2- Biểu đồ năng lượng sóng theo các tháng ở vùng biển oregon

Hình 4.3- Mô hình phao thiết kế

Hình 5.1- Đường đặc tính của bơm piston

Hình 5.2 - Sơ đồ tính toán xylanh bơm

Hình 5.3- Cấu tạo bơm piston tác dụng kép

Hình 5.4-Cách xác định chiều dài Lk dựa vào kiểu lắp bơm

Hình 5.5 - Sơ đồ truyền động của bơm piston

Hình 5.6 – Đồ thị lưu lượng tức thời bơm 1 xylanh tác dụng kép

Hình 5.7 – Sơ đồ nguyên lý làm việc của bình tích năng trên đường ống hút

Hình 5.8 – Sơ đồ nguyên lý làm việc của bình tích năng trên đường ống đẩy Hình 5.9 - Đồ thị lưu lượng trên đường ống đẩy

Hình 5.10 - Bình tích năng HAB10-330-6X của hang Rexroth

Hình 5.11 – Sơ đồ cấu tạo bình tích năng

Hình 5.12 - Biểu đồ tính hệ số cản đường ống theo chế độ chảy

Hình 5.13- Van an toàn kiểu vi sai có đệm giảm chấn

Hình 5.14 – Kết cấu van an toàn tác dụng gián tiếp

Hình 5.15 - Sơ đồ tính toán van kiểu bi

Hình 5.16- Sơ đồ kết cấu van một chiều

Hình 5.17- Motor piston hướng trục Axial

Hình 5.18- Máy phát ALXION 300STK

Hình 5.19- Đường đặc tính công suất của máy phát 300SKT2M

Hình 5.20- Sơ đồ kích thước phần thân phao

Hình 6.1- Giao diện phần mềm Solidworks

Hình 6.2 - Mô hình phao thiết kế

Hình 6.3- Mô hình thân phao

Hình 6.4 - Mô hình đế phao

Hình 6.5 – Mô hình bơm piston tác dụng kép

Hình 6.6 - Mô hình động cơ thủy lực JMDG

Hình 6.7- Mô hình máy phát nam châm vĩnh cửu Bình tích năng Rexorth Hình 6.8 - Mô hình bình tích năng

Hình 6.9- Mô hình hệ thống thủy lực đặt bên trong thân phao

Hình 6.10- Mô hình lắp hệ thống thủy lực vào thân phao

Hình 6.11 - Lắp đế phao với thân phao

Hình 6.12- Lắp ghép hoàn chỉnh bộ chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao nổi Hình 7.1 - Giao diện phần mềm Automation Studio

Hình 7.2 – Giao diện làm việc của phần mềm

Hình 7.3 - Thư viện tìm kiếm

Hình 7.4- Bơm bánh rang và xilanh thủy lực được mô phỏng trong phần mềm Hình 7.5 - Sơ đồ mô phỏng dòng dầu trong hệ thống

Hình 7.6- Động cơ thủy lực

Bảng 2.1 - Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng

Bảng 2.2 - Phân loại sóng theo vùng sóng truyền và phát sinh

Bảng 4.1 - Bảng tra mw theo Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932) Bảng 4.2 - Chiều cao của sóng dọc theo bờ biển Việt Nam

Bảng 4.3 - Các thông số kĩ thuật của Phao

Bảng 5.1 - phân loại bơm theo áp suất

Bảng 5.2 - phân loại bơm theo lưu lượng

Bảng 5.3 - Các thông số vậy lý chính của dầu thủy lực

Bảng 5.4 - Các thông số làm việc chính của bình tích năng HAB10-330-6X Bảng 5.5 - Các thông số làm việc chính của Motor

Bảng 5.6 - Các thông số làm việc chính của máy phát điện

Bảng 7.1 - Các thông số làm việc của Motor

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

f- Số dao động trong một giây [Hz]

C - Tốc độ chuyển động của mặt sóng

L - Chiều dài hai đỉnh hoặc hai bụng sóng kế tiếp

H - Khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp

d - Là khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước trung bình

η - Biến đổi độ cao mặt nước so với mực nước biển trung bình khi lặng sóng

Ur- Số Uesel sử dụng để phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu biển

P thông lượng năng lượng sóng, mà còn gọi là lực sóng

PW Năng lượng sóng cho một mét đỉnh song

ρ Khối lượng riêng của nước biển ]1030 kg/m3]

V- Thể tích bên ngoài của phao [m]

P- Trọng lượng của phao

FA - Lực đẩy Acsimet tác dụng lên phao [N]

z

 - Tần số góc của dao động [rad/s]

wp

A - Phần diện tích tiếp xúc với nước biển [m2]

m - Khối lượng phần nước biển bị thay thế bởi phao [kg]

η - Hiệu suất của máy bơm

p1 - Áp suất dầu ở buồng công tác [ N/m2]

p2 - Áp suất dầu ở buồng chạy không [ N/m2]

S1 - Diện tích piston ở buồng công tác [ m2]

S2 - Diện tích piston ở buồng chạy không [ m2]

Pt - Tải trọng công tác [N]

Fmsc - Lực ma sát giữa cần piston và vòng chắn khít [ N]

Fmsp - Lực ma sát giữa piston và xilanh [ N]

N

F – lực tác dựng của phao xuống cần piston

D – là đường kính của piston

1

S - Diện tích piston ở buồng công tác [m2]

