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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG QUỐC THANH TS BÀNH ĐẠI NGUYÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LƯ THỊ YẾN VŨ MSHV: 1570314 Ngày, tháng, năm sinh: 19/05/1976 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ khí Mã số : 60 52 01 03

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO SÓNG BIỂN CHO

PHÉP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ BIÊN ĐỘ SÓNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan về thiết bị tạo sóng biển

- Thiết kế chế tạo hệ thống tạo sóng biển có khả năng điều khiển thông số sóng - Thử nghiệm hoạt động và đánh giá độ tin cậy của thiết bị

- Định hướng phát triển cho thiết bị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 1/3/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/6/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRƯƠNG QUỐC THANH TS BÀNH ĐẠI NGUYÊN

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin cảm ơn Thầy TS.Trương Quốc Thanh, TS Bành Quốc Nguyên đã giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này Trong thời gian thực hiện luận văn, Thầy đã cố vấn cho tôi những những lời khuyên thiết thực giúp tôi tháo gỡ những khó khăn trong quá trình nghiên cứu để kịp thời hoàn thành luận văn này đúng thời hạn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô trong PTN Cơ lưu chất, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM, các thầy cô trong bộ môn Chế tạo máy đã luôn giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia giảng dạy chương trình Thạc sĩ trong thời gian tôi theo học ở trường Thầy/Cô đã trang bị cho tôi những kiến thức để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến NCS Hà Phương, đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm thí nghiệm tại PTN Cơ lưu chất

Cuối cùng, tôi biết ơn sâu sắc đến anh Lê Công Sự, đã hỗ trợ việc nhà, chăm sóc con nhỏ trong suốt thời gian tôi đi học, cảm ơn hai con trai Lê Lư Quốc Thắng và Lê Lư Quang Thắng đã chăm ngoan, là động lực để tôi phấn đấu hoàn thành luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Năng lượng sóng là một trong những nguồn năng lượng thân thiện với môi trường và gần như vô tận Mặc dù năng lượng sóng có nhiều lợi ích to lớn nhưng việc chế tạo thiết bị để khai thác nguồn năng lượng này còn khó khăn Từ nhu cầu này, cần có những mô hình thí nghiệm nhằm giảm thiểu chi phí thí nghiệm thực tế

Một mô hình tạo sóng được chế tạo trong nghiên cứu này với các thông số có thể điều chỉnh và độ tin cậy cao Thiết bị tạo sóng được thiết kế, chế tạo và lắp đặt trong PTN Cơ lưu chất của Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Hệ thống tạo sóng được trang bị một hình nêm tam giác nằm ở một đầu của kênh và bộ hấp thụ sóng thụ động được đặt ở đầu kia để hấp thụ sóng được tạo ra từ bộ tạo sóng Nêm được điều khiển bởi một máy tính để bàn, nó có thể di chuyển lên xuống với tốc độ và biên độ dao động quy định tương ứng với chiều cao và tần số sóng mong muốn Ở máng giữa được trang bị cảm biến khoảng cách micro laser cung cấp khả năng ghi dữ liệu Hệ thống sóng có thể tạo ra các sóng lớn nhất cao khoảng 0,2 mét, có thời gian khoảng 1 giây và có bước sóng khoảng 1,5 mét

Các sóng được tạo ra được đo, phân tích để kiểm tra độ tin cậy của thiết bị trước khi đưa vào vận hành thực tế nhằm thu được năng lượng sóng tối ưu Năng lượng này sẽ được dùng để nghiên cứu cho việc chế tạo các thiết bị hấp thu năng lượng sóng để tạo thành năng lượng điên

Từ khóa: Sóng, thiết bị tạo sóng, nêm tạo sóng, hệ thống tạo sóng, máng

sóng, năng lượng sóng

ABSTRACT

The biggest advantages of wave energy is that it is not only environment friendly but also it will never run out Although having many potential advantages from wave energy but it is difficult in using and gathering This problems has led to need experimental models which decreasing reality experimental costs

This study used to a wave flume with dynamic parameters and high reliabilities Experimental models are designed, fabricated and assembly at

University of Technology HCMC Wave flume is equipped with a triangle wedge located at one end of a channel and the passive wave absorber is located at the other end for absorbing waves generated from the wave maker The wedge is controlled by a desktop computer, it can move up and down at a prescribed speed and oscillation amplitude corresponding to the desired wave height and frequency At the middle flume is equipped micro laser distance sensor which provides data-logging capability Wave flume can generate the largest waves are about 0.2 meter high, have a period about 1 second, and have a wavelength about 1.5 meters

The waves generated by a oscillating wedge have been measured, analyzed to consider the generated wave energy This energy will be used to research about the fabrication of wave energy to create electric powers

