Ứng dụng savonius rotor trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng

Dữ liệu sóng thu được thông qua các mô hình số cung cấp một cơ hội để ánh xạ tốt hơn đánh giá năng lượng sóng, cung cấp thông tin chi tiết về khả năng dao động cho quy mô khu vực và địa

KHOA CƠ KHÍ

CAO ĐĂNG LONG

ỨNG DỤNG SAVONIUS ROTOR TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã ngành: 60 52 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trương Quốc Thanh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lưu Thanh Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Phạm Hữu Lộc

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 11 tháng 01 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Trần Doãn Sơn Chủ tịch HĐ

3 PGS.TS Lưu Thanh Tùng UV phản biện 1

5.PGS.TS Bùi Trọng Hiếu Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS.TS Trần Doãn Sơn PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: CAO ĐĂNG LONG MSHV: 1670750

Ngày, tháng, năm sinh: 21/09/1987 Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số : 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG SAVONIUS ROTOR TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu về năng lượng sóng và hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng

 Tìm hiểu lý thuyết cơ bản về Savonius Rotor

 Thiết kế, chế tạo và lắp đặt thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

 Thực nghiệm xây dựng được phương trình hồi quy

 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số vị trí của tấm định dòng tới hiệu suấtchuyển đổi năng lượng sóng

 Viết báo hội nghị quốc tế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/08/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trương Quốc Thanh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS Trương Quốc Thanh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này Trong thời gian thực hiện luận văn, Thầy đã cố vấn cho tôi những những lời khuyên thiết thực giúp tôi tháo gỡ những khó khăn trong quá trình nghiên cứu để kịp thời hoàn thành luận văn này đúng thời hạn

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia giảng dạy chương trình Thạc sĩ trong thời gian tôi học tập ở trường Thầy/Cô đã trang

bị cho tôi những kiến thức để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Cuối cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp (nơi tôi đang làm việc) đã luôn thông cảm, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học Bách khoa TP.HCM

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018

Học viên

CAO ĐĂNG LONG

TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn là phát triển một mô hình Savonius Rotor, và mục đích chính của luận văn là nghiên cứu và cải thiện hiệu suất bộ chuyển đổi năng lượng sóng ứng dụng Savonius (PTO) Tấm định dòng được gắn vào thiết bị để hướng dòng chảy nước về phía cánh tiến của Savonius Do đó những nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để xác định vị trị tối ưu của tấm định dòng đặt lên bộ PTO nhằm cải thiện hiệu suất (Cp) Đồng thời, những ảnh hưởng của một vài thông số cũng được đưa vào nghiên cứu, ba thông số biến đổi được lựa chọn đó là góc nghiêng tấm định dòng, khoảng cách dọc và khoảng cách ngang tấm định dòng đến trục Savonrius cũng được đưa vào nghiên cứu Những kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất cải thiện đáng

kể khi thiết kế Savonrius với tấm định dòng và có thể tích hợp tấm định dòng vào hệ thống PTO

ABSTRACT Main contents of this thesis aims to develop a model of Twisted Savonius Rotor (TSR) which consists of a blade in order to investigate the performance of a Power Take-Off (PTO) system The deflector plate is attached to the system to concentrate the fluid flow toward the advanced blade Thus, experimental investigations are conducted to identify the appropriate position of the deflector plate on Power Take – Off (PTO) to improve the coefficient of power (Cp) of the rotor Besides, the effect

of some parameter on the coefficient of power (Cp) of rotor are also studied Experiments are conducted in a water channel available in the department Three parameters were chosen as process variables: the highth of the deflector plate, angle made by the deflector plate with the Savonius, vertical distance and horizontal distance between the rotor center to the deflector plate The results shown promising results and can be incorporated into PTO devices to increasing the performance of system

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trương Quốc Thanh Nội dung luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ những phần tham khảo đã ghi rõ trong nội dung luận văn

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Người thực hiện

CAO ĐĂNG LONG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 11

1.1 Tổng quan về Savonius Rotor trong hệ chuyển đổi năng lượng sóng 11

1.1.1 Tình hình tiêu thụ năng lượng trên thế giới 11

1.1.2 Tình hình tiêu thụ năng lượng ở châu Á 16

1.1.3 Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng 22

1.1.4 Ứng dụng Savonius Rotor trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng 33 1.2 Mục tiêu của đề tài 35

1.3 Lợi ích và tính cấp thiết của đề tài 36

1.4 Ý nghĩa khoa học của luận văn 36

1.5 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 36

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN 37

2.1 Savonius rotor và các thông số cơ bản 37

2.1.1 Nguyên lý làm việc của Savonius rotor 37

2.1.2 Các thông số cơ bản 38

2.2 Các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả của Savonius rotor 40

2.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ khung hình (AR -Aspect ratio) 40

2.2.2 Ảnh hưởng của tấm chắn 2 bên 42

2.2.3 Ảnh hưởng của số lượng cánh Rotor 43

2.2.4 Ảnh hưởng của biên dạng cánh 44

2.2.5 Ảnh hưởng của góc cánh rotor 47

2.2.6 Ảnh hưởng của góc xoắn 48

2.2.7 Ảnh hưởng của số Reynolds 49

2.2.8 Ảnh hưởng của tỉ số tốc độ (TSR) 49

2.3 Chuyển đổi năng lượng sóng 50

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52

3.1 Chọn thông số thí nghiệm 52

3.1.1 Thiết kế thông số của cánh savonius rotor 52

3.1.2 Thiết kế sơ đồ bố trí tấm định dòng 54

3.2 Mô hình thí nghiệm 55

3.2.1 Thiết bị dùng để thí nghiệm 55

3.2.2 Hệ thống PTO 57

3.2.3 Phương pháp thực nghiệm 60

3.3 Phương pháp phân tích kết quả 61

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

4.1 Kết quả 64

4.1.1 Kết quả thí nghiệm hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I 64

4.1.2 Kết quả thực nghiệm Box-Behnken với ba nhân tố 65

4.1.3 Xây dựng phương trình hồi qui 66

4.2 Đánh giá ảnh hưởng các thông số thực nghiệm đến hàm mục tiêu 68

4.2.1 Góc nghiêng β cố định, 2 thông số hoảng cách ngang h và khoảng cách ngang v thay đổi 68 4.2.2 Khoảng cách ngang v cố định, 2 thông số khoảng cách ngang h và góc

4.2.3 Khoảng cách ngang h cố định, 2 thông số góc nghiêng β và khoảng cách

ngang v thay đổi 78

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 90

PHỤ LỤC 1: BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 91

1 Bài báo 91

2 Chứng chỉ 92

PHỤ LỤC 2: THỰC NGHIỆM BOX-BEHNKEN 93

1 Kết quả thực nghiệm 93

1.1 Kết quả thực nghiệm Box-Behnken với ba nhân tố 93

1.2 Xây dựng phương trình hồi qui 94

1.3 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi qui 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng tổng thể theo ngành 12

Hình 1.2 Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ cho lĩnh vực công nghiệp 14

