Luận án tiến sĩ nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng điện ứng dựng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận án “Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam”

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019

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

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận án “Nghiên cứu thiết bị

biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam” tại trường Đại học Bách khoa Hà nội tác giả nhận được nhiều giúp đỡ

từ các tổ chức và cá nhân:

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể các nhà khoa học là: GS TS Nguyễn Thế Mịch và PGS.TS Đặng Thế Ba đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo vạch ra

những định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận án này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô trong Bộ môn Máy và tự động thủy khí, Viện cơ khí động lực, trường đại học Bách khoa Hà Nội Tập thể giảng viên Bộ môn Cơ kỹ thuật – Đại học Công nghệ - ĐHQGHN; Hội cơ học Thủy khí; Hội máy thủy khí và các tạp chí khoa học đã động viên giúp đỡ hỗ trợ về tinh thần cũng như vật chất trong thời gian tác giả thực hiện luận án

Tác giả xin cảm ơn đến anh em đồng nghiệp nói chung và anh em đồng nghiệp trong Viện khoa học Thủy lợi Miền Trung và Tây Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và công tác

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình

đã động viên, tạo điều kiện khuyến khích cho tác giả vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án tiến sĩ này

Phùng Văn Ngọc

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng

dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam”

Tôi xin cam đoan đề tài luận án của tôi hoàn toàn là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của tập thể các nhà khoa học gồm GS.TS Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS Đặng Thế Ba Những kết quả nghiên cứu của luận án và số liệu đo đạc thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm và hiện trường của trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố

Hà nội, ngày 22 tháng 08 năm 2019

Thay mặt tập thể hướng dẫn khoa học

GS TS Nguyễn Thế Mịch

Người cam đoan

Phùng Văn Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Nguồn năng lượng từ biển 5

1.2 Năng lượng sóng biển 6

1.2.1 Các đặc trưng của sóng biển 7

1.2.2 Năng lượng ở các vùng hình thành sóng 9

1.2.3 Đặc trưng năng lượng sóng biển 11

1.3 Tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam 15

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển 21

1.4.1 Sơ lược một số nguyên lý và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 21

1.4.2 Tổng quan các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng của Thế giới 25

1.4.3 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ 28

1.4.4 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ 34

1.5 Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng trong nước 37

1.6 Kết luận chương 1 39

Chương 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 41

2.1 Cơ sở tính toán dòng năng lượng sóng biển 41

2.2 Các đặc trưng cơ bản vùng nghiên cứu phát triển thiết bị 41

2.3 Cơ sở tính toán tương tác sóng biển với công trình nổi 43

2.2.1 Các giả thuyết đối với sóng trên công trình 44

2.3.2 Xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình nổi 45

2.4 Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển 46

2.4.1 Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp mục tiêu để nghiên cứu phát triển 47

2.4.2 Lựa chọn dạng phao tiếp nhận cho thiết bị 49

2.5 Phương pháp tính toán mô hình phao dạng hộp chữ nhật 51

2.6 Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị sử dụng dạng phao trụ chóp nón 54

2.6.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng bằng phao nổi dạng chóp nón 54

2.6.2 Mô hình cơ cấu máy phát 56

2.6.3 Nguyên lý hoạt động của mô hình 57

2.7 Kết luận chương 2 57

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 58

3.1 Xây dựng mô hình tính toán của thiết bị 58

3.1.1 Các phương trình cơ học của thiết bị 58

3.1.2 Phương trình chuyển động của phao 1: 59

3.1.3 Phương trình chuyển động của phao 2 60

3.2 Phương trình cơ bản cho hệ thống máy phát 63

3.2.1 Mô hình điện từ trường máy phát 63

3.2.2 Áp dụng trong cấu hình máy phát nam châm chuyển động thẳng 64

3.3 Phương trình lực điện từ của máy phát 68

3.4 Tính toán mô phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng sang điện 69

3.4.1 Giới thiệu về các phầm mềm mô phỏng 69

3.4.2 Tính phân bố từ trường nam châm vĩnh cửu bằng FlexPDE 70

3.4.3 Tính toán mô phỏng hoạt động của máy phát bằng Matlab 77

3.5 Kết luận chương 3 81

Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 83

4.1 Tính toán khảo sát đặc tính, tính toán thiết kế cho thiết bị có P= 50W 83

4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng thử nghiệm 87

4.2.1 Thiết kế, chế tạo máy phát điện 87

4.2.3 Thử nghiệm, hoàn thiện thiết bị 91

4.3 Đề xuất mô hình chuyển đổi năng lượng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy mô thực tế 101

4.4 Khảo sát một số đặc tính cơ bản 104

4.5 Kết luận chương 4 110

a) Kết luận chung 111

b) Khuyến nghị 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Awp: Phần diện tích tiếp xúc với nước biển

với Awp = BL ( B là chiều rộng và L chiều dài của phao) B: Bề rộng phao nổi (m)

BT: Cảm ứng từ (T)

Dc: Điện cảm

D : Đường kính phao thứ cấp (m)

D1: Đường kính phao sơ cấp (m)

E : Năng lượng sóng là tổng ( lb.ft hoặc N.m )

Ekz : Động năng toàn phần dao động của phao (KJ)

Epz : Thế năng toàn phần dao động của phao (KJ)

ET: Cường độ điện trường (V/m)

HT: Cường độ từ trường (A/m)

Hs : Chiều cao sóng (m)

g: gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2)

m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp

Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại của phao (m)

Plt : Công suất lý thuyết thiết bị (kW)

Ptt : Công suất thực tế thiết bị (kW)

L: Chiều dài của phao nổi (m)

dn: Phần ngập nước của phao (m)

Fz: Lực kích thích sóng lên phao (KN)

F0: Là biên độ lực dao động (KN)

Pz: Công suất thu được từ phao (KW)

Tz: Chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s)

mw: Khối lượng phần nước biển tác động vào phao

m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp

S b (t) là dịch chuyển đứng của phao khỏi vị mặt nước tĩnh ban đầu

m b1 là khối lượng của phao

)

(t

sb là gia tốc chuyển dịch đứng của phao

F e,b (t) là lực kích thích theo chiều đứng của sóng tới

F r,b (t) là lực theo chiều đứng do sóng phát xạ

F b,b (t) là tổng lực đẩy thủy tĩnh và lực trọng trường

F b,v (t) là lực cản

F b,f (t) là lực ma sát nhớt của nước

F b,u (t) là lực điện từ trường của máy phát

Z: Biên độ dao động phao nổi hình hộp chữ nhật (m)

DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH

λ: bước sóng ( ft hoặc m)

γ : Trọng lượng riêng (N/m3

)

η : Hiệu suất thiết bị (%)

εo : Độ điện thẩm chân không (εo = 8,854.10-12 F/m)

ε : Độ điện thẩm của môi trường

μo : Độ từ thẩm chân không (μo = 4π 10-7 T.m/A)

μ : Độ từ thẩm môi trường

ωz: Tần số góc của dao động (rad/s)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CERT Commission Energy Research and

Technology

Ủy ban công nghệ năng lượng

EVN Vietnam Electricity Tập đoàn điện lực viện nam

HEB Hydro Electric Barrel Hydro Electric Barrel

IEA International Energy

OES Ocean energy systems Hệ thống năng lượng biển

R&D Research &

Development

Research and Development

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mức năng lượng sóng biển tại một số vùng biển trên thế giới 7

Bảng 1.2 Năng lượng TB tháng của một số vùng có tiềm năng nhất (kW/m) 19

Bảng 1.3 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ đang thực hiện 33

Bảng 1.4 Các thiết bị gần bờ đã và đang phát triển trên thế giới 36

Bảng 2 1 Các thông số kích thước khối lượng phụ thuộc vào dạng phao 50

Bảng 4 1 Các thông số thiết kế cơ bản ban đầu của thiết bị 84

Bảng 4 2 Thống kê chi tiết các bộ phận cấu thành phao1 và phao 2 90

Bảng 4.3 Năng lượng có thể thu được theo kích thước phao (cả ma sát) 100

Bảng 4.4 Thông số đặc trưng chủa máy phát điện LPM 103

Bảng 4.5 Công suất trung bình tối đa trên mỗi ống dây ứng với điều kiện sóng vùng Nam Trung Bộ 108

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biểu đồ phân bố mức năng lượng sóng trên toàn thế giới 7

Hình 1.2 Các thông số cơ bản của sóng biển 8

Hình 1.3 Hình mô tả chuyển động của sóng biển 9

Hình 1.4 Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng song [36] 10

Hình 1.5 Các dạng năng lượng đặc trưng của sóng biển 11

Hình 1.6 Chuyển động của sóng tịnh tiến 12

Hình 1.7 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo đơn vị độ dài 13

Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo đơn vị diện tích 13

Hình 1.9 Thế năng theo thời gian 14

Hình 1.10 Động năng theo chiều sâu 14

Hình 1.11 Bản đồ phân vùng năng lượng sóng biển của Việt nam 15

Hình 1.12 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng 18

Hình 1.13 Thông lượng năng lượng sóng TB năm ven biển Việt Nam 18

Hình 1.14 Phân bố năng lượng sóng TB tháng tại những vùng có tiềm năng nhất (kW/m) 19

Hình 1.15 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng 20

Hình 1.16 Thông lượng sóng tại điểm có tiềm năng nhất 20

Hình 1.17 Độ cao sóng của vùng tiềm năng nhất 21

Hình 1.18 Biến đổi chu kỳ sóng theo tháng 21

Hình 1.19 Sơ đồ thống kê các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng 25

Hình 1.20 Giá điện sóng trung bình toàn cầu Hình 1.21 Giá điện thủy triều 27

Hình 1.22 Công nghệ điện sóng Pelamis ình 1.23 Tuabine gió biển Đan Mạch 27

Hình 1.24 Đồ thị biểu thị tốc độ phát triển điện sóng và điện gió gần bờ và xa bờ.28 Hình 1.25 Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon 29

Hình 1.26 Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển chuyển động thẳng 30 Hình 1.27 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pelamis 31

Hình 1.28 Thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi 31

Hình 1.29 Một số dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi dạng chuyển động tịnh tiến 32

Hình 1.31 Thiết bị Pendulor máy phát sinh ra điện 35

Hình 1.32 Thiết bị Oyster Hình 1.33 Thiết bị WaveRoller 35

Hình 1.34 Hệ thống sử dụng dao động của phao gần bờ 36

Hình 1.35 Hệ thống kênh hẹp nhìn từ trên xuống 36

Hình 1.36 Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển 38

Hình 1.37 Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển 39

Hình 2 1 Đảo Phú Quí nhìn từ Google Earth 43

Hình 2 2 Hệ tọa độ biểu diễn vật nổi trên mặt chất lỏng 43

Hình 2 3 Mô hình thiết bị chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp 47

Hình 2 4 Một số dạng kết cấu phao thu nhận năng lượng sóng 50

dạng chuyển động tịnh tiến 50

Hình 2 5 Cấu tạo của thiết bị phao nổi hình hộp chữ nhật 51

Hình 2 6 Mô hình làm việc của phao dạng hộp 52

Hình 2 7 Đường quan hệ các hệ số K m và K 1 phụ thuộc tỷ lệ B,L,d 53

Hình 2 8 Thiết kế mô hình bằng phần mềm SolidWork 55

Hình 2 9 Mô hình máy phát chuyển động thẳng 56

Hình 2 10 Cấu tạo và cách bố trí các nam châm trong lõi của máy phát 56

Hình 3 1 Mô tả chuyển động của các phao dưới tác dụng của sóng 58

Hình 3 2 Mô hình hóa hệ thống thiết bị 61

Hình 3 3 Mô hình phao sơ cấp và phao thứ cấp 62

Hình 3 4 Mặt cắt dọc theo trục đối xứng của nam châm, dùng trong tính toán của FlexPDE 66

