Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển

TỔNG QUAN

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Các nghiên cứu trong nước

Bài báo “Nghiên cứu và thử nhiệm thiết bị phát điện từ năng lƣợng sóng biển” của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải, đăng trên “Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 17, Số 1: 2017”, trình bày kết quả bước đầu trong việc nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Thiết bị được thiết kế hoạt động theo phương thẳng đứng của sóng biển, với phao nổi trên mặt nước để truyền năng lượng đến máy phát điện gắn cố định ở đáy biển Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị phát điện hoạt động ổn định, đạt công suất 200 W và điện áp 220 VAC với tần số 50 Hz thực sine, chứng minh tính khả thi và phù hợp của thiết bị với điều kiện thực tế biển Việt Nam.

Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn

Hình 1.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải

Bài báo “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi” của các tác giả ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn, và ThS Đoàn Thị Vân, được đăng trên tạp chí Khoa học và công nghệ thủy lợi, tập trung vào việc phát triển công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng.

Bài báo năm 2014 trình bày kết quả nghiên cứu về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng, sử dụng nguyên lý phao nổi hình hộp chữ nhật Ngoài ra, bài viết cũng cung cấp một số kết quả tính toán cho thiết bị này, đặc biệt là ứng dụng cho các khu vực có mức năng lượng sóng lớn.

Hình 1.3: Nguyên lý mô hình của tác giả ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn

Thế Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn và ThS Đoàn Thị Vân [2]

Bài báo “Khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển” của các tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch và Đặng Thế Ba, đăng trên tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường - số 41 (6/2013), nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng dựa trên nguyên lý phao nổi Nghiên cứu phân tích và tính toán các đặc tính của thiết bị này, cho thấy rằng việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi hoàn toàn hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng tại vùng biển Việt Nam Kết quả tính toán chỉ ra rằng thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển dạng hình trụ phù hợp với các khu vực có mức năng lượng cao.

Hình 1.4: Mô hình của tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba

Bài báo “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đặt ven bờ” của Tống Đức Năng và Lê Hồng Chương, được đăng trong tạp chí Khoa học và công nghệ xây dựng số 4 – 2017, giới thiệu mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dựa trên nguyên lý phao nổi Nghiên cứu đã tính toán và khảo sát một số thông số chính của thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam Kết quả cho thấy việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi để chuyển hóa năng lượng sóng thành năng lượng dòng thủy lực nhằm quay tuabin máy phát điện là khả thi tại một số khu vực.

Hình 1.5: Mô hình của tác giả Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương [4]

Bài báo “Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện” của các tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, và Huỳnh Châu Duy từ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM và Trường ĐH Bách khoa TP HCM, trình bày các nghiên cứu về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển, bao gồm Aschimedes Wave Swing (AWS) và Wave Dragon (WD) Bài báo cũng giới thiệu các phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab cho thấy hiệu quả của các bộ điều khiển áp dụng cho máy phát điện trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển.

Hình 1.6: Mô hình của tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 đã thúc đẩy mối quan tâm về năng lượng sóng, dẫn đến việc nhiều nhà nghiên cứu kiểm tra tiềm năng tạo ra điện từ sóng biển Hiện nay, trên thế giới có hàng trăm doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này, cùng với nhiều tổ chức và cá nhân đóng góp vào việc phát triển các công trình, phát minh và sáng chế nhằm nghiên cứu và cải tiến công nghệ thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng (WEC).

Hình 1.7: Tỷ lệ phát triển của mô hình sóng biển trên thế giới

Hình 1.8: Các công trình thu hồi năng lƣợng sóng trên thế giới

Pelamis là một hệ thống phao gồm các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, được kết nối bằng bản lề Sự chuyển động của sóng biển khiến hệ thống phao hoạt động mạnh mẽ, tác động lên bơm thủy lực để quay turbin phát điện Nhiều thiết bị tương tự được liên kết với nhau để đảm bảo turbin hoạt động liên tục Dòng điện được truyền qua cáp ngầm dưới đáy đại dương đến bờ, kết nối với lưới điện cung cấp cho hộ sử dụng Một nhà máy điện có công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển khoảng 1 km².

Pelamis neo ở độ sâu từ 50 đến 70 m, cách bờ dưới 10 km, là khu vực có năng lượng sóng cao Thiết bị Pelamis bao gồm ba modul chuyển đổi năng lượng, mỗi modul được trang bị hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ Mỗi thiết bị Pelamis có công suất tối đa 750 kW, với chiều dài từ 140 đến 150 m và đường kính ống từ 3 đến 3,5 m.

Bồ Đào Nha là nơi ra đời hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới với 3 thiết bị có tổng công suất 2,25 MW Năm 2007, Scotland đã lắp đặt 4 thiết bị pelamis với tổng công suất 3 MW, tổng chi phí lên tới 4 triệu bảng.

