Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng điện ứng dựng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển việt nam tt

Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu của luận án nhằm đóng góp cho chuyên ngành cơ sở lý luận tính toán năng lượng sóng biển, xây dựng cơ sở dữ liệu về các khu vực có tiềm năng năng lượng sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHÙNG VĂN NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG - ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG SÓNG

TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử

dụng năng lượng (NL) cũng ngày càng cao Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn và đang cạn kiệt nhanh chóng Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang hướng đến những nguồn năng lượng mới, tái tạo, trong đó có năng lượng sóng biển (NLSB) Từ vài năm nay, giá dầu mỏ tăng và triển vọng các nguồn năng lượng cổ truyền bị cạn kiệt đã tạo ra một đà tiến mới cho các dự án khai thác năng lượng biển Năng lượng biển có hai đặc tính đáng chú ý, thu hút các chuyên gia nghiên cứu khai thác nó, đó là khả năng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường Có nghĩa là, đây là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt và là nguồn năng lượng sạch Tuy nhiên cũng có những dự án đã được thực hiện dẫn tới việc khai thác có lợi nguồn năng lượng này

2 Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu của luận án nhằm đóng góp cho chuyên

ngành cơ sở lý luận tính toán năng lượng sóng biển, xây dựng cơ sở dữ liệu về các khu vực có tiềm năng năng lượng sóng biển tại Việt Nam, Nghiên cứu về lý thuyết tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được

nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác

nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển ứng vời từng mức NLSB của vùng biển khác nhau phù hợp với đặc điểm sóng tại Việt Nam (VN)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là

năng lượng sóng biển và các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới dạng chuyển động tịnh tiến Luận án

đề cập đến các dạng năng lượng của sóng biển tại vùng biển Việt Nam Trên cơ

sở nghiên cứu tiềm năng năng lượng sóng biển luận án nghiên cứu tính chọn vùng biển đảo Nam Trung Bộ Thiết bị thiết kế và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và thử nghiệm tại biển Thanh Hóa

4 Ý nghĩa của luận án: Luận án nghiên cứu ý nghĩa to lớn về mặt lý thuyết và

thực tiễn Kết quả của luận án nhằm nâng cao chât lượng nghiên cứu và những hiểu biết về các đặc trưng kỹ thuật về năng lượng sóng biển Viêt Nam, phát triển các phương pháp tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

- Nghiên cứu xác định các khu vực của vùng biển có tiềm năng vê năng lượng sóng biển, nghiên cứu các dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển phù hợp với điều kiện Việt Nam

- Xây dựng phương trình tương tác giữa phao nổi và sóng biển từ đó tính tón thiết kế các thông số hình học của thiết bị chuyển đổi NLSB

- Nghiên cứu thí nghiệm nguyên lý làm việc của thiết bị nhằm minh chứng cho các tính toán lý thuyết nêu trong luận án

5 Những điểm mới của luận án:

+ Luận án đã tổng hợp thông tin về tiềm năng NLSB tại việt nam đồng thời phân tích các nguyên lý làm việc thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

để làm định hướng cho lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển áp

dụng vào khai thác tại Việt Nam Đồng thời thiết lập hệ phương trình (3.13) mô

tả chuyển động giữa thiết bị chuyển đổi và sóng biển

+ Thiết kế và chế tạo được một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng – điện dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 50W, sử dụng nam châm không lõi sắt lần đầu tiên được nghiên cứu tại Việt Nam Thiết bị không cố định dưới đáy biển mà dùng giải pháp hai phao chuyển động chậm pha nhau

+ Luận án đã đề xuất thiết kế và khảo sát các thông số của thiết bị chuyển đổi năng lượng dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 5kW, làm cơ sở cho các nghiên cứu để mở rộng phát triển hướng nghiên cứu trong lĩnh vực khai thác năng lượng sóng biển còn non trẻ tại Việt Nam

6 Cấu trúc luận án: Luận án gồm 110 trang, và các phần phụ lục, kết cấu luận

án gồm phần mở đầu, 4 chương nghiên cứu cơ bản về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển, kết luận và kiến nghị, danh mục công trình công bố và tài liệu tham khảo ngoài ra c n có 25 trang phụ lục gồm 6 phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nguồn năng lượng từ biển