Hình 3 5 Lực Ampere sinh ra trên mỗi vòng dây 68

Hình 3 6 Mô hình thiết bị nghiên cứu 71

Hình 3.7 Cấu tạo chi tiết của phao sơ cấp thiết bị mô phỏng thí nghiệm 72

Hình 3.8 Cắt ngang chi tiết mô hình thiết bị nghiên cứu 73

Hình 3.9 Phân bố từ thế vector 74

Hình 3.10 Từ trường quanh nam châm 74

Hình 3 11 Hình ảnh các đường đồng mức độ lớn từ trường 75

Hình 3.12 Hình ảnh từ thế vector 75

Hình 3 13 Phân bố từ trường trong không gian quanh nam châm 76

Hình 3.15 Hình ảnh từ thế vector 77

Hình 3 16 Mô hình thí nghiệm thiết bị 78

Hình 3.17 Mô hình thí nghiệm thiết bị làm việc trong bể sóng tại VKHTLVN 79

Hình 3.18 Sức điện động trong ống dây 79

Hình 3 19 Cường độ dòng điện trong mạch khi nối với máy phát 80

Hình 3 20 Lực điện từ xuất hiện trên ống dây 80

Hình 3 21 Công suất máy phát 81

Hình 4 1 Sơ đồ cấu tạo và hệ cơ học của thiết bị 2 phao 83

Hình 4 2 Mô hình mạch tương đương của máy phát 83

Hình 4 3 Dịch chuyển và vân tốc của các phao 85

Hình 4 4 Lực sóng kích thích lên các phao và lực điện từ 86

Hình 4 5 Điện thế và công suất trên tải 86

Hình 4 6 Thiết bị thí nghiệm và kết quả so sánh với mô phỏng 87

Hình 4 7 Sơ đồ mặt cắt ngang máy phát và vị trí của rotor, stator trong mô hình 88 Hình 4 8 Phần ứng máy phát điện bao gồm thanh gắn 88

nam châm và lõi gắn nam châm 88

Hình 4 9 Khung quấn dây 89

Hình 4 10 Máy phát sau khi chế tạo 89

Hình 4 11 Mô hình thiết kế phao sơ cấp 90

Hình 4 12 Phao sau khi chế tạo 90

Hình 4 13 Hình ảnh tổng thể thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao hoàn thiện 90

Hình 4 14 Bộ tạo chuyển động tịnh tiến theo sóng cho máy phát 92

4.2.3.2 Kết quả thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 92

Hình 4 15 Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, không thanh sắt dẫn từ, công suất trung bình thu được P tb = 30, 905w 93

Hình 4 16 Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, có thanh sắt dẫn từ, công suất trung bình thu được P tb = 31,198w 93

Hình 4 17 Đo 1 pha, 2 mặt nam châm, không có khung sắt từ, công suất trung bình thu được P tb = 41,112w 93

Hình 4 18 Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, công suất trung bình thu được P tb = 42,189w 94

Hình 4 19 Kiểm tra máy phát trong phòng thí nghiệm 94

Hình 4 20 Đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian 95

Hình 4 21 Công suất trung bình tính được là 11,351 (W) 95

Hình 4 22 Biểu đồ công suất phụ thuộc vào bán kính phao 95

Hình 4 23 Biểu đồ công suất phụ thuộc vào m của phao thu P max khi m =270(kg) 96 Hình 4.24 Biến thiên công suát theo độ dài của lồng 96

Hình 4.25 Thực hiện quá trình thí nghiệm thiết bị tại Hồ Tây 97

Hình 4 26 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao thử nghiệm hiện trường 97

Hình 4.27 Chuẩn bị các thiết bị đo khao sát hiện trường 98

Hình 4 28 Đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian 98

Hình 4 29 Đồ thị lực phao tác dụng lên cuộn dây 98

Hình 4.30 Dao động riêng của phao 98

Hình 4.31 Chuyển động của phao tự do, không ma sát và không thu hồi 99

Hình 4.32 Chuyển động của phao trên mặt sóng, hệ số thu hồi R bu =250Ns/m, hệ số ma sát R bf =20Ns/m 99

Hinh 4.33 Công suất và năng lượng của phao khi R bu =250Ns/m, R bf =20Ns/m 100

Hình 4.34 Biến thiên năng lượng thu được trong một chu kỳ theo hệ số thu hồi 100 Hình 4 35 Sơ đồ cấu tạo hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng 5kW 103

Hình 4 36 Mặt cắt ngang máy phát điện LPM 104

Hình 4 37 Mặt cắt dọc máy phát điện LPM 104

Hình 4 38 Điện áp máy phát trên 1 pha 104

Hình 4 39 Công suất máy phát trên 1 pha 104

Hình 4 40 Sự phụ thuộc giữa P tb vào n ứng với các thông số của thiết bị 105

Hình 4 41 Sự phụ thuộc giữa P tb vào n ứng với a=0.083(m),b=0.12(m) 106

Hình 4 42 Sự phụ thuộc của P trung bình vào độ dài cạnh b 106

Hình 4 43 Sự phụ thuộc giữa L vào b 107

Hình 4 44 Quan hệ giữa độ cao sóng – chu ký sóng của vùng biển NTB 108

Hình 4.45 Công suất trung bình theo độ cao sóng 109

Hình 4 46 Biểu đồ quan hệ đường kính, điện trở và công suất 109

Hình 4.47 Biểu đồ quan hệ đường kính và công suất 109

Hình 4 48 Biểu đồ quan hệ công suất P và ω 110

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 Thế giới đang phải đối đầu với cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng nhất trong lịch sử nhân loại, an ninh năng lượng được các quốc gia đặt lên hàng đầu Trong khi đó, các nguồn NL truyền thống trên thế giới như dầu mỏ, than đá, thủy điện, hạt nhân đang ngày một cạn kiệt tuy nhiên nhu cầu sử dụng NL đang tăng cao Thêm vào đó, việc sử dụng các nguồn NL hóa thạch đang gây ra những tác động xấu đến môi trường và là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí hậu dẫn đến những thảm họa tự nhiên đe dọa đến sự sống của con người

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

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 Ưu thế này khác hẳn các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang được sử dụng từ trước tới nay Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng năng lượng biển cũng đặt ra những vấn đề rất phức tạp Cũng giống như các nguồn năng lượng khác của môi trường, năng lượng Mặt Trời hay địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng biển phân tán trên bề mặt Trái Đất, đồng thời mật độ năng lượng không ổn định theo không gian và thời gian Việc khai thác nó thường gặp rất nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật và triển vọng về hiệu quả kinh tế vẫn còn chưa thật chắc chắn Dù vậy, hiện nay nhiều dự án sử dụng năng lượng biển vẫn đang được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới Phần lớn đang nằm trong giai đoạn thăm dò 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

a) Về cơ sở khoa học

Luận án nghiên cứu tổng hợp các thông tin về năng lượng sóng biển ở Việt Nam để định hướng nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng phù hợp với từng vùng Tìm hiểu phân tích nguyên lý hoạt động và cấu tạo của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới để đề xuất ứng dụng

mô hình phù hợp với vùng biển tiềm năng tại Việt Nam Nghiên cứu phát triển sơ đồ cấu tạo, mô hình mô phỏng và tiến hành tính toán xác định khả năng hoạt động của thiết bị Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị để kiểm tra nguyên lý hoạt động của thiết

bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động thẳng

b) Về thực tiễn

Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển

đổi năng lượng sóng biển ứng với từng mức năng lượng sóng biển của vùng biển phù hợp với đặc điểm sóng tại Việt Nam

