Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế, chế tạo hệ thống sóng biển cho phép điều khiển tần số và biên độ sóng

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT BỊ TẠO SÓNG BIỂN

Tổng quan về thiết bị tạo sóng biển

Tạo ra năng lượng từ đại dương – đây không phải là ý tưởng mới, nhưng để thực hiện đƣợc nó là cả một quá trình đầy khó khăn về cả cách thức và chi phí Máy phát điện không thể đặt ở khắp mọi nơi, chúng cần phải tránh đường đi của những con tàu và tránh bị làm hƣ hại bởi các sinh vật biển

Một điều trở ngại nữa là các đại dương vô cùng dữ dội Chúng không khoan nhượng với bất kỳ vật thể nào Nước và sóng liên tục đập đánh, muối biển cũng góp phần bào mòn kim loại, và các chuyển động mạnh mẽ và dữ dội của biển có thể khiến cho bất kỳ thiết bị nào đặt ở dưới đáy biển cũng cần được bảo trì hay sửa chữa thường xuyên Điều này gây ra nhiều khó khăn cho việc lấy năng lượng từ sóng biển

Hiện nay, hệ thống này mới đang trong quá trình thử nghiệm chứ chƣa đƣợc đƣa vào sử dụng Các nhà khoa học sẽ mất một thời gian để năng lƣợng sóng có thể đƣợc đƣa vào sử dụng trên toàn thế giới, tuy nhiên chúng sẽ có thể đƣợc sử dụng một cách hữu ích đối với một số thị trường nhỏ trước, ví dụ như một hòn đảo khan hiếm tài nguyên

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.TRƯƠNG QUỐC THANH

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ Trang 14

Theo ƣớc tính mỗi năm lƣợng điện tiêu thụ trên toàn thế giới khoảng 10.000 tỉ kW Theo nhiều chuyên gia, năng lƣợng điện đƣợc coi là nguồn năng lƣợng quan trọng nhất của ngành công nghiệp, các toà nhà thương mại, của các tổ chức và hộ gia đình Nguồn điện khổng lồ này đƣợc cung cấp bởi các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, hạt nhân, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió… Trong các nguồn cung cấp điện năng, năng lƣợng mặt trời và gió có thể xem là năng lƣợng sạch, còn tất cả các nguồn cung cấp điện còn lại đều có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, phá hủy hệ sinh thái tự nhiên và ảnh hưởng không tốt đến đời sống và sức khỏe con người

Mặc dù vậy, với sự phát triển của nền văn minh nhân loại hiện nay, không thể nào không sử dụng năng lƣợng điện Nhiên liệu cung cấp cho nhà máy nhiệt điện ngày càng ít, nhà máy thủy điện gây ô nhiễm và phá vợ sự cân bằng sinh thái, nhà máy hạt nhân nguy cơ ngày càng cao năng lƣợng gió và pin mặt trời không đủ khả năng làm nguồn năng lƣợng thay thế Các vấn đề đó thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm nguồn năng lƣợng mới, sạch hơn, an toàn hơn và dồi dào hơn

Ba phần tƣ diên tích bề mặt trái đất là biển, điều đó có nghĩa là khả năng khai thác nguồn nguyên liệu từ biển là cực kì lớn Các nghiên cứu để biến sóng biển thành điện năng bắt đầu có kết quả cụ thể Một công ty tại Đan Mạch đã cho ra đời thiết bị Wavestar sử dụng sóng biển để tạo ra năng lƣợng điện công suất 1MW Trong khi đó, một trạm điện gió cỡ lớn có công suất vào khoảng 3MW Mỗi trạm điện sóng biển có 20 phao nổi, chúng di chuyển khi sóng biển tác động Mỗi phao có đường kính lên đến 10m Chuyển động lên xuống của phao được sử dụng để chạy máy phát điện Trong tương lai, một trạm Wavestar sẽ có công suất lên đến 6MW, đủ để cung cấp cho 4.000 hộ gia đình[4] Hình 1.2 cho ta thấy toàn cảnh thiết bị này đang hoạt động ngoài biển