2

S - Diện tích buồng làm việc phía cần [m2]

Qlt - Lưu lượng lý thuyết trung bình của máy bơm tác dụng kép h- Chiều rộng ổ đệm

V -Vận tốc chuyển động của piston trong xylanh

ω - Vận tốc góc của tay quay

Sđ - Tiết diện của ống đẩy

Sh - Tiết diện của ống hút

 - Ứng suất cho phép của vật liệu ống dẫn

1

P

 - Tổn thất áp dọc đường

- Tổn thất cục bộ

L - Chiều dài của đường ống

 - Độ nhớt động học của dầu công tác

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu

Năng lượng nói chung và lượng điện nói riêng là trong những yếu tố cần thiết phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của nhân loại Điều này cũng có nghĩa rằng khi mức sống của con người và nhu cầu sản xuất được tăng cao thì nhu cầu về năng lượng điện cũng tăng theo để đáp ứng Đây chính là thách lớn đối với hầu hết các quốc gia, trong đó có Việt Nam

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12 – 13 % năm, tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng cao để thực hiện “dân giàu, nước mạnh” và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng vách và thách thức to lớn trong những thập niên tới Để hoàn thành được trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển năng lực cung ứng của mình

Nếu tốc độ phát triển nhu cầu về điện tiếp tục duy trì ở mức rất cao 14 – 15% năm như mấy năm trở lại đây thì đến năm 2010 cầu về điện sẽ đạt mức 90.000 GWh, gấp đôi mức cầu của năm 2005 Theo dự báo của Tập đoàn điện lực Việt Nam, nếu tốc tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/ năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm Nếu

dự báo này của Tập đoàn Điện lực trỡ thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2 – 3 lần so với giá sản xuất trong nước Hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào trì trệ và đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Không phải đến những năm 2015 hay 2020, ngay thời điểm hiện tại chúng ta cũng đã đối mặt với tình trạng thiếu điện Năm 2005, lần đầu tiên sau nhiều năm trở lại đây, người dân ở hai trung tâm chính trị và kinh tế của đát nước chịu cảnh cắt điện

luôn gây nhiều khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống kinh tế Ngoài ra, Việt Nam vẫn còn khoảng 4,5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng xa

và hải đảo vẫn chưa có điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2020, vẫn còn trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xã) đại diện cho 500.000

hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia Đồng bào dân tộc thiểu số ở Tây Nguyên, những nơi chưa có điện luới quốc gia, bài toán bơm nước tưới cây hay phục vụ nhu cầu cuộc sống của bà con là một bài toán khó

Những đồn biên phòng xa xôi trên những mõm núi chót vót của vùng Tây bắc tổ quốc, những chiến sĩ ngoài đảo xa, nhà dàn, những ghe tàu đánh cá ngoài biển khơi cũng cần có điện để phục vụ tốt cho sinh hoạt và cho công tác an ninh quốc phòng Thêm vào đó, theo dự báo của một số khoa học, trữ lượng than và dầu khí mà đang được con người sử dụng sẽ cạn kiệt trong 30 năm tới Chính vì lý do này, hầu hết các quốc gia trên thế giới đang nổ lực nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nhằm mục đính thay thế phần nào nguồn năng hóa thạch đang được khai thác và có xu hướng cạn dần

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng các quy trình diễn biến liên tục trong các

sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ mặt trời Năng lượng tái tạo cũng có thể được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn

Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà khong thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục

Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi thì đất nước Việt Nam được xem là một trong những nước có nguồn tài nguyên năng nượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt Các nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng sinh thái Trước nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần giảm gánh nặng

về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát truyển bền vững

Nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện nay

Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào ở nước ta Việt Nam là một trong các quốc gia có bờ biển rất dài, dài đến hơn 3200 km Quanh năm sóng biển

vỗ bờ Bên cạnh đó, nước ta cũng có nhiều hải đảo Quanh đảo là biển, vì vậy năng lượng của sóng biển ven bờ biển của nước ta là rất lớn Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng của sóng biển thành năng lượng điện là cần thiết mà có thể góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện của nước ta hiện nay và tương lại

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

tư ít hơn, tính an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn, không cần một bộ máy điều hành lớn và phức tạp, mứ độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường không cao Tuy nhiên, trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và khai thác tại Việt Nam thì năng lượng sóng biển chưa nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu và khai thác Mặc dù, được biết rằng hiệu suất chuyển đổi thành năng lượng điện của nguồn năng lượng này là khá cao

Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn chưa đạt được các kết quả khả quan Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển và thế giới đang phải đối mặt với những hậu quả nghiêm trọng do vấn đề biến đổi khí hậu gây ra thì các nhà khoa học tin tưởng rằng có thể chuyển hóa năng lượng của sóng biển thành năng lượng điện nhờ các bộ chuyển đổi năng lượng

Năm 1799, Girardson, France là người đầu tiên được cấp bằng phát minh về việc khám phá nguồn năng lượng sóng biển Năm 1960 Masuda, Japan đã thiết kế, chế tạo

và thương mại tiếp thị chuyển đổi năng lượng sống biển đầu tiên Đó là chiếc phao nhẹ trôi trên biển và tự nạp điện