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu của luận án:

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

+ Phạm vi nghiên cứu:

Luận án đề cập đến các thiết chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển đổi trực tiếp sử dụng khai thác nguồn năng sóng biển tại vùng biển Việt Nam Trên cơ sở nghiên cứu tiềm năng năng lượng sóng biển của Việt Nam Luận án nghiên cứu tính chọn tính toán thiết kế thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển ứng dụng vào vùng biển ngoài khơi Nam Trung Bộ Thiết bị nghiên cứu có nguyên lý dạng chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp thành điện

4 Ý nghĩa khoa học của luận án

Nội dung của luận án “ Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện

ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam ” có ý nghĩa to lớn về

mặt lý thuyết và thực tiễn Kết quả của luận án nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu

và những hiểu biết về các đặc trưng kỹ thuật về NLSB Viêt Nam, phát triển các phương pháp tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Góp phần nghiên

cứu, phát triển và áp dụng các vấn đề khoa học về tương tác sóng lên công trình, tính toán mô phỏng, thiết kế chế tạo các thiết bị chuyển đổi NLSB. Nội dung nghiên cứu của đề tài đáp ứng được các yêu cầu về ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính cấp thiết đối với luận án tiến sỹ

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án được nghiên cứu trên cơ sở kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu lý thuyết sóng biển, lý thuyết thiết bị chuyển đổi năng lượng và phương pháp mô phỏng số kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu

6 Điểm mới của luận án

Luận án đóng góp cho chuyên ngành những điểm mới như sau:

+ 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

7 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, khuyến nghị nội dung của luận án bao gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển tại Việt Nam

Chương 3: Nghiên cứu động lực học thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Kết luận và kiến nghị Sau đây là nội dung chính của luận án

Chương 1 TỔNG QUAN 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 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 Đó là nguyên nhân dẫn đến các nước chạy đua giữa các quốc gia trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng những nguồn năng lượng tái tạo Trong khi đó, nguồn năng lượng truyền thống (hóa thạch, thủy năng…) vốn được coi

là nguồn năng lượng chủ yếu hiện tại, và có thể sử dụng trong khoảng 4-5 thập kỷ nữa tuy nhiên nguồn NL truyền thống này đang ngày càng đắt đỏ Các nhà kinh tế năng lượng trên thế giới đã cảnh báo: Hành tinh của chúng ta có thể tiếp tục lâm vào khủng hoảng năng lượng có tính tàn phá ở thời điểm 2050-2060, nếu chúng ta không tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống hiện có, và nếu không phát triển sử dụng các dạng năng lượng sạch tái tạo [1]

Những nghiên cứu tận dụng các chất phế thải, thậm chí cả hoa quả để tái tạo các loại năng lượng sạch, đang trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu Những nước đã thành công trong việc nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng mới phải kể đến Brazin, Mỹ, Canada, Đức, Anh, Pháp, Trung Quốc, Nhật Bản…[1]

Những biện pháp khai thác nguồn năng lượng xanh sạch không gây ô nhiễm môi trưỡng sẽ được khuyến khích được áp dụng như: năng lượng gió biển, các nhà máy thủy điện lớn, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời Các chủ trương và chính sách về năng lượng sạch được hậu thuẫn về mặt chính trị, chỉ trong vòng 1 thập niên (2001-2010), năng lượng gió đã trở thành nguồn cung cấp điện hiệu quả Lĩnh vực năng lượng xanh còn tạo được việc làm cho hơn 135.000 nghìn người lao động [2]

Ở nước ta, theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) thì đến năm

2020, tỷ lệ thiếu hụt năng lượng điện của quốc gia lên tới 20-30% mỗi năm [3] Việc phát triển, sử dụng các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo càng trở nên cấp bách Có thể nói, việc biến từ điện gió và điện mặt trời và năng lượng sóng biển sang điện lưới phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện của rất đông bộ phận người dân tại Việt Nam có ý nghĩa thực tiễn cao và phù hợp với chiến lược phát triển nguồn năng lượng sạch của đất nước

Theo báo quy hoạch điện 7 có bổ sung của EVN Dự kiến Việt Nam sẽ phấn đấu

để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010, 8% vào năm 2020 và 10% vào năm 2030 [3]

1.2 Năng lƣợng sóng biển

Dạng năng lượng dễ thấy nhất từ đại dương chính là năng lượng của sóng trên

bề mặt đại dương, sóng đại dương mang năng lượng rất lớn Nguồn tạo ra năng lượng sóng dựa trên 4 hiện tượng:

- Vật thể di chuyển trên hoặc gần mặt nước gây ra sóng với chu kỳ nhỏ và mang năng lượng nhỏ

- Các hoạt động địa chấn cũng là nguyên nhân gây ra sóng địa chấn biển “hay

được gọi là tsunami”

- Lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời cũng là nguyên nhân gây ra các đợt sóng

triều cường “tidal wave” hay gọi là sóng thủy triều

- Gió biển và các hiện tượng khí hậu là nguồn tạo ra sóng lớn nhất, gió thổi trên mặt biển tạo ra các đợt sóng khá lớn, các cơn bão có thể gây ra sóng thần và sóng lừng hai loại sóng này mang năng lượng cực kỳ lớn [6]

Đánh giá chung công suất của chúng trong đại dương khoảng 2,5 - 3TW[4] Trong đại dương, những vùng có công suất sóng biển ổn định gặp tương đối hiếm Để thực hiện đánh giá cho một vùng cụ thể yêu cầu cần phải có những quan trắc kéo dài, trong khi đó, những tài liệu quan trắc trên biển nhìn chung tương đối thiếu Để nghiên cứu chế độ thường phải bổ sung bằng các mô hình tính toán mô phỏng lại các quá trình hình thành và biến đổi hiện tượng, mô hình được kiểm chứng bằng các tài liệu đo đạc thực tế