Crestwing là một hệ thống bao gồm hai phao hình chữ nhật nối liền với nhau qua bản lề, hoạt động tương quan để tạo ra năng lượng Một thanh đẩy gắn vào phao sau sẽ dẫn động một máy phát điện, hoạt động như một phanh hãm khi sóng kéo đi Năng lượng được sinh ra chủ yếu từ áp suất khí quyển, không chỉ từ nguyên lý Archimedes Hệ thống này hứa hẹn sẽ thúc đẩy thị trường tăng trưởng xanh bằng cách chuyển đổi các cơ sở công nghiệp dầu khí ngoài khơi thành các ngành công nghiệp xanh Các nhà máy Crestwing có khả năng sản xuất và lưu trữ hydro, phục vụ làm nhiên liệu cho ngành vận tải biển.

 Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy:

AquaBuOY là một hệ thống phao nổi, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng động học từ chuyển động thẳng đứng của sóng biển thành điện năng sạch Khi sóng biển tác động, phao nổi sẽ trồi lên và ngụp xuống, tạo ra chuyển động mạnh mẽ cho hệ thống xilanh, từ đó sản sinh ra điện Dòng điện được dẫn qua hệ thống cáp ngầm và đưa lên bờ để hòa vào lưới điện.

Hình 1.11 : Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy [6]

Mỗi phao tiêu có thể đạt công suất tới 250 kW, với đường kính phao 6 m Nếu trạm phát điện có công suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển

Bơm ống là một ống cao su cốt thép hoạt động tương tự như bơm thông thường, khi sóng nén, nước biển được phun mạnh về phía sau Thiết bị này có một bộ cao áp giúp quay turbin, từ đó tạo ra điện năng Điện năng thu được sẽ được dẫn qua cáp ngầm vào bờ và hòa chung vào lưới điện.

Aqua Buoy được trang bị các tấm pin mặt trời và turbin gió nhỏ, giúp tạo ra điện năng cho các thiết bị chẩn đoán Tất cả dữ liệu từ thiết bị được truyền tải không dây qua công nghệ vệ tinh về khu vực điều hành Hệ thống Aqua Buoy thường được lắp đặt cách bờ khoảng 5 km, tại những vùng biển có độ sâu 50m.

Năm 2006, dự án 800 kW, ở Makar Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình

Dự án 2 MW tại Figuera da Foz, Bồ Đào Nha và dự án 2 MW ở miền Nam California, Mỹ

Công ty AWS Ocean Energy tại Scotland đã phát minh ra hệ thống phao tiêu chìm ASW, một công nghệ mới chuyển đổi chuyển động sóng thành điện năng Khác với các hệ thống hiện có, phao tiêu này nằm chìm dưới mặt nước, giúp nó không bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu trên bề mặt biển Hệ thống này hoạt động như những quả ngư lôi ở độ sâu khoảng 50 mét, vẫn có khả năng tạo ra điện năng từ sóng biển Thành công của hệ thống này được ghi nhận vào năm 2008.

Hình 1.12 : Hệ thống phao tiêu chìm AWS [6]

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, thủy điện và hạt nhân đang dần cạn kiệt Việc sử dụng năng lượng hóa thạch gây ra tác động tiêu cực đến môi trường và là nguyên nhân chính của biến đổi khí hậu, dẫn đến các thảm họa tự nhiên đe dọa sự sống Do đó, nhiều quốc gia đang nỗ lực nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch đang suy giảm.

Việt Nam, với vị trí địa lý và khí hậu thuận lợi, được coi là một trong những quốc gia sở hữu nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo phong phú và đa dạng, bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học và địa nhiệt Các nguồn năng lượng này phân bố rộng rãi trên nhiều vùng sinh thái khác nhau, tạo cơ hội lớn cho phát triển bền vững.

Năng lượng sóng biển có mức đầu tư thấp hơn và đơn giản hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác, đồng thời ít ảnh hưởng đến môi trường Tuy nhiên, năng lượng sóng biển vẫn chưa được quan tâm nhiều trong nghiên cứu và khai thác tại Việt Nam Mặc dù một mét vuông pin mặt trời chỉ thu nhận từ 0,2 đến 0,3 kW, và tháp điện gió hấp thụ từ 2 đến 3 kW, nhưng mỗi mét vuông bờ biển lại nhận được tới 30 kW năng lượng sóng.

Tính bền vững và khả năng nhân rộng của đề án

Theo thống kê, hơn một ngàn sáng chế về năng lượng sóng biển đã được phát triển trong nhiều năm qua Những sáng chế đầu tiên nhằm khai thác năng lượng từ sóng biển xuất hiện từ năm 1799 và được tập hợp tại Paris bởi Girard và con trai của ông.

Nghiên cứu tiên phong của Yoshio Masuda vào thập niên 1940 đã thực hiện hàng trăm thí nghiệm về các thiết bị năng lượng sóng biển, nhằm chuyển hướng đèn điện.