Năng lượng tái tạo (NLTT) là xu thế phát triển mang tính toàn cầu thế giới

từ những năm 70, thế kỷ XX một cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến cho

cả nhân loại lo lắng về sự thiếu hụt các nguồn nhiên liệu Theo dự báo, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong v ng 50 năm tới so với năm 1995 sẽ tăng từ 50% đến 250% (nếu tăng trưởng kinh tế cao)

3

1.2.1 Các đặc trƣng của sóng biển

Hình 1.2 Các thông số cơ bản của sóng biển

Các thông số cơ bản của sóng:

Dạng sóng biểu thị hình dạng của mặt nước khi có sóng Trên thực tế, phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau (ví dụ vùng nước sâu, nước nông, vùng gió thổi, ) sóng sẽ có các dạng khác nhau và tính chất sóng cũng có thể khác nhau (sóng điều hoà và không điều hoà)

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 (vùng gia tăng chiều cao sóng (wave height increases))[38] 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

1.2.3 Đặc trƣng năng lƣợng sóng biển

Năng lượng sóng thể hiện ở hai dạng là thế năng của hạt nước trên mặt

sóng so với mặt nước tĩnh và động năng khi hạt nước chuyển động ở dạng

sóng

Hình 1.5 Các dạng năng lượng đặc trưng của sóng biển [1]

Phương trình chuyển động của nước trên mặt sóng có dạng:

Khi chuyển động, một phân tố nước có bề dài dx trong một đơn vị chiều

rộng sóng phía trên mặt nước tĩnh có khối lượng bằng:dm   dx

Hình 1.6 Chuyển động của sóng tịnh tiến [5]

Thế năng chứa trong một bước sóng trong một đơn vị bề rộng xác định bằng

4 2

2

2

0 2

2

4)

(2

a

a z x

ga dxdz v v

E (1.6)

5

Hình 1.7 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng

theo đơn vị độ dài Biểu thức biến thiên thế năng thu được khi tích phân (3) từ -1/2 đến 1/2 (m)

như phương trình (6) Biến thiên thế năng của 1m2 mặt sóng như trên hình 1.8

k

t k k t k g

p

8

))2sin(

2)2(sin(



 (1.7)

Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng

theo đơn vị diện tích

Từ kết quả trên đồ thị, có thể nhận thấy rằng gần 80% động năng sóng (2000J) nằm ở độ sâu từ 0 đến 10m và khoảng 56% (1400J) nằm ở độ sâu từ 0-5m Đối với thế năng thì toàn bộ nằm ở vị trí 1m

1.3 Tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam

Việt nam có hơn 3260 km bờ biến kéo dài từ Bắc tới Nam cho nên rất có tiềm năng về năng lượng sóng biển, qua một số kết quả nghiên cứu đo đạc số liệu sóng có thể thấy rằng khu vực Nam Trung Bộ có mức năng lượng lớn và sóng có chiều cao từ 1,2 – 2m tương đối đều chiếm từ 60% - 75% thời gian trong 1 năm

Hình 1.11 Bản đồ phân vùng năng lượng sóng biển của Việt nam [1]

Theo các kết quả nghiên cứu của [6] nước ta vùng có tiềm năng nhất là vùng biển Nam trung bộ Những vùng còn lại có tiềm năng ở mức trung bình Biểu đồ biến thiên thông lượng năng lượng sóng của các điểm này theo từng

tháng thể hiện trên hình 1.12, trung bình năm thể hiện trên hình 1.13

g 2Vùn

g 3

Hình 1.12 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

1.4.1 Sơ lƣợc một số nguyên lý và thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng

Từ những tìm hiểu, nghiên cứu tổng quan ở trên, các thiết bị có thể được thống kê theo các nguyên lý như trong sơ đồ của hình 1.12 [30]

Hình 1.24 Đồ thị biểu thị tốc độ phát triển điện sóng và gió

1.4.3 Thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng xa bờ gián tiếp

+ Thiết bị rắn Pelamis:

Là thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng công suất lớn và được đặt cách xa

bờ, mỗi thiết bị Pelamis có 3 bộ chuyển đổi có công suất khoảng 750kW

Hình 1.27 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pelamis [19]

1.4.4 Các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng gần bờ

Trạm biến đổi năng OWC (Oscillating Water Column):