Chẳng hạn, có thể xem xét các vùng biển được nghiên cứu nhiều ngày nay như Bắc Hải (nơi khai thác dầu khí từ biển mạnh nhất) và nói chung là các vùng Bắc Đại Tây Dương Trong biển Bắc Hải, sóng thường khá mạnh với công suất 40kW/m (năng lượng của sóng trên đơn vị 1m chiều dài) trong suốt 30% thời gian tồn tại và công suất gần 10kW/m trong 70% thời gian còn lại Tiềm năng trung bình năm của năng lượng sóng vùng bờ tây nước Anh theo kết quả chỉnh lý tài liệu của 4 trạm quan trắc đặt ở ngoài khơi cách bờ 30 đến 40km trong suốt thời gian từ 7 đến 14 năm thay đổi trong

giới hạn từ 31 đến 44kW/m Nhưng để đánh giá chính xác tiềm năng năng lượng sóng, ngoài các đặc trưng trung bình của công suất còn phải có tài liệu về các đặc trưng phổ

và không gian (hướng dịch chuyển) [4]

Theo công trình nghiên cứu của G.V Matusepski, bằng phương pháp trung bình các yếu tố sóng có tính đến tần suất đảm bảo theo mùa đã nhận được các công suất của

năng lượng sóng cho các biển như (bảng 1.1) sau đây [6]

Bảng 1.1 Mức năng lượng sóng biển tại một số vùng biển trên thế giới

Biển Barensevo 22-29kW/m Biển Caspien 7-11kW/m

Biển Nhật Bản 21-31kW/m Biển Bantic 7-8kW/m

Một số nghiên cứu đã đưa ra kết quả đánh giá mức năng lượng sóng trên thế giới

được biểu diễn qua (hình 1.1) như sau:

Hình 1.1 Biểu đồ phân bố mức năng lượng sóng trên toàn thế giới [19]

1.2.1 Các đặc trưng của sóng biển

a) Các thuật ngữ

Trong các tài liệu về sóng nước người ta thường dùng các thuật ngữ được thể

hiện chi tiết trong (hình 1.2) như sau:

- Mặt cắt sóng: là giao tuyến của mặt sóng với mặt phẳng thẳng đứng theo hướng

truyền sóng

- Đường trung bình sóng: là đường nằm ngang, chia đôi khoảng cách giữa đáy

sóng và đỉnh sóng, nằm ở phía trên mực nước tĩnh một độ cao , gọi là chiều cao dâng tâm sóng

- Đỉnh sóng: điểm cao nhất của đường mặt sóng

- Đáy sóng: điểm thấp nhất của đường mặt sóng

- Đầu sóng: (vùng đỉnh sóng) phần diện tích nằm ở phía trên mực nước tĩnh

- Bụng sóng: (vùng đáy sóng) phần diện tích nằm ở phía dưới mực nước tĩnh

- Đường đỉnh sóng: (tuyến sóng) là đoạn chứa điểm cực đại của sóng

- Tia sóng là đường vuông góc với tuyến sóng

Hình 1.2 Các thông số cơ bản của sóng biển

b) Các thông số cơ bản của sóng:

Trên thực tế dạng sóng 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) Dạng sóng đơn giản nhất là sóng tuyến tính, đôi khi cũng có các tên gọi khác như sóng Airy, sóng hình sin, sóng Stokes bậc một Phương trình mô tả dạng của mặt nước tự do khi có sóng là một hàm của thời gian t, khoảng cách x đối với sóng hình sin có dạng [8]

Hình 1.3 Hình mô tả chuyển động của sóng biển

phương trình mô tả chuyển động của sóng biển (hình 1.3)cho nên nó là một loại sóng

cơ học, vì vậy nó mang đầy đủ các đặc tính cơ bản của sóng cơ học

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 đẩy 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 vỡ (vùng sóng vỡ (surf zone))

1.2.2.1 Vùng sóng gợn:

Ở vùng sóng này, sóng được hình thành với bước sóng ngắn và chiều cao sóng thấp nên mang năng lượng thấp Khi một chất điểm chuyển động theo quỹ đạo chuyển động của song hai chiều thì chịu lực tác động của bề mặt sóng lên chất điểm ở vùng

này chủ yếu là lực theo hương thẳng đứng Fz1 và lực theo phương ngang Fx1 và hợp

lực tổng là F1 , vì ở vùng này bước sóng và chiều cao tỉ lệ tương đối với nhau nên ta

có hợp lực của Fz1 Fx1 là F1 được xác định trên (hình 1.4) [36]

Hình 1.4 Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng sóng [36]

1.2.2.2 Vùng gia tăng chiều cao sóng:

Sóng ở vùng này được gia tăng vận tốc và lực Fz2 được gia tăng nhằm đẩy mực nước lên cao, tăng chiều cao và bước sóng Lực tác động của bề mặt sóng lên chất

điểm ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng Fz2 và lực theo phương

ngang Fx2 ( Fx 2 Fz2 ) và hợp lực tổng là F2

Vì vậy, khi khai thác lực sóng theo phương đứng thường người ta khai thác ở vùng gia tăng chiều cao sóng hơn là vùng sóng gợn Vì chủ yếu là khai thác lực ở bề mặt sóng và theo phương thẳng đứng nên các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng ở

khu vùng này phải được thiết kế sao cho nhận được lực Fz với hiệu suất chuyển đổi

năng lượng tối ưu

cũng cao nhất và chủ yếu là lực sóng vỡ Fx3 Việc khai thác vỡ vùng sóng này đa số tập trung vào lực sóng theo phương ngang, vì vậy các thiết bị chuyển đổi năng lượng ở

vùng sóng này phải được thiết kế sao cho nhận được lực Fx3 do sóng ngang mang tới

để lựa chọn thiết bị chuyển đổi có hiệu suất tối ưu

1.2.3 Đặc trưng năng lượng 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 Trong thực tế, chuyển động và đặc trưng của sóng biển là rất phức tạp, nó là tổng hợp của nhiều sóng

