Luận án tiến sĩ nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng điện ứng dụng khai thác năng lượng sóng tại vùng biển việt nam

vkou BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHÙNG VĂN NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG - ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHÙNG VĂN NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG SÓNG TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN THẾ MỊCH PGS.TS ĐẶNG THẾ BA LỜI CẢM ƠN Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu hoàn thành luận án “Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam” trường Đại học Bách khoa Hà nội tác giả nhận nhiều giúp đỡ từ tổ chức cá nhân: Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể nhà khoa học là: GS TS Nguyễn Thế Mịch PGS.TS Đặng Thế Ba tận tình hướng dẫn bảo vạch định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô Bộ mơn Máy tự động thủy khí, Viện 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 học Thủy khí; Hội máy thủy khí tạp chí khoa học động viên giúp đỡ hỗ trợ tinh thần vật chất thời gian tác giả thực luận án Tác giả xin cảm ơn đến anh em đồng nghiệp nói chung anh em đồng nghiệp Viện khoa học Thủy lợi Miền Trung Tây Nguyên động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình nghiên cứu cơng tác Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình động viên, tạo điều kiện khuyến khích cho tác giả vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án tiến sĩ Nghiên cứu sinh Phùng Văn Ngọc i LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam” Tơi xin cam đoan đề tài luận án tơi hồn tồn tơi thực hướng dẫn tận tình tập thể nhà khoa học gồm GS.TS Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS Đặng Thế Ba Những kết nghiên cứu luận án số liệu đo đạc thí nghiệm Phịng thí nghiệm trường trường Đại học Cơng Nghệ ĐHQGHN hồn tồn trung thực chưa có cơng bố Hà nội, ngày 16 tháng 10 năm 2019 Thay mặt tập thể hƣớng dẫn khoa học Ngƣời cam đoan GS TS Nguyễn Thế Mịch Phùng Văn Ngọc ii 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 Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nguồn lƣợng từ biển 1.2 Năng lƣợng sóng biển 1.2.1 Các đặc trưng sóng biển 1.2.2 Năng lượng vùng hình thành sóng 1.2.3 Đặc trưng lượng sóng biển 11 1.3 Tiềm năng lƣợng sóng biển Việt Nam 15 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng biển 21 1.4.1 Sơ lược số nguyên lý thiết bị chuyển đổi lượng sóng 21 1.4.2 Tổng quan thiết bị chuyển đổi lượng sóng Thế giới 25 1.4.3 Các thiết bị chuyển đổi lượng sóng xa bờ 28 1.4.4 Các thiết bị chuyển đổi lượng sóng gần bờ 34 1.5 Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lƣợng nƣớc 37 1.6 Kết luận chƣơng 39 Chƣơng CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 41 2.1 Cơ sở tính tốn dịng lƣợng sóng biển 41 2.2 Các đặc trƣng vùng nghiên cứu phát triển thiết bị 41 2.3 Cơ sở tính tốn tƣơng tác sóng biển với cơng trình 43 2.2.1 Các giả thuyết sóng cơng trình 44 iii 2.3.2 Xác định tải trọng sóng tác dụng lên cơng trình 45 2.4 Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng biển 46 2.4.1 Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi 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 Phƣơng pháp tính tốn mơ 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 lượng sóng phao dạng chóp nón .54 2.6.2 Mơ hình cấu máy phát 56 2.6.3 Nguyên lý hoạt động mơ hình 57 2.7 Kết luận chƣơng 57 Chƣơng NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 58 3.1 Xây dựng mơ hình tính tốn thiết bị 58 3.1.1 Các phương trình học thiết bị 58 3.1.2 Phương trình chuyển động phao 1: 59 3.1.3 Phương trình chuyển động phao 60 3.2 Phƣơng trình cho hệ thống máy phát 63 3.2.1 Mơ hình điện từ trường máy phát 63 3.2.2 Áp dụng cấu hình máy phát nam châm chuyển động thẳng .64 3.3 Phƣơng trình lực điện từ máy phát 68 3.4 Tính tốn mơ hoạt động hệ thống chuyển đổi lƣợng sóng sang điện 69 3.4.1 Giới thiệu phầm mềm mô 69 3.4.2 Tính phân bố từ trường nam châm vĩnh cửu FlexPDE .70 3.4.3 Tính tốn mơ hoạt động máy phát Matlab 78 3.5 Kết luận chƣơng 82 Chƣơng THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 84 4.1 Tính tốn khảo sát đặc tính, tính tốn thiết kế cho thiết bị có P= 50W 84 4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi lƣợng sóng thử nghiệm 88 4.2.1 Thiết kế, chế tạo máy phát điện 88 4.2.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống phao thu nhận lượng 90 iv 4.2.3 Thử nghiệm, hoàn thiện thiết bị 92 4.3 Đề xuất mơ hình chuyển đổi lƣợng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy mô thực tế 102 4.4 Khảo sát số đặc tính 105 4.5 Kết luận chƣơng 111 a) Kết luận chung 113 b) Khuyến nghị 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 120 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Awp: Phần diện tích tiếp xúc với nước biển với Awp = BL ( B chiều rộng L chiều dài phao) B: Bề rộng phao (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 tổng ( lb.ft N.m ) Ekz : Động toàn phần dao động phao (KJ) Epz : Thế toàn phần dao động 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/s ) m: khối lượng kèm nước chuyển động theo m = ρdAwp Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại phao (m) F0: Biên độ lực dao động (N) ω: Tần số góc (rad/s) J: Mật độ dòng điện (A/m ) ρc : mật độ điện tích (C/m3) M : độ từ hóa (A/m) n : Số vòng dây T : Chu kỳ (s) f : Tần số (Hz) c : Vận tốc lan truyền (m/s) ρ : Khối lượng riêng (kg/m ) Plt : Công suất lý thuyết thiết bị (kW) Ptt : Công suất thực tế thiết bị (kW) V : Vận tốc truyền sóng (m/s) P : Cơng suất sóng ( ft.lb/sec W, kW) f : Tần số ( 1/T ) ( Hz ) c : Vận tốc sóng ( ft/s m/s) h : Độ sâu mực nước biển ( ft m ) vi L: Chiều dài phao dn: Phần ngập nước phao (m) (m) Fz: Lực kích thích sóng lên phao (KN) F0: Là biên độ lực dao động (KN) Pz: Công suất thu 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 nước chuyển động theo m = ρdAwp Sb(t) dịch chuyển đứng phao khỏi vị mặt nước tĩnh ban đầu mb1 khối lượng phao sb (t) gia tốc chuyển dịch đứng phao Fe,b(t) lực kích thích theo chiều đứng sóng tới Fr,b(t) lực theo chiều đứng sóng phát xạ Fb,b(t) tổng lực đẩy thủy tĩnh lực trọng trường Fb,v(t) lực cản Fb,f(t) lực ma sát nhớt nước Fb,u(t) lực điện từ trường máy phát Z: Biên độ dao động phao hình hộp chữ nhật (m) vii DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH λ: bước sóng ( ft m) γ: Trọng lượng riêng (N/m ) η : Hiệu suất thiết bị (%) εo : Độ điện thẩm chân không (εo = 8,854.10 ε : Độ điện thẩm môi trường -7 -12 F/m) μo : Độ từ thẩm chân không (μo = 4π 10 T.m/A) μ : Độ từ thẩm mơi trường ωz: Tần số góc dao động (rad/s) viii