1.2 Lý do chọn đề tài

Khi được giáo viên hướng dẫn thực hiện đề tài TS Phan Thành Long đề cập về vấn

đề nghiên cứu các dạng năng lượng tái tạo nhằm ứng dụng tại Việt Nam Em đã tìm hiểu

và thấy các nhà nghiên cứu đã cho rằng: nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần và có thể hết trước thế giới vài chục năm (Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn, Dầu còn 2,3

tỷ tấn…) Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm

2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12%-20% năng lượng để có thể duy trì nền kinh tế, đến năm 2050 lên đến 50%-60%, chưa kể điện hạt nhân Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nguồn nước cung cấp cho thủy điện của nước ta hiện đang dần cạn kiệt, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Còn chi phí sản xuất nhiệt điện quá cao và tùy thuộc vào tình hình năng lượng khoáng sản Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án

Vì vậy cho thấy vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam là một vấn đề vô cùng cấp bách và đã và đang được thực hiện tại Việt Nam, ví dụ điển hình chính là việc khai thác năng lượng mặt trời và năng lượng gió Nhưng việc khai thác năng lượng tái tạo vẫn còn chưa triệt để và chưa được quan tâm đúng mức Đặc biệt là Việt Nam có bờ biển dài với hàng ngàn hòn đảo lớn nhỏ nên có thể nói nguồn năng lượng

từ sóng biển rất lớn, đặc biệt là ở miền Trung và các đảo, quần đảo Các chuyên gia đã tính toán, với điều kiện sóng, gió, địa lý như ở Việt Nam thì năng lượng tạo ra từ sóng biển được xếp vào loại lớn trên thế giới Vì vậy, việc ứng dụng các công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển tại nước ta sẽ mang lại hiệu quả rất cao

Từ những tìm hiểu trên em đã chọn đề tài “Tính Toán Thiết Kế Bộ Chuyển Đổi Năng Lượng Sóng Thành Điện Năng Dạng Phao nổi” với mục đích tìm hiểu thêm về lĩnh vực khai thác năng lượng tái tạo và hy vọng đóng góp một phần nhỏ công sức vào việc phát triển dạng năng lượng sóng đại dương có tiềm năng rất lớn ở nước ta

1.3 Mục tiêu của đề tài

Với các phân tích và đánh giá mà đã được trình bày ở phần trên, các mục tiêu chính cần được nghiên cứu và thực hiện đề tài này bao gồm:

- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn điện năng lượng tái tạo, trong đó có nguồn điện năng lượng sóng biển

- Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện

- Nghiên cứu và phân tích cho một vài bộ biến đổi năng lượng sóng biển

- Nghiên cứu và phân tích máy phát điện đồng bộ năm châm vĩnh cửu tuyến tính được sử dụng trong các bộ biến đổi năng lượng sóng biển

- Mô phỏng máy phát điện đồng bộ nam trâm vĩnh cửu tuyến tính của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển bằng phần mềm Simulink/ Matlab

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu và phân tích hệ thống thủy lực của bộ biến đổi năng lượng sóng biển

- Nghiên cứu cho một hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện độc lập và phụ tải trở không đổi

- Nghiên cứu giả thiết bỏ qua các ảnh hưởng của các yếu tố mà có thể ảnh hưởng đến hiệu quả biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện

1.5 Cấu trúc của đề tài

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Tổng quan về năng lượng sóng và tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng sóng biển trên thế giới tại Việt Nam

Chương 3: Tổng quan về các bộ chuyển đổi năng lượng sóng

Chương 4: Tính toán thiết kế phao

Chương 5: Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi bằng hệ thống thủy lực

Chương 6: Xây dựng mô hình 3D của bộ chuyển đổi

Chương 7: Mô phỏng hoạt động của thiết bị bằng phần mềm Automation Studio

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SÓNG VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN TRÊN THẾ

GIỚI VÀ VIỆT NAM

2.1.1 Sự hình thành sóng biển

Sóng cơ bản được hình thành qua 3 bước từ đó phân chia ra 3 vùng hình thành sóng cơ bản:

Sóng ban đầu được hình thành ngoài khơi đại dương và rất xa bờ là từng đợt sóng

gợn sóng với chiều dài thân sóng rất gắn và chiều cao rất thấp (vùng sóng gợn) Như vậy, ban đầu sóng được hình thành với bước sóng (chiều dài thân sóng) ngắn và tốc độ

dịch chuyển của đỉnh sóng cao nhất

Sau đó những đợt sóng này sẽ dao động về phía gần bờ và bắt đầu gia tăng bước sóng, đồng thời chiều cao của sóng cũng được gia tăng Ở vùng này, tốc độ dịch

chuyển của đỉnh sóng cũng giảm xuống và năng lượng sóng với chiều tác động dẩy sóng nhô lên gia tăng lực đẩy làm gia tăng chiều cao của sóng

Khi tiến đến gần bờ thì sườn sau của sóng bắt đầu dịch chuyển nhanh hơn rất nhiều và vượt tới trước, lúc này chiều cao của sóng được đẩy lên cao nhất và sóng bắt đầu vỡ ra và đập vào bờ hay còn gọi là sóng tới vùng sóng vỗ

2.1.2 Các yếu tố sóng biển

Sóng biển được đặc trưng bởi các yếu tố như sau:

- Chu kỳ sóng, T là thời gian để một đỉnh và một bụng sóng đi qua một điểm cố định