Vì vậy để nghiên cứu chuyển động và đặc trưng của nó người ta phải tính toán các thông số của một nhóm sóng đơn quan trọng hình thành nên nó và nghiên cứu các đặc trưng của sóng trong vùng nào đó là các đại lượng trung bình của nhóm sóng

80% động năng trong giới hạn 4

Để có khái niệm về các đặc trưng năng lượng sóng biển, sử dụng lý thuyết sóng

tuyến tính trong đó xem xét một chu kỳ sóng như trên (hình 1.5)

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

cos 2

H

Trong đó H=2a là độ cao sóng, a là biên độ sóng, k là số sóng,  là tần số sóng

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 [5]:

Hình 1.6 Chuyển động của sóng tịnh tiến [5]

Thế năng chứa trong một đơn vị bề rộng xác định bằng (tính trên 1 đơn vị λ):

2 2

Từ hai biểu thức này có thể nhận thấy cả thế năng và động năng chứa trong một đơn

vị bề rộng của một bước sóng là bằng nhau và tỷ lệ với bình phương độ cao sóng, khác với năng lượng gió hoặc năng lượng dòng chảy nước, nó tỷ lệ với vận tốc lập phương

Ví dụ, với điều kiện trung bình tại các vùng có khả năng lớn về năng lượng sóng ở

nước ta [5], chúng ta có thể lấy độ cao sóng H=2m, và chu kỳ sóng T=7s (hình 1.7)

Khi đó tổng năng lượng sóng trong một bước sóng trên một mét bề rộng là 386,7kJ Công suất sóng trug bình đạt vào khoảng 55.2kW/m tại Việt nam Đây là nguồn năng lượng rất lớn vì đất nước ta có chiều dài khoảng 3260km bờ biển

Hình 1.7 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng trên đơn vị độ dài

Để đánh giá mật độ và biến thiên năng lượng sóng làm định hướng cho các tính toán thiết kế chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng, chúng ta có thể tính được thế năng hoặc động năng trong 1m2

bề mặt sóng, thay đổi theo thời gian cùng với thay đổi

theo biên độ sóng Biểu thức biến thiên thế năng thu được khi tích phân (1.3) [-1/2;

1/2] (m) như phương trình (1.4) Biến thiên Ep của 1m2 mặt sóng như trên hình 1.8

2

(sin( 2 ) 2 sin( 2 ))

8

a p

Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo đơn vị diện tích

Động năng của cột nước không thay đổi theo thời gian do (v x 2

+v z 2) không phụ thuộc thời gian Tuy nhiên nó lại thay đổi theo độ sâu Tương tự như trên, lấy tích

phân (1.6) theo x từ -1/2 đến 1/2 và theo z từ x đến 0, Biểu đồ thay đổi động năng theo chiều sâu như trên hình 1.10

Hình 1.9 Thế năng theo thời gian

Hình 1.10 Động năng theo chiều sâu

Từ kết quả trên đồ thị, có thể nhận thấy rằng gần 80% động năng của 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 Và như vậy vùng gần mặt sóng là vùng

tập trung năng lượng nhất Từ nhận xét này có thể thấy nên phát triển các thiết bị để thu nhận thành phần năng lượng gần bề mặt sóng là hiệu quả nhất

Dòng năng lượng sóng đi qua một đơn vị rộng của một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng được xác định như tổng dòng năng lượng của sóng trong một đơn

vị thời gian và tính trung bình theo chu kỳ, ta có [4]:

T H g

với C là tốc độ pha của sóng, T - chu kỳ sóng, E – năng lượng truyền sóng

1.3 Tiềm năng năng lƣợng 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) [1]

Dưới đây là bản đồ phân vùng năng lượng sóng biển theo vùng biển Việt Nam

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

Vì vậy việc khai thác năng lượng sóng biển sẽ là hướng nghiên cứu mới nhằm bổ sung sự đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng cho nước ta hiện nay Theo các kết quả nghiên cứu của [6] mức năng lượng sóng biển của vùng biển Việt nam chia làm 6 vùng từ Móng Cái tới Mũi Cà Mau Đặc điểm 6 vùng có khác nhau về tiềm năng năng

lượng sóng (hình 1.12):

- Vùng 1 từ trạm số 1 đến trạm số 11: vùng phía bắc vịnh Bắc Bộ: Tại vùng này năng lượng sóng chiếm ưu thế vào các tháng 6, 7, 8 với giá trị từ 16 kW/m trở lên Vào mùa gió đông bắc ở các trạm phía bắc của vùng, năng lượng sóng không mạnh Tại các trạm phía nam của vùng này (từ trạm 7 đến trạm 11), năng lượng sóng khá đều, quanh năm đạt từ 15kW/m trở lên Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 15kW/m

- Vùng 2 từ trạm số 12 đến trạm số 21 là vùng phía nam vịnh 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 30kW/m trở lên Trong gió mùa tây nam, vào các tháng mùa hè, năng lượng sóng tại khu vực này nhỏ hơn 20kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 25kW/m

- Vùng 3 từ trạm 22 đến trạm 37, bắc miền Trung là vùng có năng lượng sóng khá nhỏ

so với các vùng lân cận do trường sóng trong gió mùa đông bắc bị đảo Hải Nam che chắn Còn trong gió mùa tây nam, ở đây, gió thường thổi từ bờ ra khơi Vào các tháng trong mùa đông, dòng năng lượng sóng tại vùng này cũng khá mạnh Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 10kW/m

- Vùng 4 từ trạm 38 đến trạm 54, nam miền Trung: Đây là vùng có dòng năng lượng sóng lớn nhất trên dải ven biển nước ta vì là vùng tiếp xúc trực tiếp với biển thoáng và

có đà sóng gần như không bị giới hạn trong cả hai mùa gió thịnh hành Trong gió mùa đông bắc, năng lượng sóng tại vùng này đạt từ 30kW/m trở lên Đặc biệt tại các trạm

từ 43 đến 54 trong tháng 12, dòng năng lượng sóng xấp xỉ 100kW/m Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 30kW/m

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

- Vùng 6 là vùng ven bờ biển phía tây nam gồm các trạm từ 72 đến trạm 83 Đây là vùng có dòng năng lượng sóng yếu nhất trên toàn dải ven biển nước ta Có các trạm không có dòng năng lượng trung bình tháng, có nghĩa là trong cả tháng sóng lặng (có

