Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu phương pháp thu năng lượng sóng biển bằng hệ hấp thu tuyến tính

Nhұn xét: ĈһFWUѭQJVyQJELӇn ViӋt Nam khác biӋt nhiӅu vӟi sóng biӇn thӃ giӟLÿyOj sóng biӇn ViӋt Nam FyQăQJOѭӧQJWUXQJEuQKQăPNKRҧng 8kW/m trong khi các khu vӵc khai thác NLBS trên thӃ giӟi B

ĈҤI HӐC QUӔC GIA TP HӖ CHÍ MINH

ĈҤI HӐC QUӔC GIA TP HCM

Phҧn biӋQÿӝc lұp: PGS.TS NguyӉn NgӑF3KѭѫQJ Phҧn biӋQÿӝc lұp: PGS.TS Ngô Quang HiӃu

i

LӠ,&$0Ĉ2$1

7{LWrQOj+j3KѭѫQJKLӋQÿDQJF{QJWiFWҥi Bӝ 0{Q&ѫ/ѭX&Kҩt, Khoa Kӻ Thuұt Xây DӵQJ7UѭӡQJĈҥi Hӑc Bách Khoa ± Ĉҥi hӑc Quӕc gia TP.HCM Tôi xin FDPÿRDQÿk\OjF{QJWUuQKQJKLrQFӭu cӫa bҧn thân tác giҧ Các kӃt quҧ nghiên cӭu và các kӃt luұn trong luұn án này là trung thӵc, và không sao chép tӯ bҩt kǤ mӝt nguӗn nào YjGѭӟi bҩt kǤ hình thӭc nào ViӋc tham khҧo các nguӗn tài liӋXÿmÿѭӧc thӵc hiӋn trích dүn và ghi nguӗn tài liӋu tham khҧRÿ~QJTX\ÿӏnh

Ngày / /2021

Tác giҧ luұn án

Chͷ ký

+j3KѭѫQJ

ii

TÓM TҲT LUҰN ÁN

HiӋn nay, trên thӃ giӟi viӋc sӱ dөQJQăQJ Oѭӧng hóa thҥch làm phát sinh khí thҧi CO2

gây ra ô nhiӉPP{LWUѭӡng, hiӋu ӭng nhà kính làm ҧnh hѭӣng tiêu cӵFÿӃQP{LWUѭӡng sӕng cӫa chúng ta, do nhu cҫu phát triӇn cӫa kinh tӃ làm nguӗQQăQJOѭӧQJQj\ÿDQJngày càng cҥn kiӋt Vì vұy, viӋc tìm các nguӗn QăQJOѭӧng tái tҥo không gây ô nhiӉm P{LWUѭӡng và bӅn vӳng ÿӇ thay thӃ là vҩQÿӅ cҩp bách Mӝt trong nhӳng nguӗQQăQJOѭӧng tái tҥo có thӇ GQJOjQăQJOѭӧng sóng biӇn (NLSB)ĈһFÿLӇm cӫDQăQJOѭӧng sóng biӇn khác nhau tҥi tӯQJQѫLWUrQWKӃ giӟi, nên các thiӃt bӏ NKDLWKiFFNJQJNKiFQKDX

ӣ các vùng biӇn khác nhau Mөc tiêu cӫa luұn án là nghiên cӭXSKѭѫQJSKiSNKDLWKiFQăQJOѭӧng sóng biӇn bҵng hӋ hҩp thu tuyӃn tính cho vùng biӇn ViӋt Nam Trong ÿyQDPFKkPYƭQKFӱu chuyӇQÿӝng tӏnh tiӃn trong ӕng dây ÿӇ hҩp thu và chuyӇQÿәi QăQJOѭӧQJVyQJWKjQKÿLӋQQăQJ 1ăQJOѭӧng ÿLӋn sau khi khai thác sӁ ÿѭӧc tích trӳ vào bӝ OѭXWUӳ KӃt quҧ thӵc nghiӋm cho thҩy hiӋu quҧ cӫa hӋ thӕQJÿDQJQJKLrQFӭu Ngoài