Hình 1 2 Thiết bị Wavestar thu năng lượng từ sóng biển

Việc tận dụng năng lượng sóng biển không phải là ý tưởng mới Từ thời Trung cổ, người ta đã biết dùng sóng biển để chạy máy xay xát Ưu điểm của năng lượng sóng biển là nó có chu kỳ và dự đoán được Vì nước đặc hơn không khí 800 lần nên tác động của sóng biển lên máy phát cũng lớn hơn nhiều lần gió Để có thể chịu đƣợc tác động của sóng biển, Wavestar đƣợc thiết kế đặc biệt để hoạt động trong nhiều điều kiện thời tiết Khi bão lớn đến, các phao nổi có thể đƣợc kéo lên để tránh hƣ hỏng

Niels và Keld Hansen là tác giả của nghiên cứu trên Năm 2004 họ đã thử nghiệm tại Trường đại học Aalborg, Đan Mạch Năm 2009, thiết bị Wavestar có công suất 600kW đã được lắp đặt tại Hanstholm Dự kiến sản phẩm thương mại đầu tiên sẽ được bán ra thị trường vào năm 2017 Tuy nhiên, với chi phí nghiên cức chế tạo thiết bị rất cao thì việc thương mại hóa thiết bị này đến nay vẫn chưa được thực hiện [4]

Hình 1.3 Phao thu sóng của thiết bị Wavestar

Có đến hơn 1.000 thiết kế các bộ chuyển đổi năng lƣợng từ sóng biển, Reza Alam, một nhà nghiên cứu về năng lƣợng sóng tại Đại học Berkeley, California, Hoa Kỳ cho biết Ted Brekken, một nhà nghiên cứu các hệ thống năng lƣợng tại Đại học bang Oregon bổ sung thêm: “Thực tế là chúng ta chƣa có một mô hình công nghệ nào chiếm ƣu thế Có thể là sẽ không có mô hình nào nhƣ vậy.”

Theo ƣớc tính, chỉ cần khai thác 0,1% năng lƣợng sóng biển trên toàn cầu sẽ đủ cung cấp cho cả nhân loại Do đó nhiều nhà khoa học, nhiều quốc gia bắt đầu đầu tƣ nghiên cứu nguồn năng lƣợng này để thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch sắp cạn kiệt Nghiên cứu mới nhất cho thấy năng lƣợng sóng ở Mỹ có thể sản xuất đến 1,170 nghìn tỉ Wh một năm, tương đương gần một phần ba tổng điện năng sử dụng của nước này Nhận thấy tiềm năng to lớn này, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đang đầu tƣ rất lớn vào năng lƣợng sóng DOE đã trao giải 2,25 triệu đô la cho người chiến thắng trong cuộc thử nghiệm thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng sóng và 40 triệu đô la cho Đại học Oregon State để xây dựng một cơ sở mới để kiểm nghiệm năng lƣợng sóng

Tuy vậy, Brekken đƣa ra đánh giá thận trọng hơn về tiềm năng của năng lƣợng sóng trong thực tế, dự đoán rằng nó sẽ đóng góp khoảng 6% tổng sản lƣợng điện

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ Trang 17 của nước Mỹ Sự thận trọng này xuất phát từ một số rào cản kỹ thuật cần phải được khắc phục Môi trường biển khắc nghiệt với nước, gió lớn, và sóng dữ sẽ thử thách cả những thiết bị bền chắc nhất Việc triển khai và thử nghiệm các bộ chuyển đổi năng lƣợng sóng yêu cầu sử dụng tàu thuyền và thợ lặn cũng làm tăng chi phí triển khai các thiết bị

Tuy năng lƣợng đƣợc tạo ra từ sóng biển vô cùng lớn nhƣng để khai thác hiệu quả năng lƣợng từ sóng biển, cần phải nghiên cứu, thí nghiệm thực nghiệm lâu dài Chi phí cho việc nghiên cứu này là cực kì lớn, để giảm chi phí người ta có thể làm ở phòng thí nghiệm trước khi đưa ra ngoài biển Vì vậy, những thí nghiệm về năng lƣợng sóng biển đƣợc thực hiện trong PTN thông qua kênh tạo sóng rất quan trọng cho việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng Các phòng thí nghiệm về thủy lực trên thế giới có rất nhiều hệ thống tạo sóng để thực hiện các nghiên cứu khác nhau về sóng nước cũng như khai thác năng lượng sóng