độ cao nhỏ hơn 0,5m và chu kỳ nhỏ hơn 5s) Tại các trạm phía ngoài biển thoáng như trạm trên phía tây của đảo Phú Quốc (trạm 72) và các trạm dọc bờ từ Rạch Giá xuống phía nam (trạm 77 - 83) năng lượng sóng trong mùa gió tây nam đạt khoảng 15kW/m, cực đại trong tháng 8 Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt

khoảng 5-6kW/m

Hình 1.12 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng [1]

Theo kết quả nghiên cứu vùng có tiềm năng nhất là khu vực 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 1.13, trung bình năm thể hiện trên hình 1.14

Hình 1.13 Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng

Hình 1.14 Thông lượng năng lượng sóng TB năm ven biển Việt Nam

Trong nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước KC.09.19/06-10, bằng phương pháp tính toán mô phỏng trường sóng trong năm của vùng biển đông, sau đó trên cơ sở số liệu sóng cũng đã tính ra được các đặc trưng thông lượng năng lượng sóng trên toàn vùng biển Đông [1] Các kết quả tính toán thông lượng năng lượng sóng tại các điểm

dọc ven biển Việt Nam cho trên hình 1.14 Các kết quả này cũng cho thấy tiềm năng

năng lượng sóng biển Việt Nam là đáng kể, và vùng có tiềm năng nhất là vùng biển Nam trung bộ

Qua nghiên cứu thu thập những tài liệu về hải văn của Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn trung ương [47] Kết quả khảo sát đo đạc các thông số sóng biển ở Việt

Nam có được bảng kết quả chiều cao sóng tại các trạm đo sóng ứng với độ sâu của

từng điểm tại vùng Nam Trung Bộ có các điểm đo (bảng 1.2)như sau

Bảng 1.2 Năng lượng TB tháng của một số vùng có tiềm năng nhất (kW/m) [47]

Hình 1.15 Phân bố năng lượng sóng TB tháng tại những vùng có tiềm năng nhất (kW/m)

Trong khu vực Nam trung bộ thì vùng có điểm quan sát ký hiệu Smax (hình

1.16) có tiềm năng lượng lớn nhất Đây là vùng gần với vùng ngoài khơi đảo Phú quý,

là hòn đảo lớn của Nam trung bộ, có cảnh quan đẹp, nhưng còn chưa được phát triển Trong các lý do đã nêu thì việc chưa có hệ thống điện là nguyên nhân quan trọng nhất

Các thông số cơ bản về tiềm năng cũng như đặc trưng sóng tại những vùng này,

độ cao sóng hiệu dụng trình bày trong hình 1.15,16 và hình 1.19 Từ kết quả của biểu

đồ nay có thể thấy vùng nghiên cứu hoàn toàn có khả năng khai thác năng lượng sóng

ở vùng này là khoảng 10kW/m Độ cao sóng hiệu dụng có thể lên tới 2,5m Tuy nhiên

để tăng hiệu quả phát điện trong thời gian dài trong năm ứng với độ cao sóng hiệu dụng đưa vào thiết kế nên lấy 1m, vì khoảng 80% thời gian trong năm sóng có thể có

độ cao này Hình 1.18 cho thấy chu kỳ sóng trong vùng là khoảng 7s

Hình 1.16 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng

Năng lƣợng TB tháng tại vùng tiềm năng nhất của VN

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Hình 1.17 Thông lượng sóng tại điểm có tiềm năng nhất

Qua biểu đồ ta thấy được thời gian từ tháng 11 năm trước đến thắng 3 năm sau

là thời điểm có mức năng lượng sóng biển trung bình lớn nhất trong năm Là thời điểm thuận lợi cho quá trình khai thác năng lượng sóng biển phục vụ phát điện Đây cũng là giai đoạn thời tiết luận lợi không bị ảnh hưởng các cơn bão tại Biển đông [43]

Độ cao sóng hiệu dụng TB tháng tại vùng tiềm năng

nhất của VN

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tháng

Hình 1.18 Độ cao sóng của vùng tiềm năng nhất

Chu kỳ sóng TB tháng tại vùng tiềm năng nhất của VN

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tháng

Hình 1.19 Biến đổi chu kỳ sóng theo tháng

Tại vùng biển biển năng có chiều cao sóng trung bình là 1,62m (hình 1.18), chiều

cao lớn nhất có thời điểm vào tháng 12 là 2,69m và thời điểm thấp nhất có chiều cao là 0,68m như vậy đây là vùng có chiều cao ở mức tương đối cao, thuận tiện cho việc sử dụng thiết bị chuyển đổi năng lượng dạng phao nổi chuyển động tịnh tiến Chu kỳ

trung bình của vùng này T=7,1s (hình 1.19)

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

1.4.1 Sơ lược một số nguyên lý và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

Trong xu thế phát triển năng lượng sạch, tái tạo, các nghiên cứu sử dụng năng lượng sóng cũng đang phát triển mạnh Tính đến nay đã có hơn 1000 kỹ thuật/công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng được đăng ký bản quyền, phát minh, sáng chế Tuy nhiên cho đến nay việc khai thác nguồn năng lượng này vẫn còn nhiều khó khăn do những đặc trưng của nguồn năng lượng sóng biển như: Sóng biển phụ thuộc vào gió cho nên nguồn sóng không ổn định, thời gian không liên tục, có những hiện tượng bất

thường như (sóng thần, bão, lốc xoáy trên biển ), môi trường nước biển dễ ăn mòn làm hỏng học các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển, các thiết bị thường biến đổi qua các cơ cấu trung gian làm giảm hiệu suất chuyển đổi Để khắc phục các yếu tố đã nêu hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới vẫn tiếp tục triển khai mạnh mẽ

Các nghiên cứu phát triển năng lượng sóng gặp phải một số khó khăn chính đó là: xây dựng các công trình chịu tác động lớn, khắc nghiệt của thời tiết, chịu ăn mòn phá huỷ mạnh của môi trường biển, nguồn cung năng lượng thì thay đổi một cách ngẫu nhiên khó tính toán… Việc thiết kế, chế tạo một hệ thống khai thác năng lượng sóng hiệu quả, có tính cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác cần những nghiên cứu, tính toán để giải quyết các khó khăn này một cách hiệu quả Điều đó có nghĩa là phải phát triển các hệ thống có tính lợi ích và hiệu quả kinh tế