Mặc dù nhiều công nghệ mới xuất hiện, nhưng chỉ một số ít được các viện nghiên cứu công nghệ toàn cầu lựa chọn để thử nghiệm và phát triển Hiện nay, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các nhà khoa học ngày càng tin tưởng vào tiềm năng của việc phát triển mô hình chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng thông qua các bộ chuyển đổi năng lượng.

Việt Nam sở hữu bờ biển dài hơn 3200 km, xếp thứ 32 trong số 156 quốc gia, cùng với nhiều hải đảo, tạo ra tiềm năng lớn cho năng lượng sóng biển ven bờ Việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho đất nước.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của đất nước, đặc biệt là cho các khu vực khó khăn như ven biển, hải đảo và các hoạt động trên biển Việc phát triển công nghệ này mở ra hướng đi mới cho tương lai, giúp cải thiện nguồn cung cấp năng lượng cho những nơi còn gặp nhiều thách thức.

Dưới sự hướng dẫn của TS Phan Công Bình, học viên đã quyết định chọn chuyên đề "Nghiên cứu và thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển" nhằm khai thác tiềm năng năng lượng tái tạo từ sóng biển.

Để nghiên cứu và phát triển các hệ thống máy phát điện sử dụng năng lượng sóng biển, chúng tôi hướng tới việc giảm tải cho điện lưới quốc gia và tiến đến việc khai thác năng lượng sóng biển như nguồn năng lượng chính.

“Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lƣợng sóng biển” sẽ đáp

Nhu cầu nghiên cứu và phát triển các sản phẩm thực tiễn nhằm cung cấp nguồn điện năng dồi dào cho các khu vực dân cư ven biển và hải đảo ngày càng tăng cao.

Giới hạn của đề tài

1.5.1 Giới hạn về đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là: Sóng nhân tạo tại hồ thí nghiệm

1.5.2 Giới hạn về phạm vi nghiên cứu

Do thời gian hạn chế, nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng từ sóng biển Mục tiêu chính là thử nghiệm thực tế thiết bị tại hồ tạo sóng.

Phương hướng tiếp cận và lựa chọn phương án ý tưởng thiết kế

Tại Việt Nam, hầu hết các thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý phao nổi trên mặt biển, do đó chúng dễ bị ảnh hưởng bởi sóng gió và thời tiết xấu Ngoài ra, một số thiết bị thả chìm chỉ nổi lên phao hoặc thuộc dạng phao thả nổi, khiến tàu thuyền qua lại khó nhận biết, dẫn đến nguy cơ va chạm cao.

Các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển lắp đặt trên bờ sử dụng các mô tơ phát điện công nghiệp truyền thống Tuy nhiên, những mô hình này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp do được lắp cố định và cách xa bộ phận thu nhận năng lượng hoạt động ngoài biển.

Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển nên còn hạn chế trong việc lắp đặt, bảo dƣỡng, thay thế

Các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển thường được lắp đặt nổi trên mặt nước ở những vùng biển sâu, tuy nhiên, trong những ngày biển động hoặc bão, hoạt động của chúng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Hơn nữa, việc lắp đặt thiết bị này cũng có thể gây cản trở cho các phương tiện di chuyển trên mặt biển.

1.6.2 Đề xuất nhiệm vụ của luận văn

Các nghiên cứu và phân tích về thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển trên thế giới và tại Việt Nam cho thấy rằng thiết bị sử dụng phao nổi đạt hiệu suất tốt hơn Bên cạnh đó, để phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của vùng biển nước ta, việc lắp đặt thiết bị phát điện cố định gần bờ biển là một giải pháp thích hợp.

Nguyên lý làm việc vủa thiết bị

Mỗi khi sóng đến, phao (3) nâng lên và kéo dây cáp (10) cùng xích (4) di chuyển, khiến bánh răng (5) quay Quá trình này làm cho trục chính của hộp số 1 chiều (6) quay, từ đó tăng tốc chuyển động và làm quay máy phát (7) để tạo ra dòng điện Đối trọng (9) giữ dây cáp luôn căng trong suốt quá trình hoạt động của thiết bị, đảm bảo chu trình tiếp theo được diễn ra liên tục.

Kết cấu luận văn

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở tính toán năng lƣợng sóng

2.1.1 Những thông số của sóng

Dưới tác động của các lực khác nhau, trên bề mặt phân cách giữa nước và không khí ở biển luôn xuất hiện sóng Khi cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo hướng truyền sóng, giao tuyến sẽ tạo thành đường cong phức tạp, được gọi là profin sóng Quan sát dao động của mặt biển tại một điểm cố định cho thấy sự biến đổi của vị trí mặt nước theo thời gian cũng có hình dạng phức tạp Trong profin sóng, mỗi sóng gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn gọi là đáy sóng, với đỉnh sóng là điểm cao nhất và chân sóng là điểm thấp nhất.

