NGHIEN CU THIT k CH TO THIT b c

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ THU HỒI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN RESEARCH AND DESIGN OF MARINE ENERGY RECOVERY MECHANICAL EQUIPMENT Trần Ngọc Thủy Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh TĨM TẮT Luận văn đề xuất thiết kế chuyển đổi lượng sóng thành lượng điện Nhờ vào tương tác sóng biển phao, cụm tương tác dẫn động để hấp thu lượng sóng cách biến đổi chuyển động lên xuống phao thành chuyển động quay chiều máy phát điện Trước tiên, ý tưởng thiết kế đề xuất bao gồm hệ thống bao gồm phao chuyển đổi lượng Tiếp theo phân tích thủy động học hệ thực Sau đó, chương trình mơ hoạt động thiết bị thực chương trình Matlab/Simulink Cuối cùng, thiết bị thiết kế chế tạo để thử nghiệm Kết thử nghiệm cho thấy thiết bị làm việc nhịp nhàng với hiệu suất cao ABSTRACT This study presents an innovative design for a wave energy converter (WEC) Based on the interaction between the sea wave and the floating buoy, the power take-off (PTO) is actuated to absorb wave energy by converting the bidirectional motion of the floating buoy into the one-way rotation of an electric generator Firstly, a new conceptual design of the WEC included the floating buoy and PTO is proposed The hydrodynamic forces are presented and the performance of the WEC are simulated in the Matlab/Simulink environment Finally, a test rig of the proposed WEC is fabricated to experiment Experimental results indicate that the proposed device can work smoothly in high efficiency 1 GIỚI THIÊU Việc sử dụng rộng rãi điện giá phải chuyển đổi từ sóng biển thành tựu tuyệt vời Bên cạnh chuyển đổi lượng sóng (WEC - Wave energy converting) cơng nghệ đặc biệt thú vị, có vài lợi ích đáng kể cho xã hội Đây nguồn lượng bền vững vô tận khác, đáng kể góp phần vào hỗn hợp lượng tái tạo Nói chung, tăng số lượng đa dạng hỗn hợp lượng tái tạo có lợi làm tăng sẵn có giảm nhu cầu nhiên liệu hóa thạch Điện từ lượng sóng giúp quốc gia tự cung cấp lượng nhiều phụ thuộc vào nhập lượng từ quốc gia khác (lưu ý: dầu thường nhập từ nước khơng ổn định trị) Điện từ sóng biển sản xuất ngồi khơi, khơng địi hỏi đất đai khơng có tác động thị giác đáng kể Khi nhu cầu lượng giới tiếp tục tăng dự trữ nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt, lượng sóng trở nên quan trọng Nhu cầu bắt đầu giá điện sau tăng với thời gian Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi đất nước Việt Nam xem nước có nguồn tài nguyên lượng tái tạo dồi đa dạng gồm : Năng lượng gió, lượng mặt trời, lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt Các nguồn lượng phân bố trải rộng nhiều vùng sinh thái Trước nhu cầu sử dụng lượng gia tăng nhanh Việt Nam việc sớm khai thác nguồn lượng cần thiết khơng góp phần giảm gánh nặng cung cầu lượng nguồn lượng truyền thống dần cạn kiệt mà cịn có ý nghĩa to lớn việc bảo vệ môi trường phát triển bền vững Nghiên cứu giải an ninh lượng vấn đề cấp bách nước ta Có thể nhận thấy nguồn lượng từ biển dồi nước ta Việt Nam quốc gia có bờ biển dài, dài đến 3200 km Quanh năm sóng biển vỗ bờ Bên cạnh đó, nước ta có nhiều hải đảo Quanh đảo biển, lượng sóng biển ven bờ biển nước ta lớn Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi lượng thách lớn hầu hết quốc gia, có Việt Nam, sóng biển thành lượng điện