Keywords: wave, wave flume, triangle wedge, wave flume, wedge, wave

energy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện cùng với nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS.Trương Quốc Thanh và TS.Bành Đại Nguyên Nội dung luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ những phần tham khảo đã ghi rõ trong nội dung luận văn

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Người thực hiện

LƯ THỊ YẾN VŨ

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT BỊ TẠO SÓNG BIỂN 12

1.1 Tổng quan về thiết bị tạo sóng biển 13

1.2 Tổng quan các hệ tạo sóng trong phòng thí nghiệm 18

1.2.1 Các dạng cơ cấu tạo sóng biển một chiều trong máng sóng 18

1.2.2 Các dạng cơ cấu tạo sóng được sử dụng phổ biến 24

1.3 Các dạng hệ thống tạo sóng ba chiều trong bể tạo sóng 25

1.3.1 Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Frontal (The frontal wave maker) 25

1.3.2 Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Corner (The Corner wave maker) 25

1.3.3 Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Curved /circular (The Curved / circular wave maker) 26

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO SÓNG BIỂN 28

2.1 Lý thuyết về sóng 28

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ tạo sóng. 30

2.2.1 Lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu tạo sóng 30

2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế kênh tạo sóng 33

2.3 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo sóng. 34

2.3.1 Kênh tạo sóng 34

2.3.2 Nêm và cơ cấu tạo sóng 36

2.3.3 Cơ cấu thay đổi điều khiển tạo sóng 37

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA HỆ THỐNG TẠO

SÓNG 61

4.1 Mô phỏng kênh tạo sóng bằng Ansys CFX 61

4.1.1 Dùng Ansys CFX mô phỏng kênh tạo sóng 61

4.1.2 Kết quả mô phỏng 63

4.2 Sóng đo được trên thiết bị 64

4.3 Đánh giá giữa sóng thực và sóng mô phỏng 65

4.3.1 Đánh giá chiều cao sóng 65

5.2 Hướng phát triển của đề tài 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC ……….73

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Chuyển đổi năng lượng đại dương thành năng lượng sạch……… 13

Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển hệ thống sóng……….15

Hình 1.3 Phao thu sóng của thiết bị Wavestar……… 16

Hình 1.5 Nguyên lý tạo sóng biển dạng flexible……… 19

Hình 1.6 Nguyên lý tạo sóng biển dạng dạng tấm cứng với một khớp nối… 20 Hình 1.7 Nguyên lý tạo sóng biển dạng piston……… 21

Hình 1.8 Nguyên lý tạo sóng biển dạng tấm tạo sóng cứng với khớp nối đôi 21 Hình 1.9 Nguyên lý tạo sóng biển dạng dao động pitton thẳng đứng……… 22

Hình 1.10 Nguyên lý tạo sóng biển dạng trục lệch tâm……… 22

Hình 1.10 Nguyên lý tạo sóng biển dạng Paddle wheel……… 23

Hình 1.11 Nguyên lý tạo sóng biển dạng khí nén……… 23

Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển hệ thống sóng……… 24

Hình 1.12 Hệ thống tạo sóng dạng Frontal……… 25

Hình 1.12 Hệ thống tạo sóng dạng Corner……… 26

Hình 1.12 Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Curved /circular……… 27

Hình 2.1 Các thông số hình học của sóng biển……… 29

Hình 2.2 Cơ cấu tạo sóng dạng piston chuyển động dọc- nêm tam giác …… 30

Hình 2.3 Cơ cấu tạo sóng có nêm tạo sóng hình thang……… 31

Hình 2.4 Cơ cấu tạo sóng có nêm tạo sóng hình cầu……… 31

Hình 2.5 Biên dạng nêm tạo sóng……… 32

Hình 2.6 Kênh dẫn nước của PTN ……… 33

Hình 2.7 Sơ đồ khối của hệ thống tạo sóng……… 34

Hình 2.8 Kênh tạo sóng……… 35

Hình 2.9 Bộ phận hấp thụ sóng……… 36

Hình 2.10 Bản vẽ nêm tạo sóng ……… 36

Hình 2.11 Nêm tạo sóng của thiết bị……… 36

Hình 2.12 Cơ cấu thay đổi điều khiển tạo sóng……… 37

Hình 2.13 Đặc tính của sensor đo thông số sóng……… 38

Hình 2.14 Hệ thống đo mật độ sóng……… 38

Hình 2.15 Một số hình ảnh sóng thực tế khi thiết bị vận hành……… 39

Hình 4.1 Đồ thị chiều cao sóng (e=80mm, =50vòng/phút)……… 40

Hình 3.2 Đồ thị chiều cao sóng (ω=50vòng/phút)……… 47

Hình 3.4 Ảnh hưởng của độ lệch tâm e đến mật độ năng lượng sóng P…… 48

Hình 3.5 Ảnh hưởng của  đến mật độ năng lượng sóng khi e=80mm…… 49

Hình 3.6 Ảnh hưởng của  đến mật độ năng lượng sóng……… 55

Hình 3.7 Ảnh hưởng của  đến chiều cao H……… 57

Hình 3.8 Ảnh hưởng của  đến mật độ năng lượng sóng P……… 57

Hình 3.9 Đồ thị biểu hiện ảnh hưởng của e và ω đến P……… 58

Hình 4.1 Xây dựng mô hình 3D cho kênh tạo sóng để mô phỏng……… 60

Hình 4.2 Điều kiện biên cho mô phỏng kênh tạo sóng……… 61

Hình 4.3 Biên dạng sóng mô phỏng bởi phần mềm Ansys CFX……… 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số của sóng biển……… 27

