TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TỐN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN STUDY ON THE MECHANICAL MODEL AND CALCULATING STABILITY OF AN ELECTRICAL GENERATOR FROM SEA WAVE ENERGY Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 27/05/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: TS Nguyễn Quốc Tuấn Tóm tắt: Báo cáo đưa kết đạt nghiên cứu thiết lập mơ hình học thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển sang lượng điện Mơ hình thiết bị hoạt động theo phương thẳng đứng sóng biển, phao thả mặt biển truyền lượng nhận từ sóng biển đến mơtơ phát điện gắn cố định đáy biển thơng qua dây cáp Các tính tốn đưa cấu trúc mơ hình thiết bị nghiên cứu thiết lập, vùng hoạt động ổn định ổn định mơ hình, phạm vi dao động xác định mức công suất thiết bị nhận theo điều kiện sóng biển thực tế Việt Nam Từ khóa: Năng lượng tái tạo, lượng sóng biển, máy phát điện, chuyển đổi lượng Abstract: This paper presents some results achieved in study on the mechanical model of device for converting sea wave energy into electrical energy The device model works in the vertical direction of sea waves The buoy of device floats on the sea surface to receive the energy from sea waves, it is directly connected via a rope to the electrical generating motor fixed on the seabed The calculations give the main structure of device model to be studied and established, indicating the stable and unstable operating area of the model, the range of oscillation and determining the mechanical power level of device received according to Vietnam’s actual sea wave conditions Keywords: Renewable energy, sea wave energy, electrical generator, power conversion GIỚI THIỆU CHUNG Trên giới, mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển nghiên cứu phát triển nước Anh, Mỹ, Nhật Bản, Tây Ban Nha, Thụy 24 Điển, Úc, Ý, Các mơ hình thiết bị chế tạo theo nhiều phương pháp cách thức hoạt động khác nhau, chủ yếu chia thành hai loại thiết bị hoạt động mặt biển thiết bị lắp Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đặt cố định đáy biển, tiêu biểu [1-9]: Thiết bị phát điện lắp đặt cố định đáy biển nghiên cứu, chế tạo với phần phát điện thiết bị gắn cố định đáy biển kết nối với phao thả mặt biển qua dây cáp định hướng chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng Công suất phát điện thiết bị chế tạo vào khoảng 10 kW [1-6] Thiết bị phát điện thả mặt biển với cơng suất phát điện từ 10÷750 kW, chủ yếu gồm loại: Thiết bị phát điện dạng phao trụ sử dụng môtơ phát điện loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng phát điện trực tiếp [5-7]; thiết bị phát điện dạng rắn biển (Pelamis) chế tạo gồm bốn khoang phao thả mặt biển, khoang phao kết nối với khớp thủy lực Dưới tác động sóng biển, hệ thống thủy lực hoạt động đẩy dầu nạp vào bình tích áp Dầu từ bình tích áp điều chỉnh cấp với dịng lượng dầu có áp suất cao lưu lượng ổn định truyền dẫn đẩy quay mơtơ phát điện [5-7]; Ngồi ra, Nhật Bản, nhà khoa học đưa mơ hình thiết bị phát điện lắp đặt cố định mặt biển Cấu trúc thiết bị gồm phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng cấu truyền động để kéo môtơ phát điện hoạt động phát điện [6,8,9] Tại Việt Nam, có số đơn vị thực nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển như: Viện