Hình 1.3 Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ cho lĩnh vực vận tải 15

Hình 1 4 Lượng khí CO2 thải ra năm 1965-2016 17

Hình 1 5 Lượng CO2 thải ra a) 1965 b) 2017 18

Hình 1 6 Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo theo khu vực vào năm 2017 20

Hình 1 7 Sơ đồ mức hệ thống của công nghệ thu năng lượng sóng biển 23

Hình 1 8 Nguyên tắc hoạt động của một ứng dụng ngoài khơi 24

Hình 1 9 Nguyên tắc hoạt động của một ứng dụng (quay tuabin) ngoài khơi 25

Hình 1 10 Bộ tạo tuyến tính trong phao nổi và cột cố định 26

Hình 1 11 Mặt cắt ngang của một cực của máy phát PM tuyến tính được gắn bề mặt theo chiều dọc 27

Hình 1 12 Phương pháp Salter Cam 29

Hình 1 13 Phương pháp thu năng lượng sóng gần bờ 30

Hình 1 14 Tuabin không khí gần bờ 30

Hình 1 15 Sơ đồ khối của hệ thống điều hòa công suất điển hình cho hệ thống chuyển đổi năng lượng đại dương được nối lưới 32

Hình 1 16 Savonius rotor 34

Hình 2 1 Savonius rotor 37

Hình 2 2 Các thông số hình học của sóng biển 38

Hình 2 3 Ảnh hưởng của tỉ lệ khung hình đối với hệ số công suất của Savonius gió [11] 41

Hình 2 4 Tấm chắn 2 bên 43

Hình 2.6 Hệ số công suất đối với 2 và 3 cánh [18] 44

Hình 2 7 Các biên dạng cánh khác nhau được nghiên cứu bởi Roy và Saha [20] 46

Hình 2 8 Ba thiết kế cánh Savonius Tandem (TBS) [21] 47

Hình 2 9 Góc cánh a (400) ,b 600 [27] 47

Hình 2 10 Góc xoắn của cánh là a( 00), b (150), c (300) 48

Hình 2 11 Hệ số công suất tương ứng với tỉ số TSR với rotor 2 và 3 cánh [18] 50

Hình 3 1 Savonius Rotor được thiết kế 53

Hình 3 2 Thông số hình học của Savonius 53

Hình 3 3 các nhân tố ảnh hưởng của tấm dịnh dòng 54

Hình 3 4 (a) Sơ đồ khối kênh sóng, (b) Kênh sóng thực tế 55

Hình 3 5 Kênh tạo sóng nhân tạo 55

Hình 3 6 Thiết bị tạo sóng dạng nêm 56

Hình 3 7 Nguyên lý tạo sóng 56

Hình 3 8 Thiết bị hấp thụ sóng 57

Hình 3 9 Đồng hồ đo vạn năng Excel DT-9205A 57

Hình 3 10 Bộ PTO thiết kế 58

Hình 3 11 Bộ PTO chế tạo thực tế 59

Hình 3 12 Cơ cấu 3D thay đổi Góc nghiêng tấm, khoảng cách ngang, khoảng cách dọc 60

Hình 3 13 Cơ cấu thực tế thay đổi Góc nghiêng tấm, khoảng cách ngang, khoảng cách dọc 60

Hình 3 14 Qui hoạch thực nghiệm Box-Behnken ba nhân tố 61

Hình 4 1 Ảnh hưởng của khoảng cách ngang và khoảng cách dọc khi Góc nghiêng β ở mức thấp nhấp lên Cp 69

Hình 4 2 Ảnh hưởng của khoảng cách ngang và khoảng cách dọc khi Góc nghiêng β

ở mức cơ sở lên CP 71Hình 4 3 Ảnh hưởng của khoảng cách ngang và khoảng cách dọc khi Góc nghiêng β

ở mức cao nhất lên CP 72Hình 4 4 Ảnh hưởng của Góc nghiêng β và khoảng cách ngang khi khoảng cách dọc

ở mức thấp nhấp lên CP 74Hình 4 5 Ảnh hưởng của Góc nghiêng β và khoảng cách ngang khi khoảng cách dọc

ở mức cơ sở lên CP 75Hình 4 6 Ảnh hưởng của Góc nghiêng β và khoảng cách ngang khi khoảng cách dọc

ở mức cao nhất lên CP 77Hình 4 7 Ảnh hưởng của Góc nghiêng β và khoảng cách dọc v khi khoảng cách

ngang h ở mức thấp nhấp lên CP 79Hình 4 8 Ảnh hưởng của Góc nghiêng β và khoảng cách dọc khi khoảng cách ngang

ở mức cơ sở lên CP 80Hình 4 9 Ảnh hưởng của Góc nghiêng β và khoảng cách dọc khi khoảng cách ngang

ở mức cao nhất lên CP 82Hình 4 10 Biểu đồ thể hiện mức ảnh hưởng của các thông số đến hệ số công suất 83Hình 4 11 Đồ thị tối ứu hóa các thông số thực nghiệm 84

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Tổng mức tiêu thụ năng lượng trong năm 2004 12

Bảng 2 1 Bảng phân tích sự ảnh hưởng của góc xoắn đến hiệu suất 48

Bảng 3 1 3 thông số thể hiện vị trí và kích thước của tấm định dòng 62

Bảng 3 2 Bảng mã hóa số liệu 62

Bảng 4 1 Kết quả thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố đến hệ số chuyển đổi công suất 65

Bảng 4 2 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X 66

Bảng 4 3 Giá trị khi 2 thông số h và v thay đổi, β ở mức thấp nhất 68

Bảng 4 4 Giá trị khi 2 thông số d và h thay đổi, β ở mức cơ sở 70

Bảng 4 5 Giá trị khi 2 thông số d và h thay đổi, β ở mức cao nhất 71

Bảng 4 6 Giá trị khi 2 thông số β và h thay đổi, v ở mức thấp nhất 73

Bảng 4 7 Giá trị khi 2 thông số β và h thay đổi, v ở mức cơ sở 74

Bảng 4 8 Giá trị khi 2 thông số β và h thay đổi, v ở mức cao nhất 76

Bảng 4 9 Giá trị khi 2 thông số β và h thay đổi, h ở mức thấp nhất 78

Bảng 4 10 Giá trị khi 2 thông số β và h thay đổi, d ở mức cơ sở 79

Bảng 4 11 Giá trị khi 2 thông số β và v thay đổi, h ở mức cao nhất 81

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Mục đích của chương là trình bày tổng qua những vấn đề liên quan về Savonrius Rotor trong hệ chuyển đổi năng lượng sóng Khái quát tình hình tiêu thụ nguồn năng lượng ở một số nước trên thế giới cũng như mức mức tăng trưởng về nhu cầu sử dụng nhiên liệu đáng báo động thế giới, song song đó là trữ lượng về than đá, dầu mỏ… ngày càng cạn kiệt Các yếu tố trên dẫn đến sự phát triển mạnh về năng lượng tái tạo