cần thiết mà góp phần giải nhu cầu lượng điện nước ta tương lai NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ 2.1 Thông số thiết kế: - Thiết bị thử nghiệm với mực nước 800 ÷ 1000 mm - Biên độ sóng 50 ÷ 75 mm - Tần số góc =3rad/s - Ta có mật độ lượng sóng: (1) - Cơng suất đơn vị bề rộng sóng = ( ) (2) Trong đó: H: chiều cao sóng (m) A: biên độ sóng (m) E: Mật độ lượng sóng (N.m) : cơng suất sóng đơn vị bề rộng sóng ( : tần số góc (rad/s) c: Vận tốc sóng (ft/s m/s) h: Độ sâu mực nước biển (ft m) 2.2 Chọn nguyên lý thiết bị thu hồi lƣợng sóng biển 2.2.1 Phao: Nguyên lý: Chuyển động tịnh tiến, chuyển động phao mặt sóng xác định theo định luật Newton kết hợp lực thủy động học sóng phản lực từ hệ thống thu hồi Kết cấu: Phao rỗng có hình khối nón kết hợp khối trụ tối ưu Phần khối nón chìm biển giảm tối đa lực cản gây nước biển, với chiều cao mực nước ngập so với chiều cao phao từ 500 – 520 mm đủ điều kiện cân tiết diện tiếp nhận lượng sóng lớn Hình 1: Phao 2.2.2 Đối trọng: Nguyên lý: Đối trọng có nhiệm vụ đảm bảo cho phao ln trở vị trí cân mặt biển giúp cấu hoạt động cách liên tục trình thu hồi lượng Kết cấu: Đối trọng chế tạo sắt nguyên khối Phương trình cân lực phao vị trí cân với chiều cao phần ngập nước 500mm: KẾT CẤU CỦA THIẾT BỊ 3.1 Phƣơng án kết cấu: Khung chế tạo có nhiệm vụ chứa thiết bị tham gia vận hành, nâng đỡ thiết bị Cần, hộp số, máy phát….Các khung chịu tác động trực tiếp từ sóng biển, thiết kế theo dạng chữ nhật dài 1200mm, rộng 1000mm với cạnh chiều dài đặt song song với chiều va đập sóng Mục đích để tăng độ cứng vững cho khung chịu tác động Để đáp ứng yêu cầu mực nước biển lấy chiều cao tổng khung chịu va đập sóng 2900mm Hình 3: Kết cấu tổng thể thiết bị thu hồi sóng 3.2 Chế tạo thử nghiệm 3.2.1 Khung đóng xuống cát: (3) (4) Suy =50kg Trong đó:g=9.81 (m/s2) gia tốc trọng trường =1020 (kg/m3) khối lượng riêng nước biển mp khối lượng phao (m3) thể tích nước bị phao chiếm chỗ Hình 4: Khung đóng xuống cát 3.2.2 Khung thang đỡ: Hình 5: Khung thang đỡ Hình 2: Đối trọng 3.2.3 Khung lắp cần: Hình 9: Hộp số 3.2.7 Máy phát Hình 6: Khung lắp cần 3.2.4 Khung lắp hộp số, máy phát: Hình 10: Máy phát THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 4.1 Điều kiện thử nghiệm hồ tạo sóng - Tần số góc (rad/s)= 5,03  Hình 7: Khung hộp số máy phát 3.2.5 Cần đỡ - Độ cao sóng (m)= 0,25 - Chiều sâu (m)= Hình 11: Thiết bị thu hồi lượng sóng Hình 8: Cần đỡ 3.2.6 Hộp số: 4.2 Kết thử nghiệm: Mômen tốc độ trục hộp số chịu ảnh hưởng tải Khi tải tăng momen máy phát tăng tốc độ giảm Đối với trường hợp khơng có tải, biên độ dao động phao đạt giá trị lớn 115 mm, dẫn đến tốc độ trục hộp số lớn 95 v/p, cơng suất thu khơng có momen Khi tăng tải lên tối đa biên độ dao động phao thấp 10 mm, dẫn đến tốc độ trục hộp số thấp 25 v/p momen đạt giá trị cao 1,7 Nm Trường hợp tăng tải lên có vị trí biên độ dao động phao lớn 50 mm, tốc độ trục hộp số lớn 80 v/p momen đạt giá trị cao 1,2 Nm Khi hệ sinh cơng suất tối đa: (5) KẾT LUẬN - Bài báo trình bày kết quả: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị khí thu hồi lượng sóng biển - Thiết kế chế tạo Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị khí thu hồi lượng sóng biển - Một chương trình mơ hoạt động thiết bị xây dựng Matlab/Simulink Dựa vào kết tính tốn thơng số, thiết bị chế tạo thử