Cấu tạo của trạm OWC được (miêu tả ở hình 1.35) bao gồm: buồng chứa

không khí nén(3), van xả an toàn(4), van điều chỉnh(5), van tác động nhanh (6), cánh quạt tuabin (7), máy phát không đồng bộ

Hình 1.35 Hệ thống kênh hẹp nhìn từ trên xuống [48]

1.5 Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng trong nước

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu các thiết bị thu năng lượng sóng mới ở giai đoạn sơ khai, tuy đã có các nghiên cứu sơ bộ và đã có được một vài tài liệu về mật độ của các dạng năng lượng biển chủ yếu: bức xạ mặt trời vùng biển, gió biển, sóng biển và thủy triều mà chưa có những thiết bị ứng dụng cụ thể phát điện trên biển

Hình 1.36 Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển [10]

Qua những kết quả nghiên cứu của Viện nghiên cứu Cơ Khí đã tiến hành chế tạo thử nghiệm thiết bị với thông số: - Chiều dài phao L = 14m;

9

1.6 Kết luận chương 1

Qua phân tích vấn đề tổng quan tình hình nghiên cứu về tiềm năng lượng sóng biển và quá trình nghiên cứu phát triển các thiết bị chuyển đổi năng lượng trên thế giới và Việt nam cho thấy:

+ Nguồn năng lượng sóng biển trên thế giới và Việt nam vô cùng dồi dào, đây là một trong các hướng đi để phát triển khai thác nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai

+ Đánh giá tổng kết các ưu nhược điểm của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu trên thế giới, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu của các trung tâm lớn chưa đưa vào phát triển thương mại đại trà, các kết quả nghiên cứu tại Việt Nam còn hết sức đơn sơ chưa có công nghệ và lối đi riêng nào để phát triển thiết bị

+ Đã tập trung định hướng đối tượng nghiên cứu là thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp

Chương 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI

NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 2.1 Đặc trưng cơ bản về năng lượng sóng Việt Nam

2.1.1 Cơ sở tính toán dòng năng lượng sóng biển

Năng lượng sóng bao gồm động năng - năng lượng của hạt nước tham gia chuyển động sóng (Ed) và thế năng - năng lượng của hạt nước khi có sóng được nâng cao hơn so với mục nước biển lặng sóng (Et)

Đối với lý thuyết sóng biên độ nhỏ, ta có [2]:

(2.2) với  là mật độ nước, g gia tốc trọng trường, h độ cao sóng,  - độ dài sóng

2.2 Các đặc trưng cơ bản vùng nghiên cứu phát triển thiết bị

Đối với nhu cầu năng lượng điện trên đất liền, do Việt Nam đã có lưới điện quốc gia, nên việc phát triển nguồn điện để cung cấp lên lưới điện quốc gia chưa cần tính tới vị trí của các nguồn điện từ song biển Ý nghĩa về vị trí các đảo mà nguồn điện lưới không cung cấp được có vai tr quan trọng hơn trong phát triển nguồn năng lượng sóng Trên các vùng biển biển Việt Nam hiện nay

có nhiều đảo có vị trí chiến lược với cư dân sinh sống là rất lớn Trong đó, tại các khu vực có tiềm năng năng lượng sóng ở khu vực Nam trung bộ gồm: Hòn

Chảo, Quần đảo Trường Sa, Quần đảo Hoàng Sa…

2.3 Cơ sở tính toán tương tác sóng biển với công trình nổi

Một số nghiên cứu đã tính toán tương tác giữa sóng biển và công trình nổi trên biển nhằm xác định các lực tương tác của sóng biển với công trình Để xác định mức độ tương tác người ta giả thiết môi trường nước biển là chất lỏng lý tưởng không nhớt, không nén được và đồng nhất, chuyển động của chất lỏng là chuyển động không xoáy

Khi đó hàm thế vận tốc sóng tổng cộng của chất lỏng xung quanh phao nổi được xác định như sau:

E  

0( , , , ) x y z t I( , , , ) x y z t D( , , , ) x y z t  ( , , , ) x y z t

2.4 Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đều có 4 bộ phận chính với các tính năng khác nhau như sau:

+ Một bộ phận ổn định với chuyển động tương đối của sóng biển

+ Một bộ phận chịu tác động của sóng, nó được nối với bộ phận ổn định qua

bộ phận thu năng lượng sóng Bộ phận chịu tác động của sóng phải có khả năng chuyển động cùng với chuyển động của sóng và bị ràng buộc với bộ phận thu năng lượng sóng