để bù đắp lại sự thiếu hụt năng lượng tiêu thụ Và trong các dạng năng lượng tái tạo, năng lượng sóng ngày càng được quan tâm phát triển

1.1 Tổng quan về Savonius Rotor trong hệ chuyển đổi năng lượng sóng

1.1.1 Tình hình tiêu thụ năng lượng trên thế giới

Có một luận điểm chắc chắn rằng, cách thức tạo ra nguồn năng lượng và lượng tiêu thụ chúng là một trong những công cụ để đo lường sự phát triển nền kinh tế cũng như sự thõa mãn hay nói cách khác là hạnh phúc của một xã hội Từ luận điểm này

có thể thấy tầm quan trọng của năng lượng trong sự lớn mạnh của nền kinh tế một quốc gia, điều này được phản ánh thông qua tổng sản phẩm quốc gia ( Gross National Product – GNP) GNP bình quân đầu người của một quốc gia tương quan với mức tiêu thụ năng lượng bình quân đầu người Nhu cầu sản xuất sản lượng lớn năng lượng trên toàn thế giới tăng lên từ khi mức tiêu thụ năng lượng ngày một tăng mạnh Nguyên nhân dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng ngày một tăng cao đó là sự phát triển công nghệ mới, cuộc cách mạng công nghiệp và dân số thế giới tăng Có thể thấy rằng, trong một xã hội hiện đại cùng với tốc độ công nghiệp hóa từng ngày, năng lượng được sử dụng trong mọi hoạt động của con người

Mức tiêu thụ năng lượng ở Mỹ đứng đầu trên toàn thế giới, theo số liệu năm

2005 lượng năng lượng tiêu thụ ở Mỹ là 105 EJ hoặc 29.000 TWh, tương đương 3,3

TW [1] Nếu công suất tiêu thụ hàng giờ là 3,3 TW, 1 năm tiêu thụ tương ứng với 29.000 TWh, 3,3 TW 24 h 365 ngày Từ năm 1980 đến 2004, tốc độ tăng trưởng tiêu thụ năng lượng hàng năm trên toàn thế giới là 2% Tổng mức tiêu thụ trong năm 2004

Bảng 1 1 Tổng mức tiêu thụ năng lượng trong năm 2004

Tổng lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu khoảng 15TW chủ yếu được khai thác

từ các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ và khí đốt, và mức tiêu thụ cụ thể của từng ngành được thể hiện ở hình 1.1 Khoảng 37% trong tổng số 15 TW dành cho các ngành công nghiệp như sản xuất, khai thác mỏ, xây dựng và nông nghiệp, 20% tổng tiêu thụ dành cho vận tải và dịch vụ, mức tiêu thụ dành cho khu dân cư, sưởi ấm và thiết bị gia dụng chiếm 11% tổng số năng lượng tiêu thụ Bên cạnh đó, các dịch vụ chiếu sáng thương mại, sưởi ấm, làm mát và cung cấp nước cũng như ngành may mặc chiếm 5% 27% trong tổng số mức tiêu thụ bị hao hụt trong các giai đoạn phát sinh

và truyền tải năng lượng

Hình 1 1 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng tổng thể theo ngành

Năng lượng mất mát27%

Dịch vụ5%

Hộ gia đình11%

Vận tải20%

Công nghiệp37%

Để tạo ra 2 TW công suất điện, cần khoảng 5 TW công suất Điều này là thực

tế hiệu quả hoạt động của một nhà máy điện điển hình, chỉ đạt được khoảng 38% hiệu suất truyền tải điện tới nơi tiêu dùng [3] Một phần tư năng lượng được sản xuất ra

bị hao hụt trong các hệ thống chuyển đồi thông thường và đường dây truyền tải hiệu quả thấp cũng được thể hiện ở hình 1.1 Vấn đề này cho thấy cần phải tập trung vào các hệ thống hoạt động với hiệu suất cao khi tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, làm giảm thiểu hoặc loại bỏ bớt tổn thất mất mát năng lượng trên đường dẫn tới các điểm tiêu thụ So với các nhà máy điện truyền thống, các nhà máy điện sử dụng tuabin hoặc microturbines cải tiến có thể đạt hiệu quả cao đáng kể 55%; tuy nhiên, nguyên liệu

để tạo ra điện năng vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạc, khí thiên nhiên [4] Sau khi phát minh ra động cơ hơi nước, than đá được coi nguồn năng lượng chính ở các thế kỷ mười tám và mười chín Kể từ khi ô tô được phát minh và sử dụng điện trở nên phổ biến hơn, than đá vẫn còn được sử dụng ở những năm đầu thế kỷ

XX Từ 1920 - 1973, dầu hỏa là nguồn năng lượng chính phục vụ sự phát triển các ngành công nghiệp và giao thông vận tải, và giá dầu giảm dần trong thời gian này, dầu mỏ vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến những năm 1970 Hậu quả cuộc khủng hoảng dầu mỏ 1973-1979 đẩy giá dầu mỗi thùng từ 5 trở thành 45 đô la, và nó không còn là nguồn năng lượng ưu tiên và phổ biến nhất nữa [5] Sau đó, than đá và năng lượng hạt nhân trở thành nhiên liệu tạo ra nguồn phát điện năng Trong những năm

đó, những vấn đề về năng lượng và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng được quan tâm nhiều hơn trong những cuộc hội thảo Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch vẫn tiếp tục trong 30 năm qua, và sự đóng góp của những loại nhiên liệu đó cho sản xuất năng lượng tổng thể đã tăng lên Trong 3 năm sau đó, than đá đã trở thành nhiên liệu hóa thạch sử dụng nhiều nhất, vì nó có trữ lượng tồn lớn Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng tái tạo đã bắt đầu được quan tâm do sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, giá dầu tăng cao, và những lo ngại về biến đổi khí hậu liên quan đến lượng khí thải cacbon Do đó, chính phủ cần có sự hỗ trợ về phát triển, triển khai và thương mại hóa các nguồn năng lượng tái tạo đang ngày càng tăng lên Một hoạt động minh chứng cho nguồn năng lượng tái tạo được quan tâm đó là, vào tháng 3 năm 2007, các thành

gia của họ phải được sản xuất từ các nguồn tái tạo vào năm 2020 Đây cũng là một phần của các vấn đề môi trường như sự nóng lên toàn cầu và cần phải xây dựng năng lượng bền vững bằng cách giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch được nhập khẩu từ các quốc gia khác Mặc dù tiềm năng về cung cấp năng lượng tái tạo là rất lớn nhưng vẫn chưa thể thay thế những nguồn năng lượng cũ như trình bày

ở trên

Ở các nước phát triển như Đức và Nhật Bản, mức tiêu thụ bình quân theo đầu người là 6 kW / người và 11,4 kW / người ở Hoa Kỳ Bangladesh có mức tiêu thụ thấp với 0,2 kW/người, trong khi đó là khoảng 0,7 kW / người cho một nước đang phát triển như Ấn Độ 25% năng lượng của tổng thể thế giới được tiêu thụ bởi Hoa