Tại Hà Lan, một quốc gia có lãnh thổ hầu như dưới mực nước biển, tuy khả năng phát triển năng lượng từ sóng biển là rất cao nhưng phải thường xuyên đối diện với ngập, lụt hay cả sóng thần Do đó các nhà khoa học Hà Lan đã cho ra đời một thiết bị tạo sóng nước nhân tạo lớn nhất thế giới, có thể gây ra những đợt "sóng thần" cao tới 5 mét đổ vào một con kênh dài 300 mét và sâu 9,5 mét.[5]

Hình 1.4 Sóng nước được tạo bởi Delta Flume

Thiết bị này có tên Delta Flume nói trên đƣợc thiết kế nhằm thí nghiệm để nâng cao khả năng bảo đảm an toàn trước lũ quét ở Hà Lan, nơi một nửa dân số toàn quốc đang sống dưới mực nước biển "Với hệ thống này, chúng tôi có thể thử nghiệm những gì xảy ra nếu các đợt sóng khổng lồ tấn công các đê ngăn nước của chúng tôi Nước và hệ thống kiểm soát chúng của Hà Lan đã nổi tiếng khắp thế giới", Bộ trưởng Cơ sở hạ tầng Hà Lan Melanie Schultz van Haegen cho biết tại lễ ra mắt Delta Flume ở thành phố Delft

Tổng quan các hệ tạo sóng trong phòng thí nghiệm

1.2.1 Các dạng cơ cấu tạo sóng biển một chiều trong máng sóng

Mô hình vật lý cho thí nghiệm rất quan trọng trong kỹ thuật, nhờ đó mà chúng ta có thể kiểm tra sự đáp ứng cũng nhƣ khả năng hoạt động của các thiết bị thí nghiệm đặt trong PTN mà không cần phải đem ra môi trường thực bên ngoài, nên có thể làm giảm chi phí cho các thí nghiệm, giảm các tác động khác ngoài ý muốn của môi trường tự nhiên tác động lên thiết bị làm thí nghiệm,…Mô hình vật lý trong nghiên cứu này là hệ thống tạo sóng Hệ thống tạo sóng rất cần thiết cho việc nghiên cứu các vấn đề về kỹ thuật biển cũng nhƣ về khai thác năng lƣợng sóng biển, hệ thống có thể tạo ra sóng với các thông số có thể điều chỉnh đƣợc khác nhau và có độ ổn định cao Dưới đây là một số dạng cơ cấu tạo sóng cơ bản đã được nghiên cứu và chế tạo trên thế giới [6]

Nguyên lý của dạng flexible đƣợc thể hiện ở Hình 1.5

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ Trang 19 Ƣu điểm: Phù hợp với kênh ngắn, lực quán tính nhỏ nên có thể tạo ra các dao động đều đặn, sóng tạo đƣợc khá đều dọc chiều dài của tấm

Nhƣợc điểm: Hệ thống truyền động phức tạp, không chắc chắn, khó hiệu chỉnh, khó bảo dưỡng do hệ khớp nối nằm dưới nước

Hình 1.5 Nguyên lý tạo sóng biển dạng flexible

2 Dạng tấm cứng với một khớp nối (Flap-type Wave Generator with Single Articulation) Ở phương pháp tạo sóng này, dùng lực tác động đến nêm, làm nêm chuyển động theo phương di chuyển của sóng, Hình 1.6 Mỗi sự chuyển động khác nhau sẽ tạo nên sóng có biên dạng và tần số khách nhau Ưu điểm của dạng tạo sóng này là:

- Quán tính nhỏ và dễ dàng điều chỉnh, cơ cấu đơn giản

- Ngoài ra hình dạng của tấm lắc có thể thay đổi cho phù hợp với từng thí nghiệm cụ thể

- Loại này phù hợp cho cả kênh tạo sóng có độ sâu nhỏ

- Thay đổi tần số và và biên độ của piton-xilanh điều khiển đƣợc dễ dàng

Nhược điểm của dạng tạo sóng này là:

- Kênh tạo sóng phải đủ dài để biên dạng sóng phát triển đầy đủ

- Hệ thống dễ bị rỉ nước ở viền của tấm tạo sóng với thành kênh làm cho các thông số sóng tạo ra không ổn định [7]

