Năng lượng sóng biển là một trong những nguồn năng lượng sạch có tiềm năng nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các dạng năng lượng khác. Trong nghiên cứu này, đặc tính làm việc của một thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng dạng phao nổi được mô hình hóa theo phương pháp miền thời gian.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 5.1, 2021 MƠ HÌNH HĨA BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN DẠNG PHAO NỔI THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MIỀN THỜI GIAN TIME DOMAIN MODELING FOR A FLOATING-POINT ABSORBER WAVE ENERGY CONVERTER Nguyễn Thị Kim Loan1, Phan Thành Long1*, Lê Minh Tiến1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tác giả liên hệ: ptlong@dut.udn.vn (Nhận bài: 17/4/2021; Chấp nhận đăng: 25/5/2021) * Tóm tắt - Năng lượng sóng biển nguồn lượng có tiềm có nhiều ưu điểm dạng lượng khác Việc thu nhận lượng sóng biển chuyển sang điện thực thơng qua chuyển đổi (WEC), chuyển đổi dạng phao sử dụng phổ biến Chính vậy, nghiên cứu này, đặc tính làm việc thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành điện dạng phao mơ hình hóa theo phương pháp miền thời gian Kết mô cho phép đánh giá thông số thủy động lực học chuyển đổi lượng sóng biển, từ xác định đặc tính chuyển động chuyển đổi theo đặc điểm sóng khu vực Biển Đông Việt Nam Kết mô cho thấy, thiết bị chuyển động theo phương thẳng đứng lên độ cao m so với mức nước tĩnh ban đầu Công suất đầu trung bình thiết bị xác định khoảng 52 kW Abstract - Ocean wave energy is one of the most potential sources of renewable energy, and it has more advantages than other forms of energy sources The capture of wave energy and conversion to electricity is carried out using a converter (Wave Energy Converter - WEC), of which the floating-point absorber converter is the most used Therefore, in this study, the performance of a floating-point absorber wave energy converter is evaluated using time domain numerical method The displacement characteristics of the device are determined for the ocean wave conditions of the Vietnam Sea The simulation results show that, the device can move vertically to a height of m above the initial still water level The average output power of the device is estimated to be approximately 52 kW Từ khóa - Bộ chuyển đổi lượng sóng biển; mơ miền thời gian; đặc tính sóng biển Key words - Wave Energy Converter (WEC); time domain simulation; ocean wave characteristics Đặt vấn đề Năng lượng sóng biển có mật độ lượng cao so với nguồn lượng tái tạo phổ biến khác lượng mặt trời lượng gió Tuy nhiên, so với việc khai thác lượng mặt trời gió, việc khai thác lượng sóng biển cịn gặp nhiều khó khăn, chuyển đổi lượng sóng biển thành điện (WEC) giai đoạn nghiên cứu phát triển [1] Trong đó, có vài nghiên cứu tiến hành thử nghiệm số mẫu mơ hình thu nhỏ WEC vùng biển thực tế [2] Các nghiên cứu cho phép đánh giá đặc tính kỹ thuật chuyển đổi lượng, nhiên, việc thương mại hóa sản phẩm cần thêm nhiều giai đoạn phát triển Điều cho thấy, việc phát triển chuyển đổi lượng sóng biển tiếp tục, điều phụ thuộc nhiều vào mơ hình mơ số, việc thử nghiệm mơ hình thực tế để hồn thiện thiết kế Trong thực tế, có nhiều phương pháp mơ hình số phát triển để mơ WEC, gồm có phương pháp phần tử biên theo cách tiếp cận miền tần số, phương pháp miền thời gian để giải phương trình chuyển động, phương pháp giải phương trình chuyển động Morrison phương pháp động lực học chất lỏng tính tốn (Computational Fluid Dynamics - CFD) Phương pháp mô CFD cho độ tin cậy cao, sử dụng để mơ hình hóa tương tác phi tuyến phức tạp sóng biển WEC, đặc biệt trường hợp trạng thái mặt biển cực đoan [3-4] Tuy nhiên, phương pháp phức