Hình 2.1: Các thông số của sóng

Mực sóng trung bình là đường thẳng chia profin sóng thành hai phần có diện tích bằng nhau Độ cao sóng h được xác định là khoảng cách từ đỉnh sóng đến chân sóng dọc theo hướng truyền của sóng.

Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng

Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một đường thẳng đứng cố định

Vận tốc truyền sóng, hay còn gọi là vận tốc pha, là tốc độ mà ngọn sóng di chuyển theo hướng truyền Khái niệm này chỉ áp dụng cho sóng tiến.

Tỷ số độ cao sóng và bước sóng h/λ gọi là độ dốc của sóng

Sóng được chia thành hai phần: phần từ chân sóng đến đỉnh sóng hướng về phía gió gọi là sườn đón gió, trong khi phần từ đỉnh đến chân sóng khuất gió được gọi là sườn khuất gió.

Hướng truyền sóng trong biển được tính từ hướng bắc đến hướng chuyển động của sóng

Frôn sóng là đường nối các đỉnh sóng trên các profin sóng, phản ánh hướng truyền chính của sóng Tia sóng là đường thẳng vuông góc với frôn sóng tại điểm đang xem xét.

2.1.2 Tính toán năng lƣợng sóng

Công suất trung bình của sóng đƣợc xác định theo lý thuyết tuyến tính và đƣợc tính theo công thức sau [11]:

Mật độ năng lượng trung bình trên một đơn vị diện tích được xác định bằng tổng động năng (E_k) và thế năng (E_p) Công thức tính mật độ năng lượng là E = E_k + E_p Vận tốc nhóm (C) phụ thuộc vào chiều sâu (h), và để đơn giản hóa việc xác định vận tốc này, chiều sâu có thể được chia thành ba loại khác nhau.

Trong lĩnh vực nghiên cứu sâu ta, có ba vùng chính: vùng xa bờ, vùng gần bờ và bờ biển Mỗi vùng này yêu cầu các công thức tính toán vận tốc khác nhau để đảm bảo độ chính xác trong các ứng dụng thực tế.

Xa bờ Gần bờ bờ biển sâu sâu

Trong vùng bờ biển, hay còn gọi là vùng nước cạn, vận tốc nhóm được xác định bằng vận tốc pha Hình 2.2 minh họa phân loại chiều sâu mực nước trong khu vực này.

Cơ sở tính toán thiết kế mô hình phao

Mặc dù các phao thu nhận hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động tịnh tiến giống nhau, nhưng sự khác biệt về hình dạng và kích thước sẽ ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả hoạt động của thiết bị.

Hình 2.3: Một số hình dạng thông dụng của phao

Phao sẽ chịu tác dụng của lực đẩy Acsimet:

Trong đó: g=9.81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường

20 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của nước biển.

(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ

Theo điều kiện nổi của các vật thì điều kiện để phao nổi cân bằng trên mặt nước:

G = Fa - Với G là trọng lƣợng của phao

Cơ sở tính toán thiết kế đối trọng

Đối trọng giữ phao ở trạng thái cân bằng khi nổi trên mặt nước, đồng thời tăng quán tính trong quá trình thu hồi năng lượng sóng.

Hình 2.4: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng

Ta có các lực tác dụng lên phao:

: trọng lực của đối trọng

: trọng lực của phao Phương trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí cân bằng:

Trong đó: g=9.81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường

20 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của nước biển. m p là tổng khối lƣợng của phao m đt là tổng khối lƣợng của đối trọng

(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ

Tính toán năng lƣợng sóng

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 năng lƣợng của sóng: [13]

Công suất trên 1 đơn vị bề rộng sóng [13]

E: Mật độ năng lƣợng sóng (N.m)

: công suất sóng trên 1 đơn vị bề rộng sóng (

: tần số góc (rad/s) c: Vận tốc sóng (ft/s hoặc m/s) h: Độ sâu của mực nước biển (ft hoặc m)

Tính toán, thiết kế, chế tạo phao

Dựa trên các điều kiện lý thuyết, phao có thiết kế hình khối nón kết hợp với khối trụ được xác định là tối ưu nhất Phần khối nón chìm dưới nước giúp giảm thiểu lực cản từ nước biển, đồng thời tối ưu hóa chiều cao của mực nước ngập so với tổng chiều cao của phao.

33 phao từ 500 – 520 mm là đủ điều kiện cân bằng và tiết diện tiếp nhận đƣợc năng lƣợng sóng là lớn nhất

Hình 3.1 : Bản vẽ tổng thể của phao

Thông số Ký hiệu Giá trị Đường kính phao Φ (mm) 650

Bảng 3.1: Các thông số của phao.

Tính toán, thiết kế, chế tạo đối trọng

Đối trọng đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho phao luôn ở vị trí cân bằng trên mặt biển, đồng thời hỗ trợ cho cơ cấu hoạt động liên tục trong quá trình thu hồi năng lượng.