Bảng 3.1 Mức thay đổi cánh tay đòn ở thí nghiệm 1……… 39

Bảng 3.2 Kết quả đo khi e=80mm, = 50 vòng/ phút……… 39

Bảng 3.3 Tổng hợp kết quả đo khi = 50 vòng/ phút……… 40

Bảng 3.4 Thang đo theo độ lệch tâm e……… 48

Bảng 3.5 Thang đo theo ……… 48

Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả đo và tính toán ở thang đo e=80mm……… 49

Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả đo ở thang đo e=85mm……… 50

Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả đo ở thang đo e=90mm……… 51

Bảng 3.9 Tổng hợp kết quả đo ở thang đo e=95mm……… 52

Bảng 3.10 Bộ số liệu thông số sóng của hệ thống tạo sóng……… 55

Bảng 4.1 Tọa độ các điểm sóng……… 62

Bảng 4.2 Bảng đánh giá chiều cao sóng……… 63

Bảng 4.3 Bảng đánh giá bước sóng……… 64

Bảng 4.4 Bảng đánh giá chu kỳ sóng……… 64

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

H: chiều cao sóng λ: Bước sóng T: chu kì sóng f: tần số sóng

c: tốc độ lan truyền sóng a: Biên độ sóng

d: Độ sâu nước E: Năng lượng sóng P: Công suất sóng Ek: Động năng sóng Ep: Thế năng sóng

ρ: Khối lượng riêng của nước g: Gia tốc trọng trường

PTN: Phòng thí nghiệm P: Mật độ năng lượng sóng

ω: số vòng quay của động cơ trong một phút e: Độ lệch tâm của cánh tay đòn

RPM: số vòng quay của động cơ servo trong một phút

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT BỊ TẠO SÓNG BIỂN

Chúng ta đều biết rằng, hiện nay dầu mỏ là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu Tuy nhiên, sự phát triển thần tốc của nền kinh tế, của khoa học công nghệ, đi kèm với sự khai thác không kiểm soát của con người đã khiến cho dầu mỏ dần cạn kiệt Với việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch sẽ thải khí CO2 gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính nên việc sử dụng năng lượng khác có thể tái tạo được và không gây ô nhiễm môi trường để thay thế nhiên liệu hóa thạch là vấn đề rất cần thiết

Giờ đây, cả thế giới đang phải đối mặt với việc một ngày nào đó, khi nguồn năng lượng không còn thì các sản phẩm công nghệ cao cũng trở nên vô dụng Vì vậy, hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng vĩnh cửu để thay thế phần nào nguồn dầu mỏ

Đã có rất nhiều phát minh và ý tưởng được áp dụng, điển hình thành công nhất là việc tạo ra năng lượng từ gió và mặt trời Tuy nhiên, không phải gió lúc nào cũng thổi và mặt trời lúc nào cũng chiếu sáng, cho nên cần phải có biện pháp tích trữ năng lượng lấy từ hai nguồn này, và việc này tốn chi phí khá lớn – theo nghiên cứu của các nhà khoa học

Năng lượng đại dương đã và đang được nghiên cứu, khai thác như một nguồn năng lượng tái tạo Ý tưởng khai thác năng lượng đại dương không phải là một ý tưởng mới mà ý tưởng này đã có từ năm 1970[1] nhằm thu năng lượng sóng biển để phục vụ các nhu cầu của con người Biển chiếm 71% diện tích trái đất, và sóng thì luôn có đêm ngày Đây là một nguồn năng lượng vô hạn vô cùng tiềm năng Cho nên, hiện tại có nhiều nước trên thế giới sử dụng nguồn năng lượng này như một nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo [2] [3]

Hình 1.1 diễn tả quá trình biến đổi năng lượng đại dương thành năng lượng sạch phục vụ cho con người Nguồn năng lượng này được xem như nguồn năng lượng sạch xanh nhất hiện nay

Hình 1.1 Chuyển đổi năng lượng đại dương thành năng lượng sạch

1.1 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 được 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 hư 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 chưa được đưa vào sử dụng Các nhà khoa học sẽ mất một thời gian để năng lượng sóng có thể được đưa vào sử dụng trên toàn thế giới, tuy nhiên chúng sẽ có thể được sử dụng một cách hữu ích đối với một số thị trường nhỏ trước, ví dụ như một hòn đảo khan hiếm tài nguyên