tạp địi hỏi tốn nhiều tài ngun tính tốn Trong đó, phương pháp có độ tin cậy thấp hơn, ví dụ phương pháp miền thời gian để giải toán động lực học hệ nhiều vật WEC, dựa thông số thủy động lực học xác định phương pháp miền tần số, kết hợp với phương trình chuyển động Cummins [5-6] Phương pháp sử dụng để đánh giá công suất đầu WEC điều kiện trạng thái biển tuyến tính Trong thực tế, WEC thiết kế để hoạt động điều kiện mặt biển cực đoan tuyến tính, việc thực mơ CFD cho tất trường hợp hoạt động WEC khơng hiệu tốn nhiều chi phí thời gian Chính vậy, mơ hình mơ dựa phương pháp có độ tin cậy trung bình, ví dụ phương pháp miền tần số miền thời gian, thường sử dụng để đánh giá thiết kế WEC, điều kiện làm việc khác nhau, chí trường hợp trạng thái mặt biển cực đoan, đặc biệt giai đoạn đầu việc thiết kế phát triển WEC [7] Trong báo này, phương pháp miền thời gian sử dụng để đánh giá khả làm việc WEC thông qua phần mềm mã nguồn mở WEC-Sim Phịng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Hoa Kỳ [8] Việc mô thực mơ hình chuyển đổi lượng sóng biển dạng phao RM3 (Reference Model 3) [9], The University of Danang - University of Science and Technology (Nguyen Thi Kim Loan, Thanh-Long PHAN, Le Minh Tien) Nguyễn Thị Kim Loan, Phan Thành Long, Lê Minh Tiến điều kiện sóng biển khu vực ven biển Việt Nam So với dạng thiết bị WEC khác, thiết bị WEC dạng phao (Floating Point Absorber – FPA WEC) có thiết kế đơn giản hiệu suất tương đối cao, gồm phần phao chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng tác dụng sóng biển để hấp thụ lượng sóng biển Chuyển động tịnh tiến sau chuyển thành chuyển động máy phát điện thông qua hệ thống chuyển đổi lượng (Power Take-Off – PTO) Thiết bị WEC dạng phao có kích thước tương đối nhỏ thường lắp thành dãy để thu nhận nhiều lượng Nó sử dụng cho vùng nước sâu vùng biển gần bờ, nghiên cứu rộng rãi Hình giới thiệu thiết bị WEC dạng phao thiết kế công ty Ocean Power Technologies [10] Hình Mơ hình WEC dạng phao phần mềm WEC-Sim Mơ hình WEC dạng phao RM3 Thiết bị WEC sử dụng nghiên cứu WEC RM3, sử dụng phao để hấp thụ lượng sóng biển Bộ WEC di chuyển theo bậc tự do, lượng hấp thụ chủ yếu qua chuyển động theo phương thẳng đứng RM3 WEC dạng phao hai thành phần, gồm phao trụ - đế Kích thước thơng số WEC RM3 biểu diễn Hình Bảng 1, Hình Sơ đồ thiết bị WEC dạng phao Phương pháp mô theo phân tích miền thời gian Trong miền thời gian, phương trình chuyển động WEC dạng phao nổi, biểu diễn sau: m Z = Fext (t ) + Frad (t ) + FPTO (t ) + Fv (t ) + FME (t ) + FB (t ) + Fm (t ) (1) Trong đó, Z véc tơ gia tốc thiết bị WEC, xét theo phương chuyển động thẳng đứng, m ma trận khối lượng, gồm khối lượng thân WEC khối lượng nước kèm, Fext(t) Frad(t) véc tơ lực kích thích lực xạ sóng, gây chuyển động WEC, FPTO(t) véc tơ lực hệ thống chuyển đổi lượng PTO, Fv(t) véc tơ lực damping, FME(t) véc tơ lực tác dụng lên phần tử Morison, FB(t) véc tơ lực hồi phục thủy tĩnh, Fm(t) véc tơ hệ thống cáp neo Trong nghiên cứu này, phương trình giải phần mềm mã nguồn mở WEC-Sim, chạy MATLAB/SIMULINK sử dụng giải Động lực học hệ nhiều vật SimMechanics [11] Trong phần mềm WECSim, phận WEC mơ hình hóa nối với thơng qua khớp ràng buộc Hình mô tả sơ đồ Bộ WEC dạng phao phần mềm WECSim, khối “Translational PCC” đại diện cho PTO từ thư viện WEC-Sim, biểu diễn chuyển động tương đối tịnh tiến phao phần đế WEC Các kết mô từ phần mềm WEC-Sim kiểm nghiệm từ kết thực nghiệm [12] Hình Hình dạng chuyển đổi lượng sóng biển Bảng Các tinh chất phần phao Trọng Khối lượng tâm (m) (tấn) 0,00 0,00 -0,72 727,01 Moment quán tính [kg-m2] 2,09 x 107 0 0 2,13 x 107 4,3 x 103 4,3 x 103 3,71 x 107 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 5.1, 2021 Bảng