Số 25 Nghiên cứu khí thực đề tài KC.05-17/06-10, nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát điện sử dụng lượng sóng biển Thiết bị chế tạo gồm năm khoang phao, ba khoang để thu nhận lượng sóng hai khoang chứa môtơ phát điện, khoang kết nối khớp thủy lực Với công suất phát điện tính tốn từ 5÷10 kW [10] Ngồi ra, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Nghiên cứu khí thực nghiên cứu tính tốn động lực học hệ thống phát điện lượng sóng Các tác giả tính tốn thiết kế mơ hình thiết bị đặt trụ đứng gắn cố định bề mặt sóng Năng lượng sóng biển từ phao nhận thông qua hệ thống thủy lực truyền dẫn đẩy quay môtơ phát điện phát điện năng, cơng suất phát điện tính tốn mức 0,5 kW [11]; Tại Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam thực nghiên cứu hai mơ hình thiết bị gồm: Thiết bị hoạt động mặt biển chế tạo gồm hai khoang chứa dưới, khoang nhận nước biển đổ vào nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng sóng đến đỉnh sóng đồng thời khoang xả nước đẩy quay môtơ phát điện [12] Thiết bị gắn cố định đáy biển xây dựng gồm hai phần chính, phần phát điện gắn cố định đáy biển sử dụng môtơ phát điện ba pha loại nam châm vĩnh cửu hoạt động theo phương thẳng đứng, phao thiết bị thả mặt biển truyền lượng sóng biển nhận xuống phần phát điện đáy 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) biển thông qua dây cáp [13,14] Mặt khác, qua số liệu quan trắc thống kê, trung bình năm Việt Nam thường hứng chịu khoảng 10 bão, mối gây nguy hại trực tiếp cho thiết bị phát điện từ lượng sóng biển hoạt động biển Các số liệu khảo sát cho thấy độ cao sóng biển ven bờ khoảng 0,6÷1,4 m với chu kỳ sóng từ 2÷8 giây, ngồi khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với chu kỳ từ 6÷8 giây Đặc biệt biển động độ cao sóng ven bờ đạt từ 3,5÷5 m, ngồi khơi đạt từ 6÷9 m [15,16] Do vậy, để xây dựng mơ hình thiết bị phù hợp hiệu theo điều kiện thực tế biển Việt Nam Mơ hình nghiên cứu hoạt động theo phương thẳng đứng, phần phát điện thiết bị gắn cố định đáy biển kết nối với phao thả mặt biển Phân tích xây dựng mơ hình thiết bị: Cấu trúc mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển xây dựng hình Sóng biển Phao Giá định hướng trục chuyển động theo phương thẳng đứng Piston Thanh Bánh Tăng tốc chuyển động Môtơ phát Tăng tốc chuyển động Mơtơ phát Tích hợp ổn định điện áp Điện áp cấp Lò xo Vỏ thiết bị Hình Sơ đồ ngun lý mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển 26 Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong đó, phận mơ hình thiết bị thiết lập gồm: phao dạng trụ tròn; dây cáp; cấu ghép nối - piston; tăng tốc chuyển động quay để chuyển đổi chuyển động quay chậm ban đầu nhận từ sóng biển sang chuyển động quay nhanh môtơ phát điện, tăng tốc chuyển động đầu ghép nối với đầu cịn lại ghép nối với mơtơ phát điện; lò xo chuyển động đầu ghép nối với răng, đầu lại gắn xuống chân đế thiết bị, chức lò xo thiết kế để kéo trục - piston chuyển động xuống mơtơ phát điện hoạt động sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng Trong mơ hình tác giả đưa vào sử dụng hai mơtơ phát điện, nhằm tối ưu thiết kế lắp đặt thuận lợi việc lựa chọn loại môtơ phát điện hiệu suất cao Trong nghiên cứu này, trước tiên tác giả thu thập phân tích số liệu sóng biển, thiết lập mơ hình thiết bị, thực tính