Hình 3.2: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng

Phương trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí cân bằng với chiều cao phần ngập nước là 500mm:

Trong đó: g=9.81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường

20 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của nước biển. m p là khối lƣợng của phao

(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ

Thiết kế, chế tạo khung

Các bộ khung chịu tác động từ sóng biển được thiết kế theo dạng hình chữ nhật với kích thước dài 1200mm và rộng 1000mm, trong đó chiều dài đặt song song với hướng va đập của sóng nhằm tăng độ cứng vững Để đảm bảo đáp ứng yêu cầu về mực nước biển, chiều cao tổng của các khung chịu va đập được thiết kế là 2900mm.

Hình 3.4 : Bản vẽ tổng thể thiết bị

Bộ khung là yếu tố quan trọng tạo nền móng vững chắc cho toàn bộ cấu trúc khi chịu tác động của sóng biển và độ lún của cát Phương pháp thi công được áp dụng là đóng trực tiếp bộ khung xuống cát Để khắc phục vấn đề bề mặt cát không phẳng, chúng ta sử dụng mặt bích chống lún có khả năng điều chỉnh cao độ.

Để đảm bảo độ cứng vững, chiều sâu tối thiểu cần được đóng xuống là 500mm Tuy nhiên, để gia cố thêm và đáp ứng nhiều vị trí lắp đặt khác nhau, khoảng cách tối đa có thể đóng xuống cát là 900mm, nhằm hiệu chỉnh mặt bích chống lún theo thiết kế.

Hình 3.5 : Bản vẽ tổng thể khung đóng xuống cát

Giàn giáo trong xây dựng được điều chỉnh để phục vụ mục đích leo trèo và hỗ trợ cấu trúc trên với độ bền, độ cứng và khả năng chịu va đập tốt hơn Đặc biệt, giàn giáo cần phải đáp ứng được yêu cầu ngâm dưới nước biển, điều mà giàn giáo truyền thống không thể làm Để phù hợp với độ sâu mực nước biển từ 1300 mm đến 1500 mm tại Vũng Tàu, bộ khung thang đỡ được thiết kế với chiều cao 1500 mm, đảm bảo khoảng cách an toàn với nước biển cho các phần quan trọng phía trên.

Hình 3.6 : Bản vẽ tổng thể khung thang đỡ

Khung lắp được thiết kế để hỗ trợ và lắp ráp các cơ cấu quan trọng như bàn đặt hộp số - máy phát và bàn đặt máy tính, đồng thời cho phép điều chỉnh và cố định cần theo mực nước Khung này cũng có khả năng chịu trọng lượng của một đến hai người.

Thiết kế khung lắp cần phải đảm bảo sự gọn nhẹ, linh động và khả năng chịu tải tốt Kích thước của khung phải phù hợp với các cụm lắp ráp phía trên, đồng thời cần có không gian trống để thuận tiện cho quá trình lắp ráp, hiệu chỉnh và đo đạc.

Hình 3.7 : Bản vẽ tổng thể khung lắp cần

 Khung lắp hộp số, máy phát:

Khung lắp hộp số, máy phát dùng để gắn, cố định các phần của cơ cấu nhƣ hộp số một chiều, cảm biến và máy phát

Thiết kế khung lắp hộp số máy phát cần đảm bảo sự đồng trục giữa ba thành phần: hộp số, cảm biến và máy phát Điều này có thể đạt được thông qua việc sử dụng các rãnh hiệu chỉnh, cho phép điều chỉnh chính xác giữa các phần.

Hình 3.8 : Bản vẽ tổng thể khung lắp hộp số, máy phát

Bàn đặt máy tính cần có khả năng đặt đƣợc một cụm máy tính để bàn phục vụ cho nhu cầu lấy số liệu

Hình 3.9 : Bản vẽ tổng thể bàn đặt máy tính.

Thiết kế chế tạo cần đỡ

Cần có nhiệm vụ chính là để dẫn hướng cáp, đảm bảo trong quá trình truyền động được ổn định bằng việc gắn các puly dẫn hướng

Hình 3.10 : Bản vẽ tổng thể cần.

Thiết kế chế tạo hộp số

Hộp số bao gồm 2 bánh xích (R1, R2) và 3 bánh răng (R3, R4, R5), trong đó 2 bánh xích phía ngoài kết nối với xích tải và được lắp với 2 trục truyền động Hai trục này gắn với 2 bánh răng phía trong và ổ bi một chiều, trong khi bánh răng R5 được cố định với trục đầu ra Hộp số kết hợp với bộ truyền xích thực hiện hai nhiệm vụ chính.

Hộp số kết hợp với bộ truyền xích là để chuyển từ chuyển động thẳng lên xuống thành chuyển động quay một chiều

Hộp số tốc độ của trục máy phát giúp tăng tốc độ hoạt động Hệ số tăng tốc được xác định bởi tần số sóng biển, cũng như tần số và số cực của máy phát.