Kỳ Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ mức tiêu thụ năng lượng tại Hoa Kỳ cũng phân bố cho 4 ngành tương tự như tiêu thụ năng lượng của thế giới, công nghiệp tiêu thụ năng lượng lớn nhất và chiếm 33% tổng năng lượng Vận tải đứng thứ 2, tiếp đến dành cho

hộ gia đình và thương mại - dịch vụ Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ cho hai lĩnh vực tiêu thụ năng lượng chính là công nghiệp, giao thông vận tải được thể hiện trong hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2 Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ cho lĩnh vực công nghiệp

Lọc dầu 48%

Luyện kim 14%

Dịch vụ khác 16%

Sản xuất hóa chất 22%

Công nghiệp:

Chiếm 33%

mức tiêu thụ năng lượng lớn cho chế tạo, sản xuất hàng hóa như hóa chất, sản xuất kim loại, giấy và xi măng

Hình 1.3 Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng của Hoa Kỳ cho lĩnh vực vận tải Nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới đang tăng lên nhanh chóng và đều đặn Năm 2007, nhu cầu điện năng của Hoa Kỳ là 783 GW vào mùa hè và 640 GW vào mùa đông Nó được dự báo bởi Tổng công ty Điện lực Độ tin cậy Bắc Mỹ (NERC) rằng nhu cầu điện năng của Hoa Kỳ sẽ tăng lên 925 GW vào mùa hè và 756

GW vào mùa đông năm 2017 [6] Một trong những hậu quả của nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng cao đó là những ảnh hưởng đến môi trường như sự nóng lên toàn cầu, bên cạnh đó sự canh tranh trong nguồn cung (xuất khẩu) cho các nước với trữ lượng nhiên liệu thấp ngày một giảm dẫn đến những cán cân chính trị Ngày nay, nhiều nhà nghiên cứu và chính trị gia kêu gọi hành động ngay lập tức cho các giải pháp năng lượng bền vững lâu dài Tất cả các chuyên gia đều đưa ra một quan điểm chung đó là trữ lượng dầu có thể cạn kiệt trong tương lai gần, và điều này sẽ dẫn đến việc giá dầu tăng mạnh [7] Nếu như không có một giải pháp mang tính lâu dài được phát triển trước khi giá dầu tăng lên đỉnh điểm, nền kinh tế thế giới có thể phải gánh chịu một cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng

Xăng6%

Dầu12%

Hàng không21%

Dịch vụ khác61%

Vận tải: Chiếm 28% trong tổng số tiêu thụ năng lượng, phục vụ trên đất liền, biển, hàng không để vận chuyển người và hàng hóa

thường có thể kéo dài lâu hơn, sự nóng lên toàn cầu có thể bị chậm lại và ô nhiễm môi trường có thể giảm [8]

1.1.2 Tình hình tiêu thụ năng lượng ở châu Á

Nhiên liệu hóa thạch, như: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên, là nguồn nguyên liệu chính tạo ra năng lượng trong hai thập kỷ qua Hiện nay thế giới vẫn còn lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến những mối lo ngại về nguồn cung trong tương lại, biến đổi khí hậu, ô nhiễm không khí và hiện tượng nhà kính do các nhiên liệu này thải ra [9] Ngoài ra, nồng độ CO2 trong khí quyển, một trong những khí nhà kính nhân tạo quan trọng nhất, đã tăng 87% so với thế kỷ trước [10] Theo đó, nồng độ khí

CO2 tăng sẽ dẫn đến nhiệt độ toàn cầu tăng lên, hậu quả những khu vực băng lâu năm

sẽ tan làm mở rộng đại dương đồng thời mực nước biển tăng Một hậu quả dễ dàng nhận thấy đó là hiện tượng thời tiết cực đoan như bão đang xảy ra với tần xuất ngày một tăng ở một số khu vực trên thế giới, trong khi một số khu vực lại đang phải trải qua trận hạn hán kéo dài Nhiệt độ khí quyển tăng lên, băng tan, nhiệt độ nước biển

ấm lên làm thay đổi hệ sinh thái của những sinh vật sống phụ thuộc vào đại dương điển hình là loài san hô ( sự kiện tẩy trắng san hồ) Những tác động này không chỉ ảnh hưởng đến san hô mà còn nhiều sinh vật sử dụng rạn san hô làm môi trường sống Bên canh đó, biến đổi khí hậu ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động con người (ví dụ: hoạt động của con người chịu trách nhiệm cho 97% xu hướng nóng lên của khí hậu trong thế kỷ qua; Biến đổi khí hậu toàn cầu, 2018)

Hình 1 4 Lượng khí CO2 thải ra năm 1965-2016

Số liệu thống kê được mô tả trong biểu đồ ở hình 1.4, lượng khí thải CO2 đã tăng 194,3% từ năm 1965 đến 2016, dựa trên tăng trưởng sản lượng CO2 từ 11357,8 triệu tấn trong năm 1965 và 33432,4 triệu tấn trong năm 2016, được chỉ ra trong hình 1.5a Lượng khí thải CO2 ở Trung Đông và châu Á Thái Bình Dương rõ ràng cao hơn

so với các châu lục khác Trung Đông và Châu Á Thái Bình Dương có mức tăng phần trăm lớn nhất là 1448,6% và 1026,7%, tương ứng Biểu đồ sản xuất CO2 từ năm 2014 đến năm 2017 hình 1.5b nêu bật thực tế rằng hơn một nửa lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới là do Trung Đông và khu vực Châu Á Thái Bình Dương gây ra

Hình 1 5 Lượng CO2 thải ra a) 1965 b) 2017

Việc phát triển các công nghệ năng lượng mới có thể hỗ trợ cho việc cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, các vấn đề về môi trường, an ninh cung cấp và tạo việc làm Trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu và phát triển quan trọng đã tập

Cộng đồng các Quốc gia Độc lập (CIS)

Trung ĐôngChâu Phi

Châu Á - Thái Bình Dương

Cộng đồng các Quốc gia Độc lập (CIS)

Trung ĐôngChâu PhiChâu Á - Thái Bình Dương

trung vào năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, gió, đại dương vv Điều này là do hai yếu tố liên quan: (1) tiềm năng năng lượng cao hơn của các nguồn lực này; và (2) cam kết của các quốc gia khác nhau để giảm phát thải CO2 Ngoài ra, một

số lĩnh vực sản xuất hoặc do các quốc gia đưa ra để tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo của họ đã bao gồm nguồn cung cấp năng lượng Nói chung, các ưu đãi đóng một vai trò cơ bản trong việc phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong các giai đoạn khai thác ban đầu của một nguồn năng lượng tái tạo cụ thể

Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo ở một số khu vực năm 2017 được thể hiện ở hình 1.6 Dựa vào biểu đồ, tổng tiêu thụ năng lượng tái tạo trên thế giới tương đương 486,8 triệu tấn dầu, trong khi Trung Đông và Châu Á Thái Bình Dương khoảng 176,5 MTOE, tức là gần một phần ba mức tiêu thụ năng lượng tái tạo của thế giới, tổng lượng khí CO2 ở hai khu vực này chiếm một phần hai của thế giới Mặc dù tiềm năng

về nguồn năng lượng tái tạo ở khu vực này lớn nhưng vẫn chưa được tận dụng triệt

để, lượng khí thải CO2 bình quân đầu người chỉ giảm khoảng 0,4% trong năm 2016 - mặc dù mức tiêu thụ năng lượng tái tạo hàng năm khoảng 42% và 28% cho khu vực Trung Đông và Châu Á Thái Bình Dương, tương ứng (Triển vọng năng lượng thế giới, 2017)

Hình 1 6 Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo theo khu vực vào năm 2017 Châu Á là lục địa rộng lớn, là khu vực chứa nhiều tiềm năng về năng lượng tái tạo Một trong những nguồn năng lượng tái tạo ở địa lục này đó là năng lượng sóng Với vị thế thuận lợi về địa lý, khí hậu, những bờ biển dài và diện tích rộng lớn của biển Nguồn năng lượng này là giải pháp hữu hiệu để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đo đó hạn chế lượng khí thải CO2

Nhu cầu năng lượng toàn cầu được dự đoán sẽ tăng 30% vào năm 2040, tương đương với việc thêm một Trung Quốc và Ấn Độ khác vào nhu cầu trên toàn thế giới hiện nay (Triển vọng năng lượng thế giới, 2017) Châu Á là nơi thải khí nhà kính nhiều nhất so với tất cả các khu vực lớn trên thế giới, trong khi nhu cầu năng lượng tiêu thụ của nó đang tăng lên với tốc độ đáng báo động, lớn hơn tốc độ bình quân toàn cầu rất nhiều Ngoài ra, một số nguyên nhân dẫn đến cần chuyển hướng san sử dụng năng lượng tái tạo bền vững đó là mức tăng trưởng kinh tế tăng cao, tăng hậu quả môi trường, mức độ điện khí hóa nông thôn thấp, và con người vẫn còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Châu Á có vị thế thuận lợi được bao quanh bởi Thái Bình Dương

ở phía đông, Ấn Độ Dương ở phía nam và Bắc Băng Dương ở phía bắc vói diện tích

biển rộng lớn - bao gồm vịnh Ba Tư, Biển Oman, Biển Galilee Andaman Sea, Biển Banda, Barents Sea Bering Sea, Biển Đen, Biển Caspian, Biển Chukchi, Biển Đông, Biển Đông Siberia, Biển Java, Biển Kara, Biển Laccadive, Biển Laptev, Biển Đỏ, Biển Nhật Bản, Biển Okhotsk, Nam Trung Quốc Biển và Biển Vàng – tiềm năng khai thác năng lượng sóng ở khu vực này là cực kỳ lớn Do đó, cần đó một đánh giá chi tiết để xác định tiềm năng cũng như khả năng khai thác nguồn năng lượng này ở châu

Á

Các phương pháp đánh giá tài nguyên sóng có sẵn bao gồm các mô hình mô phỏng số và phép đo đại dương (Dalton và cộng sự, 2016) Vì sau này rất tốn kém và không thể thực hiện được nếu không có dữ liệu phao sóng chi tiết từ một số địa điểm,

xu hướng ngày càng tăng là sử dụng các mô hình sóng số làm đánh giá đầu tiên (Lavidas và cộng sự, 2017) Do những tiến bộ đáng kể về điện toán, dự đoán công suất sóng trung bình hàng năm có thể được thực hiện thông qua các mô phỏng số (Folley, 2016) Cách tiếp cận này làm cho nó có thể kiểm tra các con sóng khác nhau

và thực hiện một số lượng lớn các thử nghiệm với chi phí thấp hơn so với các phép

đo diện tích mẫu rộng (Lopez và cộng sự, 2014) Dữ liệu sóng thu được thông qua các mô hình số cung cấp một cơ hội để ánh xạ tốt hơn đánh giá năng lượng sóng, cung cấp thông tin chi tiết về khả năng dao động cho quy mô khu vực và địa phương

và đưa ra ước tính về năng lượng sóng để thiết kế và sử dụng các bộ chuyển đổi năng lượng sóng thích hợp (WEC) Besio và cộng sự, 2016; Carballo và cộng sự, 2015; Contestabile và cộng sự, 2016; Lopez và cộng sự, 2015a, 2015b; Vicinanza và cộng

bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển rất mạnh trong nhiều ngày liên tiếp Trong những ngày có gió mùa đông bắc, sóng biển ở các tỉnh ven biển miền Trung cũng lớn Trong những ngày có gió tây nam, sóng biển trên vịnh Thái Lan ở các tỉnh Kiên Giang, Cà Mau cũng lớn Nước ta cũng có nhiều hải đảo Quanh đảo là biển, vì vậy năng lượng của sóng biển ở ven bờ biển nước ta là rất lớn Do đó việc chuyển hóa năng lượng của sóng thành năng lượng điện vừa khai thác được tiềm năng, vừa góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện hiện nay và tương lai 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, mức độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường không cao Hoặc nói một cách đơn giản: trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù người ta đều biết hiệu suất chuyển hóa thành điện của nguồn năng lượng này là cao nhất Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn chưa đạt được thành công 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 thành năng lượng điện nhờ các bộ chuyển đổi năng lượng

1.1.3 Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng

Bộ hấp thụ năng lượng sóng, tuabin, máy phát điện và giao diện điện tử là các thành phần chính của kỹ thuật thu năng lượng sóng biển Động năng của sóng biển bị bắt bởi thiết bị hấp thụ Động năng hấp thụ của sóng được truyền đến tua bin hoặc bộ hấp thụ trực tiếp dẫn động máy phát Trục của máy phát điện được điều khiển bởi tuabin Tuabin được sử dụng chung trong các hệ thống bao gồm máy phát quay Máy phát điện chuyển động tuyến tính được sử dụng trong các hệ thống không có tuabin,

có thể được điều khiển trực tiếp bằng bộ phận hấp thụ hoặc chuyển động của thiết bị

Trong hình 1.7, sơ đồ mức hệ thống của công nghệ thu năng lượng sóng biển được trình bày Tại một trạm biến áp trong nước, các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng (bao gồm bộ hấp thụ, tuabin và máy phát) được kết nối với nhau Trạm biến áp bao gồm các thiết bị kết nối và bộ điều khiển cho các thiết bị độc lập Các đầu ra của các máy phát điện được kết nối với một xe buýt DC chung bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi DC / AC để chuyển đổi nguồn trước khi truyền đến bờ Một đường truyền kết nối cụm đến bờ Biến tần trên mặt đất chuyển đổi điện áp dc thành điện áp xoay chiều 50 hoặc 60 Hz cho kết nối lưới Một biến áp bờ tùy chọn với bộ đổi ga hoặc bộ chuyển đổi dc / dc kết hợp các biến thể điện áp Một nhóm hấp thụ, tuabin và máy phát điện có thể được sử dụng trong một cấu trúc trang trại; do đó, năng lượng được bảo đảm có thể tăng lên