Để có thể tính toán toán thiết kế chế tạo một thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

và ứng dụng trong thực tế, một quy trình cần tiến phải được nghiên cứu đó là: Đề xuất cấu tạo nguyên lý, mô hình hóa, tính toán mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm, kiểm tra

và hoàn thiện ở các quy mô khác nhau trước khi triển khai ở quy mô công nghiệp

Nguyên lý cơ bản chung về chuyển đổi năng lượng sóng sẽ được phân tích so sánh tương ứng với từng đặc trưng sóng biển của từng vùng từ đó lựa chọn một số thiết bị có nguyên lý tối ưu được chọn để phân tích, phát triển mô hình, tính toán và tiến tới thiết kế chế tạo và thử nghiệm trước khi đưa vào khai thác

Từ một ý tưởng, một thiết bị khai thác năng lượng sóng cần trải qua một giai đoạn dài để phát triển: Bắt đầu từ các phân tích lý thuyết, thiết kế dự án, tiếp theo phải thực hiện sâu rộng các nghiên cứu phát triển trong phòng thí nghiệm ở các kích cỡ nhỏ

và vừa trước khi có thể đưa ra thử nghiệm thực tế và cuối cùng là phát triển và thực hiện các dự án với quy mô công nghiệp Những hiểu biết sâu rộng là cần thiết để có thể có được các thiết bị hoạt động an toàn và hiệu quả

Để chuyển đổi năng lượng từ sóng biển, năng lượng của sóng phải chuyển thành dạng động năng/thế năng hiệu dụng, sau đó dạng động năng hiệu dụng này được chuyển đổi thành dạng năng lượng mong muốn như điện năng, sau đó sử dụng trực tiếp hoặc biến đổi thành chất điện phân hoặc nhiên liệu hydro để chuyển tải và sử dụng cho các mục đích khác nhau Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đều có 4 tính năng vật lý chính như sau [4]:

+ 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

+ Bộ phận lưu trữ hoặc chuyển tải và đưa vào sử dụng

Quy trình chuyển đổi, khai thác năng lượng sóng khai thác diễn ra ở ba quá trình:

+ Quá trình đầu tiên gọi là quá trình sơ cấp, trong quá trình này năng lượng sóng thu được qua bộ phận dao động Bộ phận này có thể là vật nổi, vật cứng dao động hoặc cột nước dao động trong thiết bị Bộ phận này lưu trữ năng lượng sóng ở dạng động năng hoặc thế năng,

+ Quá trình thứ 2 là chuyển đổi năng lượng đã lấy được ở quá trình thứ nhất thành dạng năng lượng hữu hiệu Ở quá trình này, các thiết bị để điều khiển và thu năng lượng bao gồm các van, bơm, và các thành phần thuỷ khí khác cũng như phần cứng và phần mềm điên tử Thông thường đựơc kết thúc bởi một turbine

+ Quá trình thứ ba là cần để chuyển đổi hay chuyển tải ví dụ như một motor phát điện nối với turbine hay thêm vào quá trình chuyển hoá nước thành nhiên liệu hydro

Đã có nhiều ý tưởng thiết kế cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đã được đề xuất, trong đó có nhiều thiết bị đã được thử nghiệm thành công ở quy mô công nghiệp [4] Có nhiều tác giả đã đưa ra các khái niệm để phân loại các thiết bị như phân loại theo phương pháp thu hồi năng lượng sóng, phân loại theo kích thước, phân loại theo nguyên lý hoạt động Tuy nhiên có thể liệt kê một số thiết bị theo phân loại của AEAT (AEA Technology Plc - Diễn đàn tư vấn năng lượng và biến đổi khí hậu) Các loại thiết bị này có thể gồm các nhóm như sau [40]:

+ Các thiết bị sử dụng ở vùng ven bờ biển: các kiểu thiết bị thuộc nhóm này có thể kể đến như loại dùng dao động mực nước do sóng, loại kênh hình nêm để thu nhận thế năng của nước dâng do sóng, loại con lắc để lắc theo nhịp vỗ của sóng [4] Các thiết bị này thường là những công trình biển, xây cố định, tốn kém và dễ bị hư hại do

tác động khắc nghiệt của môi trường biển Ngoài ra còn khó thiết kế do ảnh hưởng của thuỷ triều

+ Các thiết bị sử dụng cho vùng gần bờ biển: các kiểu thiết bị thuộc nhóm này thường có bộ phận cố định với đáy biển và một bộ phận nhận dao động từ sóng, chuyển động tương đối giữa 2 bộ phận này sẽ được chuyển đổi thành cơ năng sau đó thành điện năng Việc xây dựng các công trình này thường ở vị trí trước sóng vỡ để kết hợp với chức năng chắn sóng [4] Do có bộ phận gắn với đáy biển, nên các thiết bị này thường có cấu tạo phức tạp để có khả năng tự thay đổi độ cao của bộ phận chuyển động cùng sóng biển để phù hợp với thay đổi mực nước do thuỷ triều, giá thành cao + Các thiết bị sử dụng ngoài khơi: các thiết bị thiết bị thuộc nhóm này thường với mục đích khai thác nguồn năng lượng lớn từ các sóng năng lượng lớn ở các vùng nước sâu Trong hầu hết các loại đã thiết kế thuộc nhóm thường có một bộ phận nổi trên mặt hoặc gần mặt sóng và chuyển động lên xuống cùng với dao động của sóng Tiếp theo bộ phận ổn định hơn phía dưới mặt nước hoặc phao khác để tạo ra chuyển động tương đối khác nhau giữa hai bộ phận này Hai bộ phận này nối với nhau bằng cơ cấu để chuyển đổi dao động của phao thành năng lượng cơ học làm quay máy phát điện tạo năng lượng để sử dụng Các ví dụ về loại này đã được mô tả chi tiết trong [4] Các thiết bị loại này có ưu điểm cấu tạo đơn giản, cơ động nên thích nghi được với thay đổi độ sâu do thuỷ triều, ít chịu các lực phá huỷ hơn so với 2 loại trên

+ Trong các loại thiết bị, chúng ta có thể thấy phần lớn thiết bị sử dụng bộ phận phao nổi để truyền năng lượng sóng, việc khảo sát đặc tính chuyển động và truyền tải năng lượng của phao nổi có vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng 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 1.20 [30]