Các tính chất phần trụ - đế Trọng Khối lượng tâm (m) (tấn) 0,00 Moment quán tính [kg-m2] 9,44 x 107 878,30 0,00 -21,29 0 9,44 x 107 2,18 x 105 2,18 x 105 2,85 x 107 Bộ WEC RM3 sử dụng hệ thống thủy lực để chuyển đổi từ lượng sóng biển thành trục động thủy lực (Hình 4) Đơng thủy lực sử dụng để quay máy phát điện Công suất tức thời trục động thủy lực xác định sau: sóng biển khu vực Sự thay đổi theo tháng năm độ cao sóng hiệu dụng H s chu kỳ sóng T sóng biển khu vực Nam Trung Bộ thể Hình Hình [14] Dựa hai hình này, xác định độ cao sóng hiệu dụng trung bình khoảng 1,5 m chu kỳ sóng trung bình s Các thông số sử dụng thông số đầu vào để mô phần mềm WEC-Sim PPTO = − FPTO Z rel (2) Trong Z rel vận tốc tương đối phần phao phần trụ - đế WEC Hình Độ cao sóng hiệu dụng vùng Nam Trung Bộ Hình Hệ thống chuyển đổi lượng (PTO) thủy lực Đặc điểm sóng biển ven bờ Việt Nam Để đánh giá khả làm việc thiết bị WEC RM3 phương pháp phân tích miền thời gian, thiết bị WEC RM3 mơ theo điều kiện sóng biển khu vực ven biển Việt Nam Việt Nam nước có bờ biển kéo dài, thuận tiện cho việc khai thác nguồn lượng từ sóng biển Các kết đo đạc cho thấy tiềm lượng sóng biển dọc theo ven biển Việt Nam tương đối phong phú phụ thuộc trực tiếp vào hai mùa gió đơng bắc tây nam Tại vùng thống, có đà sóng lớn theo hướng Đông Bắc, Tây Nam Nam nhận dịng lượng sóng lớn Các kết nghiên cứu phân vùng tiềm năng lượng sóng biển vùng Biển Đơng Việt Nam thành vùng với đặc trưng lượng sóng biểu diễn Bảng [13] Hình Biến đổi chu kỳ sóng vùng Nam Trung Bộ Kết bàn luận Bộ WEC dạng phao RM3 mơ phần mềm WEC-Sim theo điều kiện sóng biển khu vực Nam Trung Bộ Việt Nam, với độ cao sóng trung bình 1,5 m chu kỳ sóng 7s Sóng giả sử phi tuyến, sử dụng mơ hình phổ sóng Pierson-Moskowitz, biểu diễn Hình Bảng Năng lượng sóng biển dọc theo ven biển Việt Nam STT Vùng Vị trí Năng lượng sóng trung bình [kW/m] 1 Móng Cái – Thanh Hóa 15 2 Thanh Hóa – Quảng Bình 25 3 Quảng Bình – Quảng Nam 10 4 Quảng Ngãi – Ninh Thuận 30 5 Bình Thuân – Mũi Cà Mau 18 6 Cà Mau – Kiên Giang 15 Kết khảo sát cho thấy, vùng (khu vực Nam Trung Bộ) vùng có lượng sóng biển mạnh nhất, hai mùa gió thịnh hành Chính vậy, nghiên cứu này, WEC mô theo điều kiện Hình Phổ sóng PM khu vực sóng biển Nam Trung Bộ Kết mơ thực khoảng thời gian 400 s, với bước thời gian 0,1 s Hệ số tắt dần hệ thống PTO thủy lực khai báo với giá trị Nguyễn Thị Kim Loan, Phan Thành Long, Lê Minh Tiến 12000 kN/(m/s) Mơ hình mơ thiết bị RM3 phần mềm WEC-Sim thể Hình Hình 11 Biến thiên vị trí phần phao trụ - đế thiết bị WEC Hình Mơ hình mơ thiết bị RM3 phần mềm WEC-Sim Sự biến thiên độ cao mặt nước so với mặt nước tĩnh biểu diễn Hình 9, cho thấy mặt nước biển dao động khoảng từ -1,5 m đến 1,8 m Hình 12 Biến thiên vận tốc phần phao trụ - đế thiết bị WEC Hình Biến thiên độ cao mực nước biển so với mặt nước tĩnh Dưới điều kiện sóng biển trình bày trên, lực tác dụng lên phần phao thiết bị WEC xác định từ phần mềm WEC-Sim Hình 10 Vì chuyển động chủ yếu thiết bị WEC dạng phao chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng, lực tác dụng theo phương z biểu biễn hình, lực lớn lực kích thích xạ sóng biển, với lực hồi phục thủy tĩnh, Các lực khác nhỏ không biểu diễn hình Hình 13 Biến thiên gia tốc phần phao trụ - đế thiết bị WEC Các kết hình cho thấy, phần phao thiết bị WEC dao động theo phương thẳng đứng từ -1m đến 1m so với mức nước tĩnh ban đầu Vận tốc phao đạt đến 0,8 m/s tác dụng sóng biển Các đặc tính chuyển động quan trọng để từ xác định cơng suất đầu thiết bị WEC (Hình 14) Hình 10 Lực tác dụng theo phương thẳng đứng lên phần phao Từ lực xác định, sử dụng phương trình chuyển động (1) để xác định đặc tính chuyển động thiết bị WEC, gồm phần phao phần