Hình 1 7 Sơ đồ mức hệ thống của công nghệ thu năng lượng sóng biển Nhìn chung, công nghệ thu năng lượng sóng biển có thể được phân thành hai loại đối với khoảng cách từ bờ biển: công nghệ thu năng lượng sóng biển xa bờ và công nghệ thu năng lượng sóng biển gần bờ

Các ứng dụng ngoài khơi nằm cách xa bờ, và chúng thường sử dụng thân nổi như bộ hấp thụ sóng và một cơ thể khác được cố định vào đáy đại dương Nói chung, máy tạo màng với phao được sử dụng trong các ứng dụng ngoài khơi Máy phát điện tuyến tính được điều khiển trực tiếp bởi sự chuyển động của một cơ thể trôi nổi trên đại dương Salter cam và phao với tuabin không khí là các ứng dụng duy nhất liên quan đến các máy phát quay trong các ứng dụng ngoài khơi

 Turbines không khí dựa trên công nghệ Off-Shore

Trong các hệ thống tuabin điều khiển bằng không khí cho các ứng dụng ngoài khơi, chuyển đổi chính là từ sóng tới không khí áp suất Giai đoạn chuyển đổi thứ cấp

là chuyển đổi sang năng lượng cơ học bằng cách quay trục của tuabin Giai đoạn cuối cùng là chuyển đổi cơ thành điện năng bằng máy phát điện Nguyên tắc hoạt động của một ứng dụng ngoài khơi bao gồm phao nổi với buồng khí và máy phát điện bằng không khí được thể hiện trong hình 1.8 Trong hệ thống này, mực nước bên trong kênh của phao tăng lên khi sóng đánh vào phao Sự gia tăng mực nước này áp dụng một áp lực cho không khí trong buồng khí Khi không khí được điều áp, nó sẽ tác động lực lên tuabin của máy thở và xoay nó Tuabin này điều khiển máy phát điện và điện được tạo ra tại các đầu ra của máy phát điện này Khi sóng được kéo trở lại đại dương, không khí trong buồng khí cũng được kéo trở lại vì mực nước trong kênh phao giảm Do hiệu ứng ống tiêm, thời gian này, trục tua bin quay theo hướng ngược lại nhưng tạo ra điện Nên có cách điện cơ học rất tốt thông qua buồng khí và máy phát điện thông gió để đạt hiệu quả cao hơn Tuy nhiên, điều này mang lại sự phức tạp về thiết kế và chi phí bổ sung cho hệ thống

Hình 1 8 Nguyên tắc hoạt động của một ứng dụng ngoài khơi

Trong phương pháp khác, mực nước tăng lên, và không khí được lấy ra từ các cửa hàng trên trong khi quay các tuabin như trong hình 1.9A Ngược lại, khi sóng được kéo trở lại biển, mực nước giảm Điều này dẫn đến hút không khí trở lại từ các cửa hút gió trên trong khi quay các tua-bin, như trong hình 1.9B

Hình 1 9 Nguyên tắc hoạt động của một ứng dụng (quay tuabin) ngoài khơi

 Các ứng dụng phao dựa trên máy phát điện nam châm trực tiếp

Sự khác biệt về chiều cao của đỉnh sóng và mức đáy tạo ra một chuyển động lên xuống cho piston là transaxle của bộ tạo tuyến tính Khi sóng trôi nổi trên bề mặt đại dương, phao theo sau chuyển động của sóng Phao có thể di chuyển theo chiều dọc trên một cột, được nối với thân tàu Trên bề mặt thân tàu, các PM được gắn, trong khi bên ngoài thân tàu có cuộn dây cuộn Trụ cột và stator được kết nối với nhau trên một nền tảng tập trung đứng trên đáy biển của đại dương Các hull và gắn nam châm, được gọi là rotor hoặc piston, là các bộ phận chuyển động của máy phát điện Kể từ khi chuyển động là tuyến tính, máy phát điện này được gọi là một máy phát điện tuyến tính

Trong hình 1.10, bộ tạo tuyến tính trong phao nổi và cột cố định được hiển thị

Hình 1 10 Bộ tạo tuyến tính trong phao nổi và cột cố định Khi sóng tăng lên, phao sẽ đẩy piston máy phát điện qua một sợi dây cứng Khi sóng giảm xuống, máy phát sẽ được điều khiển bởi lò xo lưu trữ năng lượng cơ học trong trường hợp đầu tiên Do đó, thế hệ điện được cung cấp trong cả chuyển động lên và xuống Do sự tồn tại của tần số thay đổi trong dòng điện và điện áp từ stato, một bộ chỉnh lưu ac / dc được cấp bởi bộ chuyển đổi dc / ac được yêu cầu để làm cho kết nối lưới có thể xảy ra Thay vì đặt các bộ phận chuyển động vào đáy đại dương, các PM và cuộn dây stato có thể được đặt ở mực nước biển Hình 1.11 cho thấy mặt phẳng x-y của mặt cắt ngang của một cực của máy phát PM tuyến tính được gắn bề mặt theo chiều dọc

Hình 1 11 Mặt cắt ngang của một cực của máy phát PM tuyến tính được gắn

bề mặt theo chiều dọc

 Phương pháp Salter Cam

Thực hiện phương pháp salter cam được thể hiện trong hình 1.12 Salter cam cuộn xung quanh một hình trụ bên trong cố định bằng cách kích hoạt sóng đến Thông qua việc xoay vi phân giữa xi lanh và cam, có thể chụp được nguồn điện Chuyển động của cam được chuyển đổi từ sóng thành chất lỏng thủy lực Sau đó, động cơ thủy lực được sử dụng để chuyển đổi chất lỏng thủy lực chịu áp lực thành năng lượng

cơ học quay Cuối cùng, năng lượng cơ học quay được chuyển thành điện bằng cách

sử dụng máy phát điện Bánh đà hoặc chất lỏng áp suất có thể được sử dụng như một bước trung gian để giảm sự gián đoạn của công suất sóng

 Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng xa bờ:

Ưu điểm:

- Các dạng biến đổi trực tiếp có nguyên lý hoạt động đơn giản dễ chế tạo, hiệu suất chuyển đổi khá cao, nhưng thường có công suất nhỏ

- Các dạng biến đổi dạng gián tiếp tuy có hiệu suất nhỏ hơn dạng trực tiếp nhưng

có công suất lớn hơn nhiều và nguồn điện tạo ra ổn định hơn và có khả năng điều chỉnh

- Có thể cung cấp điện cho các thiết bị xa bờ như: giàn khoan dầu, ngọn hải đăng, các đèn bào lưu thông trên biển,…

Khuyết điểm:

- Việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sữa chửagặp nhiều khó khăn

- Ảnh hưởng nhiều tới giao thông đường biển

- Tổn hao và chi phí truyền tải phân phối vào bờ là rất lớn, tiềm ẩn nguy cơ rò điện qua cáp truyền tải ảnh hưởng đến môi trường biển, các sinh vật biển và kể cả con người

b Công nghệ thu năng lượng sóng biển gần bờ:

Các cấu trúc liên kết gần bờ được áp dụng trong vùng lướt sóng của đại dương hoặc ngay trên bờ Các ứng dụng gần bờ có một số ưu điểm và nhược điểm so với các ứng dụng ngoài khơi

Hình 1 12 Phương pháp Salter Cam Kênh / hồ chứa / tuabin dựa trên phương pháp thu năng lượng sóng gần bờ Dòng sóng có thể được giảm dần thành một kênh hẹp để tăng sức mạnh và kích thước của chúng nhằm khai thác năng lượng sóng Như được biểu diễn trong hình 1.13, sóng có thể được chuyển vào một lưu vực đánh bắt và được sử dụng trực tiếp

để xoay các tuabin Vì phương pháp này đòi hỏi phải xây dựng một hồ chứa để thu nước đến với sóng để điều khiển tuabin, nó đắt hơn so với các ứng dụng ngoài khơi hình phao khác Tuy nhiên, nó đòi hỏi bảo trì ít hơn so với các ứng dụng ngoài khơi,

vì tất cả các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng đều nằm trên đất liền Ngoài ra, kể từ khi một hồ chứa thu thập nước biển, các liên tục có thể được loại

bỏ Điều này sẽ tạo ra một nền tảng thuận tiện cho việc điều chỉnh điện áp và tần số Xây dựng các loại cây này tại các địa điểm, nơi chúng có chế độ sóng thường xuyên

và duy trì, thuận lợi hơn

Hình 1 13 Phương pháp thu năng lượng sóng gần bờ Tua bin không khí dựa trên phương pháp thu năng lượng sóng gần bờ Việc sử dụng các cột nước dao động (OWC) tạo ra điện từ sự tăng và giảm sóng của sóng trong một trục hoặc ống hình trụ là một cách khác để khai thác năng lượng sóng Không khí được đưa vào và ra khỏi đỉnh của trục do nước tăng và rơi, tạo ra một tuabin điều khiển bằng không khí được thể hiện trong hình

Hình 1 14 Tuabin không khí gần bờ Cấu trúc chung của tuabin không khí gần bờ được thể hiện trong hình 1.14A Sóng đẩy không khí qua máy thở điều khiển máy điện như hình 1.14B Sóng rút ra từ buồng sóng bên trong kênh làm giảm áp suất như trong hình 1.14C Phương pháp này

là thuận lợi vì khả năng sử dụng không chỉ sức mạnh sóng mà còn là sức mạnh từ các

chuyển động thủy triều Tuy nhiên, cách ly cơ học nên được cung cấp trong phòng sóng và không khí để đạt được hiệu suất tốt hơn Điều này cũng sẽ mang lại một số chi phí và thiết kế phức tạp cho hệ thống

Giao diện điện tử điện cho các ứng dụng thu hoạch năng lượng đại dương

Cả trong các ứng dụng thu năng lượng sóng biển và đại dương, các máy phát điện có thể tạo ra các dòng điện và điện áp xen kẽ có độ lớn và tần suất khác nhau Do đó, công suất đầu ra của các bộ chuyển đổi năng lượng đại dương cần được điều chỉnh thêm trước khi kết nối lưới điện Ngoài ra, tần số của điện áp đầu ra phải được điều chỉnh để giống với tần số lưới Điều chỉnh công suất đầu ra, biên độ, pha và tần số của hệ thống chuyển đổi có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi điện tử công suất

Sơ đồ khối của hệ thống điều hòa công suất điển hình cho hệ thống chuyển đổi năng lượng đại dương được nối lưới được thể hiện trong hình 1.15 Sóng biển hoặc tiềm năng thủy triều đại dương và động lực quay tua bin nước, hoặc bộ hấp thụ điện trực tiếp điều khiển một bộ tạo tuyến tính với các chuyển động lên xuống Sóng và thủy triều khác nhau dẫn đến tần số và biên độ biến đổi của đầu ra máy phát Công suất ac được tạo ra bởi bộ tạo được chuyển đổi thành điện dc thông qua bộ chỉnh lưu cầu ba pha, tiếp theo là bộ biến tần DC/AC Đầu ra của biến tần DC/AC thường chứa sóng hài, nên được lọc Cuối cùng, công suất đầu ra có thể được kết nối với lưới điện

và truyền cho người tiêu dùng sau khi điện áp của nó được tăng lên và bị cô lập bởi một máy biến áp điện Trong thời gian liên tục, không thể tạo ra nguồn Do đó, một

hệ thống lưu trữ năng lượng phải được kết nối với đầu ra máy phát hoặc đầu ra của một giai đoạn chuyển đổi trong hệ thống điều hòa điện Năng lượng được lưu trữ có thể được cung cấp cho lưới điện trong các khoảng thời gian gián đoạn Do đó, nó được đảm bảo rằng sức mạnh liên tục được cung cấp cho lưới điện

Hình 1 15 Sơ đồ khối của hệ thống điều hòa công suất điển hình cho hệ thống

chuyển đổi năng lượng đại dương được nối lưới

 Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng gần bờ:

Ưu điểm:

- Các thiết bị biến đổi sóng gần bờ có nhiều ưu điểm hơn rất nhiều so với các thiết bị thu sóng xa bờ

- Trạm phát điện thường được đặt trên bờ và có công suất rất lớn

- Thường sữ dụng cơ chế biến đổi gián tiếp nên điện áp ra có thể điều chỉnh và có độ ổn định cao

- Thuận tiện cho việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sửa chữa

- Chi phí truyền tải từ trạm phát điện đến trạm phân phối và nơi tiêu thụ thấp

Khuyết điểm:

- Chi phí đầu tư cao

- Các trạm biến đổi có kích thước rất lớn nên ảnh hưởng nhiều đến cảnh quan, diện tích và môi trường bờ biển

1.1.4 Ứng dụng Savonius Rotor trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng Gần đây, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng Savonius rotor trong việc chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng do kết cấu đơn giản của Savonius rotor cũng như dễ chế tạo, nhỏ gọn và chi phí sản xuất ít và đặc biệt là khả năng sản xuất năng lượng gấp 4 lần đối với hệ thống sử dụng savonius chuyển đổi năng lượng gió với cùng kích thước của rotor

Hình dạng cơ bản của Savonius rotor là loại 'S', có một khoảng chồng chéo nhau giữa hai cánh có biên dạng nữa hình tròn Cánh quạt Savonius có kết cấu rất đơn giản chi phí và tiếng ồn thấp Nó có khả năng hấp thụ năng lượng sóng từ mọi hướng với đặc điểm khởi động tốt