ra, luұQiQFzQÿӅ ra biӋn pháp nâng cao hiӋu suҩt khai thác NLSB dӵDWUrQFiFÿLӅu kiӋn ràng buӝc cө thӇ ÿӕi vӟLSKѭѫQJWUuQKÿӝng lӵc hӑc cӫa hӋ SKDRWKX1/VDXÿyÿӅ

ra giҧi pháp công nghӋ ÿӇ thӵc hiӋn biӋn pháp nâng cao hiӋu suҩt khi khai thác NLSB ngoài thӵc tӃ Cuӕi cùng luұQiQÿӅ xuҩWSKѭѫQJiQ[k\Gӵng hӋ thӕQJNKDLWKiFQăQJOѭӧng sóng phù hӧSÿӇ cung cҩSQăQJOѭӧQJÿLӋn cho các tàu khai thác thӫy sҧn trên các vùng biӇn ViӋt Nam FyWtQKÿӃn yӃu tӕ thӫy triӅu

iii

ABSTRACT

Currently, in the world, the usage of fossil energy generates CO2 emissions causing environmental pollution and the greenhouse effect which negatively affect our living environment, due to the development needs of the economy This energy source is increasingly exhausted Therefore, finding renewable and sustainable alternative energy sources that do not pollute the environment is urgent One of the renewable energy sources we can use is wave energy The characteristics of ocean wave energy are different in different parts of the world, so the mining equipment is also different in different seas The objective of the thesis is to study the method of exploiting ocean wave energy with a linear generator for Vietnam's seas In this method, permanent magnets move in a translational way in the wire to absorb and convert wave energy into electricity The electric energy, after being exploited, will be stored into super capacitors The experimental results show the effectiveness of the system under study

In addition, the thesis also proposes measures to improve the efficiency of exploiting ocean wave energy based on specific binding conditions for the kinetic equation of the energy-collecting buoy system, then propose technology solutions to take measures to improve efficiency when exploiting the actual offshore wave energy Finally, the thesis also proposes a suitable wave energy exploitation system to supply electric energy for fishing ships in Vietnam's seas

iv

LӠ,&È0Ѫ1

Trong suӕt quá trình hӑc tұp, nghiên cӭu và hoàn thiӋn luұQ iQ Qj\ W{L ÿm QKұn ÿѭӧc sӵ Kѭӟng dүQJL~Sÿӥ quý báu cӫa các thҫy cô, các anh, chӏ, em, các bҥQÿӗng P{Qÿӗng nghiӋp Tôi xin gӱi lӡi cҧPѫQFKkQWKjQKWӟi PGS.TS TrҫQ'RmQ6ѫQYà 767UѭѫQJ4XӕF7KDQKKDLQJѭӡi Thҫy kính mӃQÿmWұQWuQKKѭӟng dүn, chӍ bҧRÿӝng viên và tҥo mӑLÿLӅu kiӋn thuұn lӧi cho tôi nghiên cӭu, hӑc tұp ÿӇ hoàn thành luұn án Tôi xin chân trӑng cҧPѫQ%DQ*LiP+LӋX3KzQJĈjR7ҥR6DXĈҥi HӑF.KRD&ѫKhí, Bӝ Môn ChӃ Tҥo Máy cӫD7UѭӡQJĈҥi Hӑc Bách Khoa Thành Phӕ Hӗ Chí Minh ÿmWҥo mӑLÿLӅu kiӋn thuұn lӧi tôi trong quá trình hӑc tұp, nghiên cӭu và hoàn thiӋn luұn

án Xin gӱi lӡi cҧPѫQ ÿӃn các bҥQÿӗng nghiӋp các thҫy cô trong Bӝ 0{Q&ѫ/ѭX&Kҩt ÿmFyQKLӅu JL~Sÿӥ FNJQJQKѭKѭӟng dүn tôi trong quá trình thӵc hiӋn luұn án