Hình 3.11: Bản vẽ tổng thể hộp số

Thông số Ký hiệu Giá trị

Moment quán tính bánh đà ( ) 0,25

Bán kính đĩa xích 1,2 R 1 , R 2 (m) 0,03 Bán kính bánh răng 3, 4 R 3 , R 4 (m) 0,12

Tỉ số truyền của hộp số K 114/31

Bảng 3.2 : Thông số kỹ thuật của hộp số.

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

Mô phỏng trên Matlab/Simulink

4.1.1 Chương trình đo Để xây dựng chương trình tính toán mô phỏng hoạt động thiết bị, hình 5.4 trình bày sơ đồ khối để tính toán động lực học Sơ đồ có hai khối chính là tính toán chuyển của phao và cụm máy phát

Khối tính chuyển động của phao được xác định dựa trên điều kiện sóng và thông số thiết bị đã được thiết kế Các hệ số thủy động học được tính toán và tích hợp vào chương trình tính toán tổng hợp lực, giúp xác định chuyển động của phao thông qua phản lực từ cụm máy phát Vị trí mới của phao sẽ được cập nhật để tính toán vị trí tiếp theo.

Khối tính chuyển động của máy phát được xác định bằng cách chuyển đổi lực dẫn động thành mômen dẫn động của cụm máy phát Sau đó, tổng hợp mômen dẫn động với mômen sinh ra từ máy phát sẽ giúp tính toán chuyển động quay của bánh đà máy phát, dựa trên định luật 2 Newton liên quan đến mômen quán tính của bánh đà.

Chương trình mô phỏng nhằm mục đích xây dựng các phản ứng của hệ thống đối với các điều kiện sóng biển và hệ số tải khác nhau Trong quá trình mô phỏng, chúng tôi thực hiện tính toán mômen và vận tốc của máy phát, từ đó xác định năng lượng thu được.

4.1.2 Mô phỏng trên Matlab/Simulink

Thông số thủy động học và hình học của thiết bị

Tính lực tổng hợp lực thủy động

Tính gia tốc máy phát

Hình 4.1: Sơ đồ khối tính toán động lực học thiết bị

Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng, như thể hiện trong hình 4.1, cho thấy biên dạng sóng và các thông số thủy động học trong điều kiện nước phẳng Những thông số này được sử dụng để tính toán hợp lực thủy động tác động lên phao Chuyển động của phao được xác định dựa trên phương trình II Newton.

Momen xoắn trên trục ra của hộp số tăng tốc đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn động máy phát Mô hình máy phát được thiết kế nhằm xác định vận tốc quay và năng lượng thu được, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Chương trình mô phỏng được xây dựng trên môi trường Matlab/Simulink như hình 4.2

Hình 4.2: Chương trình mô phỏng kết quả hoạt động trên matlab/Simulink

Chương trình mô phỏng được thực hiện trong 3 trường hợp trong điều kiện sóng trong bảng 5.1 và 3 trường hợp R u trong bảng 5.3

Thông số Ký hiệu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3

Tần số góc (rad/s)  3 2.5 2 Độ cao sóng (m) 0.1 0.125 0.15

Bảng 4.1: Điều kiện sóng làm việc

Thông số Ký hiệu Giá trị

Mômen quán tính bánh đà ( ) 0.25

Bán kính đĩa xích 1,2 R 1 , R 2 (m) 0.03 Bán kính bánh răng 3, 4 R 3 , R 4 (m) 0.12

Tỉ số truyền của hộp số K 114/31

Bảng 4.2: Thông số thiết bị

Thông số mô phỏng được sử dụng để đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống dưới các điều kiện sóng khác nhau và các giá trị R u của máy phát khác nhau Trong quá trình này, các thông số của hệ thống như bánh xích, bánh răng, bánh đà và tỷ số truyền của hộp số được giữ cố định.

Từ điều kiện sóng, kích thước phao, chiều sâu vị trí lắp đặt các thông số thủy động học đƣợc tra nhƣ trong hình 5.6

Kết quả thí nghiệm đƣợc thực hiện trong 30s đƣợc in trên hình Thể hiện vị trí của phao, vận tốc, mômen và năng lƣợng cấp cho máy phát

Hình 4.3: Thông số thủy động học của sóng biển đối với chiều sâu 1m và phao hình trụ bán kính 0.325m

Kết quả mô phỏng và thảo luận

Kết quả mô phỏng được trình bày cho ba trường hợp sóng khác nhau, bao gồm biên dạng sóng, vị trí phao, mômen, vận tốc và năng lượng Mỗi trường hợp cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến hành vi của sóng.