+ Bộ phận thu năng lượng sóng chuyển đổi năng lượng thu được từ bộ phận chuyển động thành các dạng năng lượng có thể sử dụng hoặc chuyển tải được

2.4.1 Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi năng lƣợng sóng phù hợp mục tiêu

để nghiên cứu phát triển

Ý tưởng với thiết bị chuyển đổi trực tiếp dùng máy phát điện tuyến tính để giảm sự phức tạp của cơ cấu cơ học và giảm thiểu các tổn thất cơ khí, sẽ bền hơn và ít phải bảo trì

Hình 2.3 Mô hình thiết bị chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp

2.4.2 Lựa chọn dạng phao tiếp nhận cho thiết bị

Với cùng nguyên lý chuyển động tịnh tiến nhưng hình dạng và kích thước của phao thu nhận khác nhau sẽ thu được những kết quả khác nhau về công suất của như hiệu quả của thiết bị:

Việc lựa chọn kích thước hình dạng phao có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả phát điện của thiết bị

+ Các dạng phổ biến hiện nay đang sử dụng:

- Dạng phao trụ vát hai đầu đây là dạng phao được sử dụng rộng rãi với các

ưu điểm như tiếp nhận năng lượng sóng lớn và giảm lực cản của nước trong quá trình chuyển động, nâng cao hiệu quả chuyển đổi

11

- Dạng phao cầu có ưu điểm điểm tiếp xúc giữa nước biển và mặt phao lớn, lực acsimet lớn tuy nhiên mất cân đối giữa trọng lượng phao 2 và phao cầu

2.5 Giới thiệu phương pháp tính toán mô hình phao dạng hộp chữ nhật

Phần này tác giả chỉ tính toán cho một mô hình phao đơn giản, đó là mô hình phao hình chữ nhật như hình (2.5) được giới hạn dao động con lắc theo phương thẳng đứng theo các khung thép định vị, đồng thời cung cấp cho chúng

ta những biểu thức quan trọng nhằm tính toán cho một phao bất kỳ, làm tiền đề cho việc tính toán các mô hình phao thu năng lượng sau này

Hình 2.1 Cấu tạo của thiết bị phao nổi hình hộp chữ nhật

2.6 Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị sử dụng dạng phao trụ nón

2.6.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng bằng phao nổi dạng chóp

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng bằng phao nổi đều có 4 tính năng vật lý chính như sau:

+ Một bộ phận phao nổi chịu tác động của sóng và chuyển động cùng với sóng, khi thiết kế, dao động của phao nên gần vùng cộng hưởng dưới tác dụng của sóng thì phao sẽ thu được năng lượng sóng lớn nhất

+ Một bộ phận ổn định tương đối với chuyển động của sóng biển hoặc chuyển động dưới tác dụng sóng nhưng ngược lại với chuyển động của phao là hiệu quả nhất

+ Hai bộ phận trên phải được nối với nhau qua bộ thu năng lượng Thông thường là các bình tích áp thuỷ lực

+ Bộ phận chuyển đổi năng lượng tích đựợc thành các dạng năng lượng có thể sử dụng hoặc chuyển tải

Mô hình hóa thiết bị

nghiên cứu

Mô hình cơ học thiết bị Hình 2.8 Thiết kế mô hình bằng phần mềm SolidWork

2.6.3 Nguyên lý hoạt động của mô hình

Dao động sóng theo phương thẳng đứng kéo theo chuyển động lên xuống của phao nổi Khung dây được gắn cố định bên trong phao nổi nên cũng có đặc tính chuyển động tương tự với sóng

Chương 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

3.1 Xây dựng mô hình tính toán của thiết bị

Để có thể tính toán mô phỏng, tiến tới tính toán thiết kế chế tạo và thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng như đã đề xuất, cần xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của thiết bị

3.1.1 Các phương trình cơ học của thiết bị

+ Phương trình sóng tuyến tính:

Phương trình sóng có dạng:

) cos(

)

( t  a  t  kx



Quá trình chuyển động của các phao được mô phỏng dưới dạng hình sau:

Hình 3.1 Mô tả chuyển động của các phao dưới tác dụng của sóng

3.1.2 Phương trình chuyển động của phao 1

Phương trình mô tả chuyển động dứng của phao 1 có dạng:

) ) ) ) ) )