Dưới tác dụng của những lực khác nhau, trên mặt phân cách nước và không khí ở biển luôn luôn tồn tại các sóng Nếu cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo một hướng nào đó (thường theo hướng truyền sóng chính), thì giao tuyến của mặt biển với mặt phẳng đó có dạng đường cong phức tạp gồm nhiều sóng gọi là profin sóng (hình 18) Nếu quan trắc dao động của mặt biển tại một điểm cố định nào

đó (ghi bằng máy ghi sóng), thì biến đổi của vị trí mặt nước theo thời gian cũng có hình dạng phức tạp Trên profin sóng, mỗi một sóng bao gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn mực sóng trung bình gọi là đáy sóng Điểm cao nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng Điểm thấp nhất của đáy sóng là chân sóng

Hình 2.1- Các đại lượng sóng biển

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

Độ cao sóng h là khoảng cách giữa đỉnh sóng và chân sóng xác định trên profin sóng dọc hướng truyền của sóng

Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng

Chu kỳ sóng T là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một đường thẳng đứng cố định

- Tần số sóng f là số dao động trong một giây

1

f T

- Độ cao sóng, H là khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp

- Độ sâu, d là khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước trung bình

Dạng sóng biểu thị hình dạng của mặt nước khi có sóng mà sẽ phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện khác nhau như: vùng nước sâu, nước nông, vùng gió thổi Sóng sẽ có dạng khác nhau và tính chất sóng cũng có thể khác nhau như sóng điều hòa và không điều hòa Dạng sóng đơn giản nhất là sóng tuyến tính với phương trình mô tả dạng của mặt nước tự do khi có sóng là một hàm của thời gian, t; khoảng cách, x

η: là biến đổi độ cao mặt nước so với mực nước biển trung bình khi lặng sóng

2.2 Phân loại sóng biển

Sóng trên biển có thể phân loại theo nguồn gốc, bản chất hiện tượng, độ cao, độ sâu, tỷ số giữa bước sóng và độ sau, v.v

2.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng

Sóng gió là sóng chịu ảnh hưởng của gió sinh ra nó Sóng lừng là sóng vượt ra ngoài vùng tác động của gió, cũng tương tự như vậy có thể xác định các loại sóng

theo nguồn gốc sinh ra nó Bảng 2.1 phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng

Bảng 2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng

Hiện tượng Nguyên nhân Chu kỳ

2.2.2 Phân loại sóng theo độ cao

Theo độ cao sóng, có thể phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao và độ dài sóng (độ dốc) và độ cao sóng với độ sâu biển

Sóng được gọi là có độ cao vô cùng nhỏ khi độ dốc nhỉ H/L ~ 0 và tỷ số giữa độ cao sóng và độ sâu biển nhỏ H/d ~ 0

Sóng được gọi là có độ cao hữu hạn khi không thỏa mãn một trong hai điều kiện trên

2 2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền và phát sinh

Theo tỷ số giữa độ sâu với độ dài của sóng có thể phân ra 3 vùng sóng lan truyền hoặc phát sinh

Bảng 2.2- Phân loại sóng theo vùng sóng truyền và phát sinh

2 d

L





2.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu

Số Uesel được sử dụng để phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu biển:

2 3

r

HL U

d

= (2.4) Trong đó:

Các loại sóng được phân loại nêu trên có thể là:

- Sóng cưỡng bức, sóng tự do;

- Sóng mao dẫn, sóng trọng lực;

- Sóng ổn định, sóng đang phát triển;

- Sóng tiến, sóng đứng;

- Sóng hai chiều, sóng ba chiều;

- Sóng đều hoặc sóng không điều

2.3 Năng lượng sóng và thông lượng năng lượng sóng

2

8

E L



= = (2.6)

2.3.2 Thông lượng năng lượng sóng

Thông lượng năng lượng sóng là năng lượng sóng truyền theo hướng truyền sóng qua một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng tính từ mặt biển đến đáy biển Thông lượng năng lượng trung bình cho một đơn vị đỉnh sóng, truyền qua một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng sẽ được biểu diễn như sau:

g

P=EnC=EC (2.7) Trong đó:

P : là thông lượng năng lượng sóng, mà còn gọi là lực sóng

Tại vùng nước sâu:

1 0 0

2

P= E C (2.8) Tại vùng nước nông:

P=EC g =EC (2.9) Khi đỉnh sóng song song với các đường đẳng sâu, phương trình cân bằng năng lượng sóng sẽ là:

xạ Tốc độ của nhóm sóng hay tốc độ truyền năng lượng sóng Cg được xác định

2.4 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng sóng biển trên thế giới

Từ những năm 70 của thế 20, các nước có vùng biển rộng và khoa học tiên tiến như Na Uy, Thụy Điển, Mỹ, Pháp và Nhật Bản đã có các chương trình nghiên cứu về năng lượng sóng Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây dựng ở Na Uy năm

1984 và hoàn thành vào năm 1986

Châu Âu là khu vực đứng đầu trong việc áp dụng năng lượng sóng Hiện nay đã

có 4 dự án khai thác thương mại năng lượng sóng Giá thành điện năng từ gió hiện nay