Xin cҧPѫQEa, mҽ, em, vӧ cùng hai cô con gái yêu quý luôn bên tôi, hӃt OzQJWKѭѫQJyêu, quan tâm, sҿ chia, ӫng hӝÿӝng viên tinh thҫn, tình cҧm, giúp tôi có nghӏ lӵFÿӇ hoàn thành quyӇn luұn án này

v

MӨC LӨC

DANH MӨC CÁC HÌNH ҦNH ix

DANH MӨC BҦNG BIӆU xiii

DANH MӨC CÁC TӮ VIӂT TҲT xiv

TӘNG QUAN Vӄ 3+ѬѪ1* 3+È3 7+8 1Ă1* /ѬӦNG SÓNG BIӆN BҴNG Hӊ HҨP THU TUYӂN TÍNH 1

1ăQJOѭӧng sóng biӇn và thӵc trҥng khai thác nguӗQQăQJOѭӧng sóng biӇn trên thӃ giӟi 1

1.1.1 1ăQJOѭӧng sóng biӇn 2

1.1.2 7KӵFWUҥQJNKDLWKiFQăQJOѭӧQJVyQJELӇQWUrQWKӃJLӟL 4

Syng vj QăQJOѭӧQJVyQJELӇQ9LӋW1DP 5

1.2.1 ĈһFÿLӇPFӫDVyQJELӇQ9LӋWQDP 5

1.2.2 Thông sӕ hình hӑc cӫa sóng biӇn ViӋt Nam 7

&iFSKѭѫQJSKiSNKDLWKiFQăQJOѭӧQJVyQJELӇQWUrQWKӃJLӟL 9

1.3.1 3KѭѫQJSKiSVӱ dөng hӋ tuyӃn tính 9

1.3.2 3KѭѫQJSKiSVӱ dөng hӋ không tuyӃn tính 10

1.3.3 So sánh hӋ thu NLSB dùng hӋ tuyӃn tính và không tuyӃn tính 12

1.3.4 Các nghiên cӭXQJRjLQѭӟc vӅ hӋ thӕng thu NLSB tuyӃn tính 13

1.3.5 Tình hình nghiên cӭu ӣ ViӋt Nam vӅ khai thác NLSB 24

1.3.6 Nhӳng nӝi dung mӟi cҫn nghiên cӭu giҧi quyӃt 26

;iFÿӏnh nhiӋm vө nghiên cӭu 27

1.4.1 Mөc tiêu cӫDÿӅ tài nghiên cӭu 27

vi

1.4.2 ĈӕLWѭӧng và phҥm vi nghiên cӭu 28

1.4.3 3KѭѫQJSKiSYjQӝi dung nghiên cӭu 28

1.4.4 éQJKƭDNKRDKӑc và thӵc tiӉn cӫa luұn án 28

Bӕ cөc cӫa luұn án 29

KӃt luұQFKѭѫQJ 30

&Ѫ6Ӣ LÝ THUYӂT VÀ MÔ PHӒNG HIӊU SUҨT THU HӖI CӪA Hӊ TUYӂN TÍNH 32

&ѫVӣ lý thuyӃt vӅ NLSB 32

2.1.1 3KѭѫQJWUuQKP{Wҧ mһWQѭӟc tӵ GRÿӕi vӟLVyQJÿѫQKunh Sine 33

2.1.2 1ăQJOѭӧng sóng 34

2.1.3 7K{QJOѭӧQJQăQJOѭӧng sóng 35

2.1.4 Công suҩt sóng: 35

&ѫVӣ cӫDSKѭѫQJSKiSFKX\ӇQÿәLQăQJOѭӧQJVyQJVDQJQăQJOѭӧQJFѫ 36

2.2.1 Xây dӵQJP{KuQKÿӝng lӵc hӑc cӫa hӋ SKDRÿDQJÿѭӧc nghiên cӭu 36

2.2.2 Mô phӓng hoҥWÿӝng cӫa hӋ SKDRWKXQăQJOѭӧng 42

KӃt luұQFKѭѫQJ 43

1*+,Ç1&Ӭ8;Æ<'Ӵ1*+ӊ7+Ӕ1*7+81Ă1*/ѬӦ1*6Ï1* %,ӆ17+(21*8<Ç1/é+ӊ+Ҩ37+878<ӂ17Ë1+3+Ө&9Ө7+Ë1*+,ӊ0 44 *LӟLWKLӋX 44