trụ - đế Các Hình 11-13 biểu diễn vị trí, vận tốc gia tốc hai phần phao phần trụ - đế thiết bị WEC, tác dụng sóng biển Hình 14 Công suất học đầu thiết bị WEC ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 5.1, 2021 Hình 14 biểu diễn cơng suất đầu tức thời hệ thống PTO thủy lực theo thời gian Từ kết hình cho thấy cơng suất thiết bị WEC đạt đến gần 900 kW Cơng suất trung bình thiết bị xác định sau: [3] [4] T Pave = Pins (t)dt 52kW T0 (3) Kết luận Thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành điện dạng phao mơ hình hóa sử dụng phương pháp phân tích miền thời gian Các đặc tính làm việc thiết bị đánh giá theo đặc tính sóng biển khu vực vùng biển Nam Trung Bộ, Việt Nam Kết cho thấy, phần phao dao động theo phương thẳng đứng với biên độ m so với mức nước tĩnh ban đầu, với vận tốc chuyển động lớn đạt khoảng 0,8 m/s Thiết bị WEC sử dụng hệ thống chuyển đổi lượng dạng thủy lực, với công suất đầu trung bình PTO khoảng 52 kW Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số B2019-DN02-63 [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] TÀI LIỆU THAM KHẢO [13] [1] R Pelc; R M Fujita, “Renewable energy from the ocean”, Mar Policy, Tập 26, Số 6, 2002, Trang 471–479 [2] M E McCormick; S W Surko, “An experimental study of the performance of the counter-rotating wave energy conversion turbine”, J Energy Resour Technol Trans ASME, Tập 111, Số 3, [14] 1989, Trang 167–173 Y-H Yu, Y.Li “RANS Simulation of the Heave Performance of a Two-Body Floating-Point Absorber Wave Energy System”, Computers & Fluids, Tập 73, 2013, Trang 104 -114 E Quon, A Platt, Y Yu, M Lawson, "Application of the Most Likely Extreme Response Method for Wave Energy Converters", Tuyển tập kỷ yếu 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE, Busan, South Korea, 2016, Trang 1-11 A Babarit, J Hals, M.J Muliawan, A Kurniawan, T Moan, J Krokstad, "Numerical Benchmarking Study of a Selection of Wave Energy Converters", Renewable Energy, Tập 41, 2012, Trang 44–63 W E Cummins, The Impulse Response Function and Ship Motions, David Taylor Model Basin, 1962 Y.-H Yu, J Van Rij, R Coe, M Lawson, "Preliminary Wave Energy Converters Extreme Load Analysis", Tuyển tập kỷ yếu 34th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, ASME, St John’s, Newfoundland, Canada, 2015 https://wec-sim.github.io/WEC-Sim/ (truy cập ngày 15 tháng 05, 2021) https://energy.sandia.gov/programs/renewable-energy/waterpower/projects/reference-model-project-rmp/ (truy cập ngày 15 tháng 05 năm 2021) http://www.oceanpowertechnologies.com/ (truy cập ngày 15 tháng 05 năm 2021) https://www.mathworks.com/products/matlab.html (truy cập ngày 15 tháng 05 năm 2021) Y.-H Yu, M Lawson, K Ruehl, C Michelen, "Development and Demonstration of the WEC-Sim Wave Energy Converter Simulation Tool", National Renewable Energy Laboratory (NREL) & Sandia National Laboratories (SNL), 2014, Trang 137 - 170 Nguyễn Mạnh Hùng Dương Cơng Điền, Năng lượng sóng biển khu vực Biển Đông Vùng Biển Việt Nam, NXB Khoa học Công nghệ, 2014 Phùng Văn Ngọc, Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2019 ... đổi lượng sóng biển thành điện dạng phao mơ hình hóa sử dụng phương pháp phân tích miền thời gian Các đặc tính làm việc thiết bị đánh giá theo đặc tính sóng biển khu vực vùng biển Nam Trung Bộ, ... [10] Hình Mơ hình WEC dạng phao phần mềm WEC-Sim Mơ hình WEC dạng phao RM3 Thiết bị WEC sử dụng nghiên cứu WEC RM3, sử dụng phao để hấp thụ lượng sóng biển Bộ WEC di chuyển theo bậc tự do, lượng. .. 1,5 m chu kỳ sóng 7s Sóng giả sử phi tuyến, sử dụng mơ hình phổ sóng Pierson-Moskowitz, biểu diễn Hình Bảng Năng lượng sóng biển dọc theo ven biển Việt Nam STT Vùng Vị trí Năng lượng sóng trung