đã giảm 80% trong vòng 20 năm vừa qua nhờ có các tiến bộ và thiết bị và tối ưu trong kết cấu Với giá cả ban đầu khoảng ½ giá ban đầu của năng lượng gió và ¼ giá hiện

thời của năng lượng bin mặt trời, năng lượng sóng có tiền năng rất lớn để trở thành năng lượng có rẻ nhất trong tương lai

Năm 2004, nghiên cứu khải thi của EPRI cho thấy tiền năng của năng lượng sóng tại khu vực Bắc Mỹ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng thủy triều Kết luận của nghiên cứu này là giá thương mại hiện nay của điện năng từ sóng biển tại một số khu vực triển vọng trong khoảng 11-13 cent/kWh nhưng giá này sẽ giảm mạnh do có nhiều cải tiến trong công nghệ và kỹ thuật

Hiện nay, mới có một số ít MW điện năng khai thác được từ sóng biển Nhà máy điện thương mại từ sóng biển đầu tiên với công suất 30 MW được xây dựng ở Bồ Đào Nha Tại Mỹ, mới có phao năng lượng sóng đầu tiên với công suất 40 kW tại căn cứ biển ở Kanvohe Hawaii Bản quyền ứng dụng nhà máy điện phục vụ dân sinh cỡ thực

tế đầu tiên được thực hiện tháng 11/2006 với công suất 1 MW tại vịnh Makah, Washington, Mỹ

Nước Anh đã chi 2,3 triệu bản Anh hỗ trợ Wavegen tiến hành các thử nghiệm các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển tại vùng biển phía tây Isles năm 2002 Nguồn kinh phí này dùng sử dụng để thử nghiệm 3 thiết bị năng lượng sóng ven bờ dựa trên nguyên lý dao động cột nước Một dự án với kinh phí 3,7 triệu bảng Anh có mục tiệu tập hợp các thiết bị khai thác năng lượng sóng cho khu vực tây Isles đã công bố là đạt được một số bước tiến gần với thực hiện, cho thấy hiện nay nước Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng

Theo Tân Hoa xã, các nhà khoa học Trung Quốc vừa xây dựng thử nghiệm một nhà máy điện sóng biển có thể chịu được những cơn bão Y Yage phụ trách nhóm các nhà khoa học thuộc Viện khoa học Trung Quốc tại Quảng Châu cho biết, nhà máy điện mới đạt hiệu quả hơn, chi phí thấp hơn và chịu được những cơn bão Nhà máy điện công suất 6 kW đã được thử nghiệm và hoạt động tốt sau hơn 20 cơn bão Theo các nhà khoa học, việc thử nghiệm cho thấy thiết bị này có thể sử dụng để thắp sáng đèn, máy tính máy điều hòa khử muối khỏi nước biển Y Yage và các cộng sự đã chế tạo thành công nhà máy điện sóng đặt tại thành phố Shanwei, miền nam Trung Quốc, thuộc tỉnh Quảng Đông

Tập bản đồ năng lượng tái tạo trên biển của Liên hiệp Anh là một nguồn thông tin để phục vụ cho việc quy hoạch khai thác các nguồn năng lượng biển nói chung và

năng lượng sóng nói riêng Tập bản đồ sóng là phương tiện để xác định các phân bố về năng lượng sóng theo các thời gian khác nhau trong năm và các khu vực biển khác nhau tại khu vực biển ven bờ và ngoài khơi Liên hiệp Anh Dự án xây dựng tập bản đồ này được Bộ Công thương Anh tài trợ

Nguồn số liệu chính cho cả trường gió synnop và trường sóng để xây dựng tập bản đồ năng lượng sóng được thu thập từ các mô hình dự báo nghiệp vụ của Anh hiện nay đã bao phủ trên diện tích tích toàn cầu, khu vực Châu Âu và vùng biển Liên hiệp Anh với các lưới tưng ứng là 60; 35 và 12km Mô hình tính sóng được sử dụng là mô hình tính sóng tương thích với nguồn số liệu gió Các kết quả được đưa ra 3 giờ một lần bao gồm các kết quả định lượng về độ cao sóng hữu hiệu, chu kỳ sóng đi qua điểm trung bình và hướng sóng trung bình

Mô hình tính sóng sử dụng là mô hình tính sóng thế hệ hai với các chu kỳ sóng tính toán dao động trong dải 3 giây đến 25 giây và với bước sóng trong khoảng từ 15m đến 975m Số liệu gió đưa vào là số liệu gió tại tầng 10m trên mặt biển nhận được từ

cơ quan Khí tượng Anh Số liệu gió này đồng hóa từ các số liệu gió thu được từ vệ tinh, số liệu gió quan trắc trên tàu biển và các số liệu gió từ các hệ thống phao đo đạt trên mặt biển Tốc độ gió, thời gian gió thổi và hướng gió được xác định theo các khoảng chu kỳ và hướng để tạo ra năng lượng sóng trong mô hình tính sóng thông qua

cơ chế truyền năng lượng của gió cho sóng trong sóng gió Các thành phần phổ sóng được tham số hóa theo các đỉnh phổ và dựa vào đó để lựa chọn các phổ JONSWAP tương ứng, mô phỏng sự phát triển của sóng gió

Để có được chế độ sóng, các nhà khoa học đã sử dụng số liệu trường gió và sóng khôi phục trong thời gian từ 6/2000 đến 9/2003 Các số liệu nhận được của mô hình tính sóng cho toàn Châu Âu

Tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp Anh bao gồm các thông tin về tường sóng:

- Độ cao sóng hựu hiệu,

- Chu kỳ sóng trung bình,

- Hướng truyền năng lượng sóng

Hình 2.4 đưa ra bản đồ trung bình năm độ cao sóng cho khu vực vùng biển Liên hiệp Anh

Hình 2.2- Bản đồ trung bình năm của độ cao song cho khu vực vùng biển

liên hiệp Anh

Độ cao sóng rất lớn tại các vùng biển lớn thoáng trực tiếp với khu vực Đại Tây

Dương Như vậy, khu vực có tiềm năng năng lượng sóng lớn nhất và có khả năng xây dựng các nhà máy khai thác năng lương sóng là khu vực bờ tây của Scotland, Tây nam xứ Wale và Cornmwall Trong tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp Anh, năng lượng sóng được tính toán dựa trên biểu thức:

PW = 0.0623ρgHsCg ( 2.14 ) Trong đó:

PW: là năng lượng sóng cho một mét đỉnh song ρ: là mật độ nước (1025 kg/m3)

g: là gia tốc trọng trường (m/s2)

Hs: là độ cao song hữu hiệu (m)

Cg: là tốc độ nhóm sóng (m/s)

Tiềm năng năng lượng sóng được tính toán và xây dựng bản đồ năng lượng sóng cho các vùng biển Liên hiệp Anh gồm:

- Atlat năng lượng sóng trung bình năm

- Atlat năng lượng sóng theo mùa (bốn mùa)

* Mùa đông (tháng 12, tháng 1 và tháng 2)

* Mùa xuân (tháng 3, tháng 4 và tháng 5)

* Mùa hè (tháng 6, tháng 7 và tháng 8)

* Mùa thu (Tháng 9, tháng 10 và tháng 11)

- Atlat năng lượng sóng theo tháng

Trên hình 2.2 giới thiệu bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực

vùng biển Liên Hiệp Anh

Hình 2.3- Giới thiệu bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực

vùng biển Liên Hiệp Anh

2.5 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lượng sóng biển tại Việt Nam

2.5.1 Giới thiệu vùng biển Việt Nam

Việt nam là một quốc gia ven biển nằm bên bờ Tây của Biển Đông, giữ vị trí chiến lược về địa lý, chính trị và kinh tế không phải quốc gia nào cũng có Với bờ biển dài hơn 3260 km trải dài từ Bắc tới Nam, đứng thứ 27 trong số 157 quốc gia ven biển, đảo trên thế giới

Vùng biển nước ta có khoảng 3000 đảo lớn nhỏ và quần đảo xa bờ là Hoàng Sa

và Trường Sa được phân bố khá đều theo chiều dài bờ biển của đất nước Một số đảo ven bờ còn có vị trí quan trọng được sử dụng làm các điểm mốc quốc gia trên biển để thiết lập đường cơ sở ven bờ lục địa Việt Nam, từ đó xác định vùng nội thủy, lãnh hải, vùng tiếp giáp lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa, làm cơ sở pháp lý để bảo vệ chủ quyền quốc gia trên các vùng biển

Biển Đông là vùng nhộn nhịp thứ hai trên thế giới sau Địa Trung Hải, chiếm khoảng 1/4 lưu lượng tàu hoạt động trên các vùng biển toàn cầu Là tuyến hàng hải huyết mạch mang tính chiến lược của nhiều nước trên thế giới và khu vực, nối liền Thái Bình Dương với Ấn Độ Dương, Châu Âu, Trung Đông với Châu Á và giữa các nước Châu Á với nhau

Cùng với đất liền, vùng biển nước ta là một khu vực giàu tài nguyên thiên nhiên,

là ngư trường giàu có nuôi sống hàng triệu ngư dân và gia đình từ bao đời qua, là một vùng kinh tế nhiều thập kỷ phát triển năng động, là nơi hấp dẫn của các nhà đầu tư và thị trường thế giới đến khảo sát và nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó nghiên cứu năng lượng sóng biển chuyển thành năng lượng điện được các nước đầu tư nghiên cứu trong đó có Việt Nam

Do đặc điểm phức tạp về thiết kế và chế tạo các thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành các nguồn năng lượng khác nói chung và năng lượng điện năng nói riêng nên việc sử dụng và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo trên biển vào thực tế tại Việt Nam vẫn còn đang ở giai đoạn nghiên cứu và đánh giá tiềm năng

Năm 2000, cục Hàng hải đã đặt mua một máy phát điện bằng năng lượng sóng (Model TGW – 3A – Wave Activeted Generator) với giá 2917 USD của Nhật Bản và lắp đặt thiết bị này để chạy đèn tín hiệu báo luồng ra vào cảng tại phao số “0” tại cảng

Cửa Lò Cho đến nay, thiết bị này đang hoạt động tốt, đạt hiệu quả rất cao trong các điều kiện thời tiết nguy hiểm

Nguyên nhân chính của việc sử dụng hạn chế các các nguồn năng lượng sóng biển so với các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống khác như năng lượng mặt trời là

vì việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị này phức tạp hơn nhiều lần và điều này dẫn đến giá thành các hệ thống phát điện này cao hơn nhiều lần (giá một hệ thống biến đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện cao hơn 5 lần so với giá giàn pin năng lượng mặt trời trang bị cho các phao tiêu)