3 giá trị Ru khác nhau

Vitri phao Ru=0 Vitri phao Ru=0.1 Vitri phao Ru=1

Moment Ru=0 Moment Ru=0.1 Moment Ru=1

Van toc Ru=0 Van toc Ru=0.1 Van toc Ru=1

400 Nang luong Ru=0 Nang luong Ru=0.1 Nang luong Ru=1

Hình 4.4 : Kết quả mô phỏng trường hợp sóng 1

Vitri phao Ru=0 Vitri phao Ru=0.1 Vitri phao Ru=1

4 Moment Ru=0 Moment Ru=0.1 Moment Ru=1

Van toc Ru=0 Van toc Ru=0.1 Van toc Ru=1

600 Nang luong Ru=0 Nang luong Ru=0.1 Nang luong Ru=1

Hình 4.5: Kết quả mô phỏng trường hợp sóng 2

Vitri phao Ru=0 Vitri phao Ru=0.1 Vitri phao Ru=1

6.0 Moment Ru=0 Moment Ru=0.1 Moment Ru=1

20 Van toc Ru=0 Van toc Ru=0.1 Van toc Ru=1

500 Nang luong Ru=0 Nang luong Ru=0.1 Nang luong Ru=1

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng trường hợp sóng 3

Hệ số tải của máy phát ảnh hưởng đáng kể đến biên độ dao động và năng lượng thu được Khi Ru = 0, biên độ dao động của phao lớn nhất, dẫn đến vận tốc cao nhất, nhưng năng lượng thu được là 0 do không có tải Ngược lại, khi Ru = 1, biên độ dao động và vận tốc của phao đều thấp nhất, làm giảm năng lượng thu được Trong trường hợp Ru = 0.1, chuyển động của phao nằm giữa hai trường hợp trên, với biên độ dao động lớn hơn Ru = 1 và nhỏ hơn Ru = 0, nhưng năng lượng thu được lại cao hơn cả hai trường hợp trước.

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc lựa chọn trở lực kỹ thuật có ảnh hưởng lớn đến năng lượng thu được Nếu trở lực quá lớn, chuyển vị của phao sẽ giảm, và ngược lại Việc chọn trở lực phù hợp giúp tăng cường năng lượng thu hồi Để khảo sát tác động của trở lực đến công suất và hiệu suất thu hồi, kết quả mô phỏng được trình bày trong hình 4.7, cho thấy công suất và hiệu suất thu hồi cao nhất tương ứng với các giá trị trở lực nhất định.

Hình 4.7: Công suất và hiệu suất thu đƣợc khi thay đổi tải

THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ

Thí nghiệm khô

5.1.1 Thiết lập hệ thí nghiệm

Tổng thể hệ thí nghiệm khô được thể hiện trong hình 5.1 dưới đây (1) Khung chính của hệ thí nghiệm, Phao (3) truyền chuyển động đến hộp số (5) nhờ vào Cần

(2) Dữ liệu thu đƣợc từ cảm biến (4) truyền về bàn điều khiển (6)

Hình 5.1: Tổng thể thiết lập hệ thí nghiêm khô

(1) Khung chính; (2) Cần; (3) Phao; (4) Cảm biến đo mực nước; (5) Hộp số;

Module đọc giá trị vận tốc

Module đọc giá trị mô men

Cảm biến đo biên độ giao động phao

Biểu đồ và số liệu giá trị vận tốc

Biểu đồ và số liệu biên độ dao động phao

Biểu đồ và số liệu giá trị mô men

Cảm biến đo mô men

Cảm biến đo vận tốc

Biên độ giao động phao (mm)

Hình 5.2: Sơ đồ khối kết nối các thiết bị đo trên hệ thí nghiệm

Khi sóng tác động lên phao, dây cáp nối từ phao đến cơ hệ làm quay bánh đà, dẫn đến sự giao động của quả nặng gắn trên Đồng thời, thiết bị đo moment và vận tốc nhận tín hiệu từ bánh đà qua khớp nối mềm, trong khi cảm biến vận tốc, moment và vị trí phao cũng tiếp nhận tín hiệu từ cơ hệ.

Cảm biến đo vận tốc và moment cung cấp tín hiệu analog từ 4-20 mA cho các module tương ứng, giúp xử lý và chuyển đổi tín hiệu thành dạng 0-10 V để card PCI 1711 nhận diện Đối với cảm biến đo vị trí, thiết bị cung cấp giá trị điện áp 0-10 V tương ứng với biên độ giao động của quả nặng, sau đó tín hiệu analog sẽ được gửi về card PCI 1711 để xử lý.

Card PCI 1711 được tích hợp vào Simulink và hoạt động ở chế độ real time Khi card nhận tín hiệu đồng thời từ ba cảm biến, dữ liệu analog sẽ được chuẩn hóa theo các đơn vị đo lường khác nhau Cụ thể, tín hiệu vận tốc sẽ được chuyển đổi từ điện áp thành vòng/phút, tín hiệu moment sẽ được chuẩn hóa thành N.m, và tín hiệu vị trí sẽ được chuyển đổi về mm.