1JKLrQFӭX[k\GӵQJKӋWKӕQJWKtQJKLӋP 44

3.2.1 1JKLrQFӭX[k\GӵQJNrQKWҥRVyQJFyNKҧQăQJWҥRUDVyQJFyWK{QJVӕ ÿӗQJGҥQJYӟLWK{QJVӕVyQJWKӵFWӃ 45

vii

Xây dӵng hӋ thӕng kênh tҥo sóng 49

ChӃ tҥo hӋ WKXQăQJOѭӧng tuyӃn tính phөc vө thí nghiӋm 56

3.4.1 ChӃ tҥo phao cҫu 56

3.4.2 Xây dӵng bӝ phұn chuyӇQÿәL1/FѫVDQJ1/ÿLӋn 56

3.4.3 7KLӃWNӃFKӃWҥRKӋWKӕQJWKXQăQJOѭӧQJÿLӋQ 57

KӃt luұQFKѭѫQJ 59

1*+,Ç1&Ӭ80Ð3+ӒNG V¬ 7+Ӵ&1*+,ӊ0ĈÈ1+*,È+,ӊ8 68Ҩ77+81Ă1*/ѬӦ1*48<0Ð3+Ñ1*7+Ë1*+,ӊ0 60

Thӵc nghiӋm thu NLSB cӫa hӋ thӕng thu tuyӃn tính 60

ĈiQKJLiKLӋu suҩWWKXQăQJOѭӧng cӫa hӋ thӕng thu tuyӃn tính 64

KӃt luұQFKѭѫQJ 65

NGHIÊN CӬU GIҦI PHÁP NÂNG CAO HIӊU SUҨT THU HӖI NĂ1*/ѬӦNG TӮ SÓNG BIӆN 66

Xây dӵng các ràng buӝFÿӇ SKDRWKXÿѭӧc NL sóng tӕLÿD 66

Xây dӵng biӇXÿӗ tӍ sӕ giӳDELrQÿӝ dao ÿӝQJSKDRYjELrQÿӝ GDRÿӝng cӫa sóng: 69 Tính toán, mô phӓng hӋ phao 70