Tuy nhiên, từ thực tế sử dụng cho thấy các điều kiện thời tiết gió mùa đông bắc,

có sương mù các giàn pin năng lượng mặt trời thường làm việc kém hiệu quả Trong khi đó, các động cơ phát điện bằng năng lượng sóng biển lại có thể làm việc suốt ngày đêm trong mọi điều kiện về thời tiết

Một trong các kết quả nghiên cứu khoa học về sử dụng năng lượng sóng biển ở nước

ta là đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu sử dụng năng lượng sóng biển làm nguồn chiếu sáng phao tín hiệu hoạt động ngoài khơi biển Việt Nam” Đề tài được thực hiện trong năm 2000, 2001 do bộ giao thông vận tải là cơ quan chủ quản và Viện khoa học công nghệ Giao Thông vận tải làm cơ quan chủ trì với sự hợp tác của Khoa môi trường, Đại học quốc gia Hà Nội và Cục Hàng Hải Việt Nam

Đề tài cấp viện Khoa học và công nghệ Việt Nam “đánh giá tiềm năng năng lượng biển Việt Nam” do PGS.TS Đỗ Ngọc Huỳnh, Viện cơ học chủ trì đã được tiến hành trong các năm 2002 – 2003 kết quả chính của đề tài là đã đưa ra được bức tranh tổng hợp của tiềm năng năng lượng thủy triều, sóng và dòng chảy ở vùng biển Việt Nam Kết quả nghiên cứu tính toán năng lượng sóng biển cho dải ven biển Việt Nam của đề tài được báo cáo tại Hội nghị Khoa học toàn quốc “Năng lượng biển Việt Nam – Tiềm năng công nghệ và chính sách” với các nội dung chính như sau:

Dòng năng lượng sóng được tính theo phổ sóng của Davidan Đã xây dựng chương trình tính dòng năng lượng sóng theo các công thức tính năng lượng sóng số liệu đưa vào là các kết quả tính toán chế độ trường sóng ven bờ phục vụ xây dựng công trình biển của đề tài Cấp Nhà nước KHCN – 06 – 10 “Cơ sở khoa học và các đặc trưng kĩ thuật đới bờ phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ” bao gồm phân bố độ cao và chu kỳ sóng

Đã tính toán theo phương pháp thống kê chế độ với tất cả các tổ hợp độ cao và chu kỳ sóng lớn hơn 0,5m và 5s Sau đó, tính tổng năng lượng sóng cho các tổ hợp nêu trên với tần suất xuất hiện của từng tổ hợp kết quả đã tính toán năng lượng sóng cho

83 điểm dọc bờ biển Việt Nam Các kết quả tính toán là dòng năng lượng sóng KW/m cho từng tháng và trung bình năm tại các điểm tính cho mỗi mét chiều dài bờ biển vuông góc với đường bộ

Một số các nghiên cứu tính toán khác với các kết quả đạt được cho thấy tiềm năng lượng sóng dọc dài ven biển nước ta tương đối phong phú và phụ thuộc trực tiếp vào hai mùa gió đông bắc và tây nam ở các vùng thoáng, có đà sóng lớn theo các hướng Đông Bắc, Tây Nam và Nam đều nhận được dòng năng lượng sóng khá lớn Dựa theo các kết quả tính toán đã tiến hành phân vùng tiềm năng năng lượng sóng dọc dải ven biển Việt Nam, theo đó được phân thành 6 vùng với các đặc trưng năng lượng sóng như sau:

Hình 2.4- Sơ đồ các điểm tính dòng năng lượng sóng và phân vùng tiềm năng

năng lượng sống biển dải ven biển Việt Nam

- Vùng 1: Bắc vịnh Bắc Bộ từ móng Cái đến Thanh Hóa: tại vùng này, do đặc điểm rất

thoáng đối với sóng từ phía Nam – là trường sóng chiếm ưu thế trong gió mùa tây nam tại khu vực Vinh Bắc Bộ nên năng lượng sóng chiếm ưu thể vào các tháng 6 – 7 – 8 với giá trị từ 16 kW/m trở lên vào thời gian này Vào mùa đông bắc trường sóng tại khu vực này bị giới hạn bởi đà sóng ngắn trên năng lượng sóng không lớn Tại các trạm phía nam của vùng này (từ trạm 7- 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 Thanh Hóa – Quãng Bình là vùng phía nam vinh Bắc Bộ với đặc điểm là

dòng năng lượng sóng trong gió mùa đông bắc chiếm ưu thế Tại vùng này, từ tháng

10 năm trước đến tháng 2 năm sau, dòng năng lượng sóng đạt giá trị 30 kW/m trở lên trong mùa 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 của khu vực này đạt khoảng 25 kW/m

- Vùng 3: Quảng Bình đến Quãng Nam là khu vực Bắc Miền Trung Đây là khu vực

có dòng năng lượng khá nhỏ quanh năm vì nguồn gió mùa đông bắc trường sóng bị đảo Hải Nam che chắn trong khi đó trong mùa gió tay nam thì gió thường thổi từ trong

bờ ra Tuy nhiên, vào mùa đông, dòng năng lượng sóng tại vùng biển này khá mạnh Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 10 kW/m