Sau khi hoàn tất quá trình thu thập dữ liệu, chúng ta cần lưu trữ thông tin vừa nhận được Đồng thời, việc biểu thị các giá trị này dưới dạng biểu đồ sẽ giúp chúng ta dễ dàng quan sát, đánh giá và kiểm tra kết quả.

Hình 5.3: Thiết bị đo tốc độ và tạo momen

(1) Bánh đà; (2) Cảm biến đo momen và vận tốc; (3) Tạo momen

Hệ thống cảm biến đo vận tốc và mô men được lắp đặt để thu thập dữ liệu từ trục bánh đà Khi tải bằng 0, thiết bị tạo mô men cấp tải vào giúp trục sinh ra mô men Cảm biến sẽ ghi lại thông tin về mô men và vận tốc của trục bánh đà.

Hình 5.4 : Thiết bị đo biên độ dao động của phao

(1) Cảm biến dạng dây kéo; (2) Vị trí gắn cảm biến; (3) Đối trọng

Biên độ dao động của phao liên quan trực tiếp đến biên độ dao động của đối trọng (3) Cảm biến dạng dây kéo (1) được gắn vào phần thân của khung, trong khi đầu dây còn lại kết nối với đối trọng để đo lường biên độ dao động của nó.

Hình 5.5 : Giả lập chuyển động của phao bằng thủ công

Giả lập chuyển động của phao với biên độ dao động tối đa 150mm bằng sức người kéo, như mô tả trong hình 5.5, cho thấy chuyển động kéo lên xuống tương tự như chuyển động của phao Chuyển động này được truyền đến dây cáp, tạo ra sự tương tác giữa phao và các thành phần khác trong hệ thống.

(2) và xích (3) làm quay hộp số

Hình 5.6: Kết quả thí nghiệm khô

Momen và tốc độ của trục hộp số bị ảnh hưởng bởi tải trọng; khi tải tăng, momen máy phát tăng và tốc độ giảm Trong trường hợp không có tải, biên độ dao động của phao đạt cực đại, dẫn đến tốc độ trục hộp số cao nhất, tuy nhiên, công suất thu được bằng 0 do không có momen.

Khi tải trọng đạt mức tối đa, biên độ dao động của phao sẽ giảm xuống mức thấp nhất, dẫn đến vận tốc của phao cũng giảm theo, trong khi đó momen sẽ đạt giá trị cao nhất.

Hệ thống thu thập dữ liệu thể hiện thiết bị đáp ứng tốt với điều kiện hoạt động đề ra

Thí nghiệm tại hồ tạo sóng

5.2.1 Thiết lập hệ thí nghiệm

Hình 5.7: Mô hình 3D hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng

Hình 5.8: Mô hình thực tế hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng

Hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng bao gồm ba phần chính: thiết bị tạo sóng, thiết bị tương tác và bộ phận chuyển đổi PTO Thiết bị tạo sóng chịu trách nhiệm tạo ra sóng với biên độ và tần số theo yêu cầu, sau đó sóng tác động vào thiết bị tương tác, gây ra chuyển động lên xuống Chuyển động này được bộ phận chuyển đổi PTO biến đổi từ chuyển động hai chiều của phao thành chuyển động một chiều quay của máy phát, giúp tối ưu hóa quá trình thu năng lượng.

Hình 5.9: S óng thí nghiệm tại hồ

Hình 5.9 chỉ ra rằng sóng thử nghiệm đạt độ cao tối đa là 1m và tối thiểu là 0,75m tại độ sâu 1m Thông tin chi tiết về các thông số của sóng thí nghiệm được trình bày trong Bảng 5.1.

Thông số Ký hiệu Giá trị

Tần số góc (rad/s)  5,03 Độ cao sóng (m) 0,25

Bảng 5.1: Thông số sóng thí nghiệm tại hồ

Quá trình thiết lập các thiết bị đo đạc lấy tín hiệu tương tự như hình 5.1, hình 5.2, hình 5.3 và hình 5.4

Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3 0.0

Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3 -20

Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3

Hình 5.10: Kết quả thí nghiệm tại hồ tạo sóng

Mômen và tốc độ của trục hộp số bị ảnh hưởng bởi tải trọng Khi tải trọng tăng, mômen của máy phát cũng tăng trong khi tốc độ giảm Trong trường hợp không có tải, biên độ dao động của phao đạt tối đa 115 mm, dẫn đến tốc độ trục hộp số đạt cao nhất là 95 v/p, tuy nhiên công suất thu được bằng 0 do không có mômen.

Khi tải lên tối đa, biên độ dao động của phao giảm xuống còn 10 mm, dẫn đến tốc độ trục hộp số thấp nhất là 25 v/p và momen đạt giá trị cao nhất là 1,7 Nm.

Trong trường hợp tăng tải, biên độ dao động lớn nhất của phao đạt 50 mm, tốc độ tối đa của trục hộp số là 80 v/p và momen cao nhất đạt 1,2 Nm Khi đó, hệ thống sẽ sinh ra công suất tối đa.