5.3.1 7Uѭӡng hӧp thӓDÿLӅu kiӋn: 70

5.3.2 7Uѭӡng hӧp hӋ phao bҩt kǤ: 71

5.3.3 HiӋu suҩWSKDRWKXÿѭӧc 74

5.3.4 7Uѭӡng hӧp hӋ phao có cӝQJKѭӣQJQKѭQJNK{QJNKӓDÿLӅu kiӋn 2 75

Thí nghiӋm kiӇm chӭng hiӋu quҧ 76

viii

5.4.1 Chuҭn bӏ thí nghiӋm 76

5.4.2 Thí nghiӋm 77

Nhұn xét; 78

Giҧi pháp công nghӋ: 78

KӃt luұQFKѭѫQJ 80

KӂT LUҰ19¬+ѬӞNG PHÁT TRIӆN 81

KӃt luұn 81

NhӳQJÿyQJJySPӟi cӫa luұn án 81

+ѭӟng phát triӇn cӫDÿӅ tài 82

6.3.1 Tính cҩp thiӃt cӫa viӋc xây dӵng các trҥPWKX1/6%ÿӇ phөc vө FiFSKѭѫQJ tiӋQOѭXWK{QJWUrQELӇn 82

6.3.2 ĈӅ xuҩt mô hình thu NLSB thӵc tӃ: 85

KӃt luұQFKѭѫQJ 86

DANH MӨ&&È&&Ð1*75Î1+Ĉ­&Ð1*%Ӕ 88

TÀI LIӊU THAM KHҦO 89

Phҫn phө lөc 94

Phө lөc 1: Dӳ liӋu thí nghiӋm tҥo sóng 94

Phө lөc 2: Mô phӓng kênh tҥo sóng 108

Phө lөF1ăQJOѭӧng nҥp tө ÿLӋn 114

ix

DANH MӨC CÁC HÌNH ҦNH

Hunh 1.1 Các ngu͛QQăQJO˱ͫQJÿ˱ͫc s͵ dͭng trên th͇ giͣLÿ͇QQăP2040 [1] 1

Hunh 1.2 Chi͉u cao sóng trung bình (mét) toàn c̯XQăP2018 [3] 3

Hunh 1.3 Chu kǤ sóng trung bình (giây) toàn c̯XQăP2018 [3] 3

Hunh 1.4 Phân b͙ NLSB trên toàn th͇ giͣLQăP2018 (kW/m) [3] 4

Hunh 1.5 Chi͉u cao sóng trung bình m͟LWKiQJQăP2018 ͧ Bi͋QĈ{QJP >3] 6

Hunh 1.6 Ĉ̿FÿL͋m syng vng bi͋n Phan Thi͇WWUXQJEuQKQăP 8

Hunh 1.7 H͏ tuy͇n tính 9

Hunh 1.8 H͏ không tuy͇n tính 10

Hunh 1.9 H͏ th͙ng khai thác NLSB Pelamis [13] 11

Hunh 1.10 Hai d̩QJSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong tài li͏u [20] 15

Hunh 1.11 So sánh kh̫ QăQJWKXQăQJO˱ͫng cͯa hai d̩QJSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong [20] 16

Hunh 1.12 D̩ng phao hình nón cͭWÿ˱ͫc nghiên cͱu trong [21] 16

Hunh 1.13 D̩ng phao hình trͭ ÿ˱ͫc nghiên cͱu trong [22] 17

Hunh 1.14 K͇t qu̫ nghiên cͱu thông s͙ trong bài báo [22] 18

Hunh 1.15 Hai d̩QJSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong bài báo [23] 18

Hunh 1.16 Ĉ͛ th͓ so sánh hi͏u qu̫ thu NL ͧ hai d̩QJSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong [23]. 19

Hunh 1.17 Ba d̩QJSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong [24] 19

Hunh 1.18 +DLWU˱ͥng hͫp ng̵p cͯDSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong tài li͏u [25] 20

x

Hunh 1.19 Ba d̩QJSKDRÿ˱ͫc nghiên cͱu trong bài báo [6] 21

Hunh 1.20 Các l͹c thành ph̯n F i và l͹c t͝ng F tác dͭng lên phao c̯u [6] 21

Hunh 1.21 ̪QKK˱ͧng cͯa chi͉XFDRVyQJÿ˱ͥQJNtQKSKDRÿ͇n kh̫ QăQg h̭p thu NLSB [26] 22

Hunh 1.22 Kh̫ QăQJWKX1/ͱng vͣLFiFÿ˱ͥQJNtQKNKiFQKDXÿ˱ͫc nghiên cͱu trong [28] 23

Hình 2.1 Các thông s͙ F˯E̫n cͯa m͡t con sóng 32

Hình 2.2 6˯ÿ͛ phân b͙ QăQJO˱ͫng sóng [27] 35

Hình 2.3 6˯ÿ͛ phân tích l͹c cͯa phao c̯u 37

Hình 2.4 Mô ph͗QJQăQJO˱ͫQJF˯SKDRWKXÿ˱ͫc ͱng vͣi thông s͙ sóng tháng 5 42

Hình 3.1 rQKVyQJÿmÿ˱ͫc xây d͹ng trong phòng thí nghi͏m, (1) Máy t̩o sóng, (2) 7KjQKPLFD .rQKQ˱ͣc 50

Hình 3.2 D .tFKWK˱ͣc nêm t̩o syQJE &˯F̭u t̩o sóng sau ch͇ t̩R Ĉ͡QJF˯ Servo, (2) Nêm t̩o sóng 51

Hình 3.3 &˯F̭XWKD\ÿ͝LFiQKWD\ÿzQQK˱KuQKD %̫n vͅ nguyên lý, (b) Mô hình sau ch͇ t̩R 5D\WU˱ͫt, (2) Vít me bi, (3) B͡ ph̵n k͇t n͙i, (4) Motor gi̫m t͙c, (5) Nêm t̩o sóng 51

Hình 3.4 D .tFKWK˱ͣc b͡ h̭p thu; (b) B͡ ph̵n h̭SWKXWURQJ371 /˱ͣi s̷t, (2) /˱ͣi t͝ ong 52

Hình 3.5 6˯ÿ͛ h͏ th͙ng ÿL͉u khi͋QYjÿRWK{QJV͙ sóng 52

Hình 3.6 H͏ th͙QJÿL͉u khi͋n t̩o sóng sau xây d͹QJ