Hình 1.6 Nguyên lý tạo sóng biển dạng dạng tấm cứng với một khớp nối

3 Dạng piston (Piston-type Wave Generator)

Nguyên lý làm việc của dạng cơ cấu này là chuyển động của nêm tạo sóng theo phương ngang, Hình 1.7 Ưu điểm của hệ tạo sóng dạng piston:

- Cơ cấu đơn giản, dễ bảo trì, cơ cấu thường được dùng nghiên cứu cho những khu vực có khoảng cách từ mặt thoáng nước đến đáy ngắn hơn chiều dài sóng

- Loại này phù hợp cho kênh tạo sóng có độ sâu nhỏ

- Thay đổi tần số và và biên độ của piton-xilanh điều khiển đƣợc dễ dàng

Nhược điểm: Hệ thống dễ bị rỉ nước ở viền của piston tạo sóng với thành kênh làm cho các thông số sóng tạo ra không ổn định

Hình 1.7 Nguyên lý tạo sóng biển dạng piston

4 Tấm tạo sóng cứng với khớp nối đôi (Rigid flap with double articulation)

Nguyên lý làm việc của cơ cấu tạo sóng này thể hiện ở Hình 1.8 Ưu điểm của cơ cấu: Cơ cấu đơn giản, bảo dƣỡng dễ dàng vì các khớp nối không ở dưới nước

Nhược điểm của cơ cấu: Hệ thống dễ bị rỉ nước ở viền của piston tạo sóng với thành kênh làm cho các thông số sóng tạo ra không ổn định

Hình 1.8 Nguyên lý tạo sóng biển dạng tấm tạo sóng cứng với khớp nối đôi

5 Hệ tạo sóng dạng dao động pitton thẳng đứng (Plunger-type Wave Generators)

Sóng đƣợc tạo từ nêm tạo sóng là dạng dung khá phổ biến, đƣợc dùng rộng rãi vì tính ƣu việt của nó Nguyên lý làm việc thể thiện ở Hình 1.9, nêm có thể chuyển động thẳng đúng hay chuyển động lắc

Hình 1.9 Nguyên lý tạo sóng biển dạng dao động pitton thẳng đứng Ưu điểm của dạng này:

- Đây là cơ cấu đƣợc dùng khá phổ biến trong các kênh tạo sóng khá dài vì cơ cấu này dễ dàng thay đổi vị trí dọc theo kênh tạo sóng

- Năng lƣợng tiêu thụ ít hơn các cơ cấu trên

Nhược điểm: Lực quán tính lớn, đòi hỏi mô men lớn khi vận hành

Dạng này đƣợc thể hiện ở Hình 1.10, sóng đƣợc tạo ra do sự lệch tâm của quả cầu

Hình 1.10 Nguyên lý tạo sóng biển dạng trục lệch tâm

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ Trang 23 Ưu điểm của dạng tạo sóng này: Cấu tạo đơn giản có thể tạo đƣợc sóng có độ dốc nhỏ

Nhược điểm của dạng tạo sóng lệch tâm:

- Biên độ sóng thay đổi trong phạm vi không lớn

- Biên độ sóng lớn nhất khi cơ cấu ngập hoàn toàn trong nước

- Kênh phải có độ sâu đủ lớn

- Hệ có lực quán tính lớn, bảo dƣỡng khó khăn

Hình 1.10 Nguyên lý tạo sóng biển dạng Paddle wheel Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ dàng bảo trì

Nhược điểm: Lực quán tính nhỏ khi hệ đƣợc cân bằng tốt

Hình 1.11 Nguyên lý tạo sóng biển dạng khí nén

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ Trang 24 Ưu điểm: có thể tạo ra sóng ở khoảng cách tương đối ngắn

Nhược điểm: Khả năng bảo trì khá phức tạp, cần một khoảng không gian phù hợp hay một thiết bị lọc để làm “ sạch sóng”

1.2.2 Các dạng cơ cấu tạo sóng đƣợc sử dụng phổ biến

Trong PTN thường sử dụng 2 loại hệ thống tạo sóng cơ bản đó là hệ thống tạo sóng nước sâu (khi tỉ số H/>0.5) và hệ thống tạo sóng nước nông (khi tỉ số H/

Tiêu đề	Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo sóng biển cho phép điều khiển tần số và biên độ sóng
Tác giả	Lư Thị Yến Vũ
Người hướng dẫn	TS. Trương Quốc Thanh, TS. Bành Đại Nguyên
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	2,93 MB