- Vùng 4: Từ Quãng Ngãi đến Ninh Thuận – khu vực nam trung bộ Đây là vùng có

dòng năng lượng sóng mạnh nhất trên toàn dải ven bờ Việt Nam vì là vùng tiếp xúc trực tiếp với biển khoáng 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 khoảng 30 kW/m trở lên Đặc biệt, tại các vùng ven bờ Phú Yên, Ninh Thuận, dòng năng lượng sóng đạt xấp xỉ 100 kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 18 kW/m

- Vùng 5: Từ Bình Thuận đến Mũi Cà Mau – khu vực đồng bằng nam bộ Dòng năng

lượng sóng tại vùng này không lớn Vì ở đây tác động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị yếu đi Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng

18 kW/m

- Vùng 6: Ven bờ phía tây từ Cà Mau đến Kiên Giang – khu vực biển phía tây nam là

vùng có dòng năng lượng sóng yếu nhất trong toàn dải ven biển Việt Nam có những trạm quanh năm độ cao sóng nhỏ hơn 0,5m và chu kỳ sóng nhỏ hơn 5s

Do đó, không tính năng lượng sóng Dòng năng lượng sóng lớn nhất phía tây đảo Phú Quốc với khoảng 15 kW/m và xảy ra vào thời gian tháng 8, thời gian hoạt động mạnh của gió mùa tây nam Dòng năng lượng sóng trung bình của vùng này là khoảng 5-6 kW/m

Có thể nhận thấy rằng năng lượng gió và năng lượng mặt trời đều bị hạn chế, vì lúc có lúc không Trong khi đó, năng lượng sóng biển thì luôn luôn tồn tại bất kể mưa nắng, ngày đêm

Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 – 2015 có xét đến

2025 đã được thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 18 tháng 7 năm 2007, chương trình phát triển nguồn điện giai đoạn 2011 – 2015 đối với phương án phụ tải cơ sở (với nhu cầu điện 190 tỷ kWh vào năm 2015) được xác định có xem xét tới khả năng tham gia của năng lượng tái tạo trong hệ thống điện Việt Nam

* Giai đoạn 2008 - 2015

Theo dự báo quy hoạch điện thì sự đóng góp của các nguồn năng lượng điện tái tạo sẽ tăng 17% đến năm 2015 và là 1424; năm 2020 là 2774 MW; năm 2025 là 3824

MW chiếm 3% trong tổng các nguồn điện của cả nước

Để đáp ứng được tỉ lệ đóng góp cũng như giảm thiểu việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch và tác động xấu đến môi trường, phương án nguồn điện tái tạo là phương án được đề xuất cao, trong đó nguồn thủy điện nhỏ chiếm gần 30% (đối với miền bắc), Khoảng 80 – 90% (đối với miền trung), khoảng 33-36% (đối với miền nam) Sự đóng góp các nguồn điện tái tạo ở miền trung là lớn nhất, sau đó đến miền Bắc và cuối cùng là miền Nam Điều này chứng tỏ tiềm năng khai tác các nguồn năng lượng tái tạo của miền Trung là lớn nhất

Với chương trình phát triển nguồn điện tái tạo này, đến năm 2015 tổng công suất nhà máy điện tái tạo của nước ta là 2603 MW Trong đó, thủy điện nhỏ chiếm 76,3%; năng lượng sinh học chiếm 12,15%; năng lượng gió chiếm 8,34%; còn lại là các nguồn năng lượng tái tạo khác

áp thấp nhiệt đới sẽ kéo dài từ tháng 5 đến tháng 12 và quy luật hoạt động của bão khá phức tạp Theo số liệu thống kê của khoảng 80 năm trở lại đây, hàng năm có khoảng từ

1 – 12 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào vùng biển và ven bờ nước ta Vì vậy, trung bình mỗi năm có khoảng 6 cơn bão và 6 cơn áp thấp nhiệt đới, trong đó có khoảng 25 – 30 % số cơn xuất hiện trong khu vực đông nam Biển Đông

Căn cứ vào các số liệu thống kê này, việc đề xuất các hệ thống khai thác năng lượng sóng biển có khả năng chịu đựng được các cơn bão đi qua khu vực khai thác là một trong những yêu cầu quan trọng hàng đầu

Bên cạnh đó, cũng cần phải nhìn nhận thêm rằng mặc dù nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn năng lượng sóng biển nói riêng có ý nghĩa rất lớn trong việc tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững Tuy nhiên, hiện nay xét về giá cả thì các nguồn năng lượng tái tạo không thể cạnh tranh được với các nguồn năng lượng truyền thống Vì vậy, việc đầu tư để phát triển là thật sự cần thiết ở Việt Nam Để thực hiện được điều này, các cung pháp lý cần phải được xây dựng đủ hấp dẫn để thu hút các doanh nghiệp, các nhà đầu tư tài chính trong và ngoài ngoài nước tham gia khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn năng lượng sóng biển nói riêng và cũng cần phải có một chiến lược phát triển bền vững cho Việt nam về vấn đề năng lượng

2.5.2 Chế độ trường sóng vùng Biển Đông và ven bờ biển Việt Nam

Nghiên cứu chế độ trường sóng vùng Biển Đông và ven bờ biển Việt Nam có thể được tiến hành theo hai hướng Hướng thứ nhất là tiến hành thống kê chế độ trường