nghiệm thành công cạn hồ tạo sóng biển Hệ thống đo liệu triển khai để thu thập kết thí nghiệm Kết thí nghiệm thiết bị thu hồi lượng thu hồi công suất cao chiều cao sóng 250mm 10,05W Lời ảm ơn: Em xin chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn khoa học TS Phan Cơng Bình hỗ trợ em nghiên cứu [2] ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Lê Vĩnh, ThS Đoàn Thị Vân Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành lượng điện dạng phao Tạp chí Khoa học công nghệ thủy lợi, số 21, 2014 [3] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba Khảo sát tính tốn số đặc tính thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi môi trường, số 41 (6/2013) [4] Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng sóng đặt ven bờ Tạp chí Khoa học công nghệ xây dựng, số 4, 2017 [5] Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM, Trường ĐH Bách khoa TP HCM [6] Manhar R Dhanak, Florida Atlantic University, Boca Raton, USA Nikolas I Xiros, New Orleans, USA, Handbook of Ocean Wave Energy, 27-40 [7] Tedd, J Testing, Analysis and Control of Wave Dragon, Wave Energy Converter, Phd thesis, Aalborg University, 2007 [8] Năng lượng sóng biển cho hiệu gấp 100 lần lượng mặt trời Internet: http://khoaddt.tdc.edu.vn/?p=2507, 09/03/2021 [9] Năng lượng sóng: https://vi.wikipedia.org/wiki/N%C4%83ng_l%C 6%B0%E1%BB%A3ng_s%C3%B3ng, 09/03/2021 Tài liệu tham khảo: [10] PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Sóng biển Thư viện Học liệu mở Việt Nam, tr 1-3 [1] Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải Nghiên cứu thử nhiệm thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển, Tập 17, Số 1, 2017 [11] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba Khảo sát tính tốn số đặc tính thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển Khoa học kỹ thuật thủy lợi mơi trường - số 41 (6/2013) [12] Falnes, J Ocean Waves and Oscillating Systems, Linear Interaction Including WaveEnergy Extraction, Cambridge University, 2002 [13] Silvia Bozzi, Adrià Moreno Miquel, Alessandro Antonini and Giuseppe Passoni Modeling of a Point Absorber for Energy Conversion in Italian Seas Energies, 2013, 3033-3051 [14] M Eriksson, Jan Isberg and Mats Leijon Hydrodynamic modelling of a direct drive wave energy converter International Journal of Engineering Science, 2005, 1377–1387 [15] Michael E McCormick Ocean Wave Energy Conversion Dover Publications, 2013 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Trần Ngọc Thủy Đơn vị: Trường cao đẳng kỹ thuật công nghệ Bà Rịa Vũng Tàu Điện thoại: 0904121726 Email: tranthuy121726@gmail.com ... với chiều cao phần ngập nư? ?c 500mm: K? ??T C? ??U C? ??A THIẾT B? ?? 3.1 Phƣơng án k? ??t c? ??u: Khung ch? ?? tạo c? ? nhiệm vụ ch? ??a thiết b? ?? tham gia vận hành, nâng đỡ thiết b? ?? C? ??n, hộp số, máy phát… .C? ?c khung ch? ??u... ch? ??u t? ?c động tr? ?c tiếp từ sóng biển, thiết k? ?? theo dạng ch? ?? nhật dài 1200mm, rộng 1000mm với c? ??nh chiều dài đặt song song với chiều va đập sóng M? ?c đ? ?ch để tăng độ c? ??ng vững cho khung ch? ??u t? ?c động... Nam qu? ?c gia c? ? b? ?? biển dài, dài đến 3200 km Quanh năm sóng biển vỗ b? ?? B? ?n c? ??nh đó, nư? ?c ta c? ? nhiều hải đảo Quanh đảo biển, lượng sóng biển ven b? ?? biển nư? ?c ta lớn Do đó, vi? ?c nghiên c? ??u chuyển