tốn mơ số nhằm xác định vùng hoạt động ổn định, phạm vi dao động hệ theo thơng số mơ hình mức cơng suất thiết bị nhận theo điều kiện thực tế sóng biển Việt Nam THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG Từ sơ đồ ngun lý mơ hình xây dựng (hình 1), mơ hình học thiết bị phát điện từ lượng sóng biển quy vật khối lượng m chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng Số 25 tác dụng sóng biển đưa hình Trong đó, hình 2a mơ hình học thiết bị thiết lập sử dụng hai môtơ phát hình 2b mơ hình tương đương zS(t) m z(t) γ1 k1 γ2 k2 (a) Mơ hình học thiết bị sử dụng hai môtơ phát zS(t) m z(t) k γ (b) Mơ hình tương đương Hình Mơ hình học thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Trong đó, hệ số cản đàn hồi lò xo tương ứng: γ = γ1 + γ2; k = k1 + k2, γ1 hệ số cản môtơ phát 1, γ2 hệ số cản môtơ phát 2, k1 hệ số đàn 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hồi lò xo k2 hệ số đàn hồi lị xo Phương trình chuyển động mơ hình thiết lập quy vật phao ghép nối gắn chặt với trục – piston chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng z, viết sau: m d 2z dz gSb ( z s z ) mg dt dt m Các thành phần phương trình (1) gồm: m khối lượng phao – piston, thành phần nước kèm tác động lên mơ hình bỏ qua [3,4]; lực acsimet tác dụng lên phao ρgSb(zs - z) với ρ khối lượng riêng nước biển, g gia tốc trọng trường, diện tích đáy phao Sb=πr2 với r bán kính, zs khoảng cách từ đáy biển đến bề mặt sóng biển, z chuyển động phao - piston (là khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao); mg trọng lượng phao - piston; lực cản dz với γ hệ số cản; lực đàn hồi lò dt xo kL(z - z0) với kL hệ số đàn hồi lò xo, kN hệ số phi tuyến lò xo, z0 khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao mặt biển tĩnh Trong tính tốn hệ số cản γ xét gồm: γ = γf + γem, với γf hệ số cản nhớt nước biển, γem hệ số cản điện môtơ phát để chuyển đổi từ lượng sang lượng điện Theo tài liệu công bố độ cản nhớt nước biển [17,18], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt γf nước biển nhỏ so với hệ số 28 d 2z dz gSb ( z s z ) mg em dt (2) dt k L ( z z0 ) k N ( z z0 ) (1) k L ( z z0 ) k N ( z z0 ) cản điện γem môtơ phát điện nên bỏ qua Việc bỏ qua hệ số cản nhớt nước biển tương đồng theo nghiên cứu công trình [3,4] Do vậy, phương trình (1) viết lại có dạng: TÍNH TỐN SỰ HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA MƠ HÌNH THIẾT BỊ Để tính tốn hoạt động ổn định mơ hình, ta khảo sát dao động hệ trường hợp cộng hưởng Từ phương trình chuyển động (2), ta thực đổi biến z – z0 = x Phương trình chuyển động (2) hệ viết lại dạng: d 2x gSb ( z s z0 x) mg dt dx em k Lx k N x dt Xét hàm sóng có dạng: zs A cos(t ) z0 m Đặt: B được: gSb k L gSb A m m ; k N m ;c (3) em m ; Thay vào biểu thức (3), ta dx d 2x x c x3 B cos(t ) g dt dt (4) Trong trường hợp gần cộng hưởng 2 , thực biến đổi ta được: d 2x 2 x f ( x, x, t ), dt (5) Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) với ký hiệu: f ( x, x, t ) c dx x x3 B cos(t ) g dt Áp dụng phương pháp trung bình hóa học phi tuyến, hệ phương trình (8) viết dạng: Thực biến đổi phương trình vi phân (5) dạng chuẩn Lagrange-Bogoliubov, sử dụng phép biến đổi [19,20]: x a cos(t ) x0 (6) Thực tính tốn, ta có hệ phương trình xác định a a sau: f (a cos(t ) x0 , 1 sin(t ), a a sin(t ), t ) x0 (7) f (a cos(t ) x0 , 1 cos(t ) a a sin(t ), t ) x0 Để xác định nghiệm hệ phương trình (7), ta thực phép đổi biến: t Thực biến đổi, ta được: ca sin a cos x (a cos x )3 da 1 0 sin , B cos cos dt B sin sin x g ca sin a cos x (a cos x ) d 1 0 a cos B cos cos dt B sin sin x g (8) Ta đặt: F (a, , ) ca sin a cos x0 (a cos x0 )3 B cos cos B sin sin x0 g Số 25 da dt a d dt 1 2 F (a, , ) sin d, 2 2 1 F (a, , ) cos d 2 (9) Thực tính tốn ta được: da ca B sin , 2 dt d 3 a a a 3ax B cos 2 dt Cho a 0, ta công thức xác định nghiệm dừng: B sin ca0 , B cos a0 3x a0 (10) Giải hệ phương trình (10), ta nhận phương trình hàm biên độ - tần số sau: 2 B2 a0 3x0 c 22 a0 (11) Hình đưa đồ thị biểu diễn phụ thuộc biên độ a0 theo tần số Ω2 với thông số lấy sau: m = 25 kg; r = 0,35 m; g = 9,81 m/s2; x0 = 0,4 m; kL = 1900 N/m kN = 700 N/m3, trường hợp hệ số cản γem khác sóng biển có biên độ 0,5 m 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω , với A = 0,5 m Hình đưa đồ thị biểu diễn phụ thuộc biên độ a0 theo tần số Ω2 với thơng số mơ hình: m = 35 kg; r = 0,45 m; g = 9,81 m/s2; x0 = 0,5 m; kL = 2200 N/m kN = 2000 N/m3, hệ số cản γem thay đổi sóng biển có biên độ 0,75 m Hình Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω , với A = 0,75 m Từ biểu thức (11) đồ thị cho thấy, với hệ số cản γem, dạng đường cong biên độ theo tần số Ω2 hệ khác phức tạp Cụ thể, trường hợp đồ thị đường cong biên độ 30 tần số với hệ số cản γem = 40 hình γem = 80 hình 4, cho thấy Ω2 tăng, biên độ dao động dừng a0 nhận giá trị nhánh từ điểm (I) qua điểm (II) đến điểm (III) Tại điểm (III) xảy tượng ổn định, biên độ dao động tụt xuống điểm (V), nhận giá trị nhánh từ điểm (V) sang điểm (VI) Khi Ω2 giảm, biên độ dao động dừng nhận giá trị nhánh từ điểm (VI) qua điểm (V) đến điểm (IV) Tại điểm (IV) có tượng nhảy vọt biên độ dao động từ điểm (IV) lên điểm (II), biên độ nhận giá trị nhánh từ điểm (II) phía điểm (I) Do vậy, nhìn chung vùng dao động ổn định nhánh vùng tần số từ điểm (I) đến điểm (II) vùng tần số từ điểm (V) đến điểm (VI) Trong vùng tần số từ điểm (II) đến điểm (III) giảm từ điểm (V) điểm (IV), dao động hệ có nhảy mức với biên độ dao động không ổn định, vùng nguy hiểm cần tránh tính tốn chế tạo thiết bị hoạt động Mặt khác, có đủ số liệu điều kiện sóng biển thực tế vùng biển có biên độ sóng lớn, ta khai thác mơ hình hoạt động vùng tần số ổn định gần điểm (II) để biên độ dao động hệ nhận lớn lượng hệ nhận từ sóng biển lớn Do vậy, để thiết bị hoạt ổn định phù hợp với điều kiện thực tế sóng biển, thiết bị nên lựa chọn chế tạo hoạt động vùng tần số miền (I), giá trị tần số miền (I) an toàn so với phạm vi dao động sóng biển thực tế Việt Nam Số 25 ... thực nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển như: Viện Số 25 Nghiên cứu khí thực đề tài KC.05-17/06-10, nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát điện sử dụng lượng sóng biển Thiết. .. Tích hợp ổn định điện áp Điện áp cấp Lò xo Vỏ thiết bị Hình Sơ đồ nguyên lý mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển 26 Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC... 2b mơ hình tương đương zS(t) m z(t) γ1 k1 γ2 k2 (a) Mô hình học thiết bị sử dụng hai mơtơ phát zS(t) m z(t) k γ (b) Mơ hình tương đương Hình Mơ hình học thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Trong