Nguyên tắc làm việc của Savonius rotor dựa trên độ chênh lệch lực kéo giữa phần lõm và lồi của cánh quạt khi chúng xoay quanh trục Hệ số kéo cho bề mặt lõm

là lớn hơn bề mặt lồi Vì vậy, cánh tiến với mặt lõm mặt đối mặt với nước sẽ trải nghiệm lực kéo nhiều hơn cánh quay trở lại Tua-bin thủy lực Savonius được tạo thành từ hai cánh có hình dạng nửa hình trụ tròn được thể hiện ở hình hình 1.16 Trong hình 1.16, chiều cao của rotor được biểu thị bằng ‘H’ và đường kính được ký hiệu là ‘D’ Tỷ lệ giữa chiều cao rotor (H) và đường kính rotor (D) được gọi là tỷ lệ khung hình Một thông số khác ảnh hưởng đến hiệu suất của rôto Savonius là tỷ lệ chồng chéo (G) được biểu thị bằng G = ¼ e/d, trong đó e là khoảng chồng chéo và d

là đường kính cánh Cánh tiên tiến tạo lực kéo từ nhiều hướng trong khi cánh quay trở lại phát triển lực quay trở lại từ hướng đối diện ra ngoài qua khe hở (chồng chéo) dẫn đến một cặp lực đôi có thể tạo ra mô-men xoắn và công suất Tua-bin thủy lực Savonius có rất nhiều điểm tương đồng với hệ thống cánh quạt gió của Sa-vonius về các nguyên lý vật lý của sự khai thác để khai thác năng lượng tối ưu Nhưng vì nước

có độ dày gấp 835 lần so với không khí, do đó các tuabin thủy điện Savonius trích xuất đủ năng lượng ngay cả ở tốc độ thấp Các tuabin thủy điện Savonius có thể được lắp đặt với tốc độ nước từ 0,5 m / s trở lên Để cải thiện hiệu suất của tuabin Savonius, nhiều nghiên cứu thực nghiệm, lý thuyết và số trên rôto Savonius đã được thực hiện

tấm chắn, khung hình chữ V, sắp xếp rèm vv được định vị với tuabin thủy động Savonius để cải thiện hiệu suất Kết quả được công bố của các nhà nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra rằng hiệu suất rotor của Savonius cũng bị ảnh hưởng bởi các thông số vận hành, các tham số hình học và thông số

Hình 1 16 Savonius rotor Tua-bin thủy lực Savonius tương tự biên dạng hình học của rotor gió Savonius;

do đó, các thông số thiết kế hoặc hình học tức là các tấm kết thúc, tỷ lệ khung hình,

tỷ lệ khe, tỷ lệ chồng chéo, số lượng các cánh, , vv… là các thông số chính ảnh hưởng

đến hiệu suất của tuabin thủy lực Savonius Để nâng cao hiệu suất của rotor, các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa các thông số thiết kế này bằng phương pháp số hoặc thực nghiệm

 Nhận xét:

Mặc dù đã được quan tâm và nghiên cứu từ vài thập niên gần đây nhưng phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện thông qua bộ PTO sử dụng Savonius rotor ngày càng thể hiện được nhiều ứng dụng với ưu thế cao hơn so với các bộ PTO khác về chi phí, hiệu suất năng lượng

Phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện thông qua bộ PTO sử dụng Savonius rotor vẫn còn khá mới, cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu, nhưng thực nghiệm khảo sát, đánh giá cụ thể hơn để chứng minh phương pháp này có tính ứng dụng cao và xây dựng cơ sở dữ liệu, đóng góp những thống số công nghệ phù hợp

Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện thông qua bộ PTO sử dụng Savonius rotor hầu như chưa được quan tâm Với những lợi ích về môi trường, kinh tế và ý nghĩa khoa học

mà phương pháp này mang lại tác giả nhận thấy cần thiết khi nghiên cứu cụ thể hơn

về ảnh hưởng của các nhân tố khi tối ưu về vị trí tấm định dòng lên hiệu suất năng lượng thu được

1.2 Mục tiêu của đề tài

Cánh quạt Savonius rất đơn giản trong thiết kế và xây dựng, nhưng vẫn không phổ biến như so sánh với tuabin nước trục ngang do hiệu suất kém

Mục tiêu đặt ra là:

- Nghiên cứu về biên dạng hình học của Savonius rotor trục ngang;

- Xây dựng mô hình hệ thống PTO dùng Savonius có thể vận hành chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện trong thực tế;

- Đưa ra bộ thông số tối ưu của tấm định dòng nhằm làm tăng hệ số thu hồi năng lượng;

- Xem xét ảnh hưởng của biên dạng hình học Savonius Rotor và tấm định dòng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng

1.3 Lợi ích và tính cấp thiết của đề tài

Mặc dù là quốc gia giàu tiềm năng về năng lượng tái tạo (NLTT) và lượng điện năng cung cấp cho quốc gia ngày càng thiếu hụt nhưng cho đến nay việc đầu tư cho phát triển, khai thác NLTT ở Việt Nam vẫn chưa tương xứng với tiềm năng và thế mạnh sẵn có

Ở nước ta, NLTT dạng năng lượng thủy điện cũng đang rất được quan tâm.Với đặc trưng địa lý, nhu cầu sử dụng điện càng ngày càng cao cho các thiết bị trên biển, hải đảo các vùng nông thôn xa lưới điện và xu thế sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị sử dụng năng lượng điện chuyển đổi từ năng lượng sóng là cần thiết và có ý nghiã cả về mặt khoa học và thực tiễn

1.4 Ý nghĩa khoa học của luận văn

Nghiên cứu và ứng dụng thành công biên dạng hình học của Savonius Rotor trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện Xác định ảnh hưởng của tấm định dòng đến hiệu suất chuyển đổi và đưa ra được kích thước và vị trí hợp lý của tấm định dòng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng (PTO)

Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học cho việc làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng bằng savonius rotor 1.5 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Với bờ biển dài hơn 3000km cùng hệ thống sông ngòi phân bố chằng chịt của nước ta, việc ứng dụng hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng bằng savonius là rất khả thi do chi phí chế tạo, vận hành của hệ thống này là thấp hơn nhiều so với các hệ thống chuyển đổi năng lượng khác, mà kết quả mang lại rất khả quan, giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng điện, nhất là vùng sâu, vùng sa, biên giới, hải đảo

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN

Mục đích của chương này là trình bày cơ sở lý thuyết và các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của Savonius Rotor, từ đó làm cơ sở cho việc cải tiến biên dạng hình học của Savonius

2.1 Savonius rotor và các thông số cơ bản

2.1.1 Nguyên lý làm việc của Savonius rotor

Savonius rotor là một thiết bị trục thẳng đứng đơn giản có hai cánh với hình dạng là 2 nửa hình trụ được gắn đối diện nhau như hình 2.1 Khi nước tác dụng vào kết cấu của rotor và tiếp xúc bề mặt đối diện (một lồi và phần kia lõm), hai lực khác nhau được tác dụng lên hai bề mặt đó (kéo và nâng) Nguyên lý hoạt động cơ bản dựa trên sự khác biệt của lực kéo giữa phần lồi và phần lõm của cánh quạt khi chúng quay quanh trục thẳng đứng Do đó, lực kéo là lực truyền động chính của Savonius rotor

Hình 2 1 Savonius rotor

Ưu điểm:

- Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, chi phí thấp