Theo ước tính mỗi năm lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới khoảng 10.000 tỉ kW Theo nhiều chuyên gia, năng lượng điện được coi là nguồn năng lượng 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 được cung cấp bởi các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… Trong các nguồn cung cấp điện năng, năng lượng mặt trời và gió có thể xem là năng lượng 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 lượng 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 lượng gió và pin mặt trời không đủ khả năng làm nguồn năng lượng thay thế Các vấn đề đó thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm nguồn năng lượng mới, sạch hơn, an toàn hơn và dồi dào hơn

Ba phần tư 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 lượng 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 được tác động của sóng biển, Wavestar được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong nhiều điều kiện thời tiết Khi bão lớn đến, các phao nổi có thể được kéo lên để tránh hư 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 lượng từ sóng biển, Reza Alam, một nhà nghiên cứu về năng lượng sóng tại Đại học Berkeley, California, Hoa Kỳ cho biết Ted Brekken, một nhà nghiên cứu các hệ thống năng lượng tại Đại học bang Oregon bổ sung thêm: “Thực tế là chúng ta chưa có một mô hình công nghệ nào chiếm ưu thế Có thể là sẽ không có mô hình nào như vậy.”

Theo ước tính, chỉ cần khai thác 0,1% năng lượng 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 tư nghiên cứu nguồn năng lượng này để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch sắp cạn kiệt Nghiên cứu mới nhất cho thấy năng lượng 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 tư rất lớn vào năng lượng 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 lượng sóng

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

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 lượng sóng yêu cầu sử dụng tàu thuyền và thợ lặn cũng làm tăng chi phí triển khai các thiết bị

Tuy năng lượng được tạo ra từ sóng biển vô cùng lớn nhưng để khai thác hiệu quả năng lượng 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 lượng sóng biển được thực hiện trong PTN thông qua kênh tạo sóng rất quan trọng cho việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng 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 được 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

Các kỹ sư Hà Lan đã mất tới 3 năm để chế tạo hệ thống Delta Flume Chưa có cỗ máy tạo sóng nhân tạo nào trên thế giới có thể làm khởi phát những cơn sóng cao đến 5 mét như hệ thống này

Về cơ chế hoạt động của cỗ máy "khủng", các kỹ sư Hà Lan cho biết, 4 piston cực mạnh phía sau một tấm chắn kim loại cao 7 mét sẽ đẩy 9 triệu lít nước sạch xuống dưới kênh dẫn nước với tốc độ 1.000 lít/giây, Hình 1.4 Thách thức đối với họ là tái tạo sức mạnh của các đại dương

1.2 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 như 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 như về khai thác năng lượng sóng biển, hệ thống có thể tạo ra sóng với các thông số có thể điều chỉnh được 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]

1 Dạng flexible (flexible flap)

Nguyên lý của dạng flexible được thể hiện ở Hình 1.5

Ưu điểm: Phù hợp với kênh ngắn, lực quán tính nhỏ nên có thể tạo ra các dao động đều đặn, sóng tạo được khá đều dọc chiều dài của tấm

Nhược 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 được 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 được 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 dưỡng 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

Ưu điểm của dạng tạo sóng này: Cấu tạo đơn giản có thể tạo được 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 dưỡng khó khăn

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 được 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/<0.05) Cả hai loại hệ thống này thường dùng năng lượng là thủy lực, khí nén hoặc điện trong đó H là chiều cao sóng,  là bước sóng

Có 3 loại cơ cấu tạo sóng (wavemaker) phổ biến để tạo ra sóng cho hai loại hệ thống sóng nói trên là: cơ cấu dạng piston chuyển động ngang, Hình 1.7, cơ cấu dạng piston chuyển động dọc Hình 1.9 và cơ cấu dạng tấm lắc, Hình 1.6

Cơ cấu dạng piston chuyển động dọc phù hợp cho độ sâu lớn, cơ cấu dạng tấm lắc phù hợp cho độ sâu bé, còn cơ cấu dạng piston chuyển động ngang phù hợp tạo ra biên độ sóng lớn [8]

Với công nghệ phát triển như hiện nay thì các hệ thống tạo sóng đều có thể điều khiển được các thông số như sơ đồ Hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển hệ thống sóng

Tín hiệuđiều khiển

tạo sóng

Sóng nước Cảm biến

1.3 Các dạng hệ thống tạo sóng ba chiều trong bể tạo sóng

1.3.1 Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Frontal (The frontal wave maker)

Bể tạo sóng thường có dạng hình vuông (hay chữ nhật), các cơ cấu tạo sóng được lắp đặt ở một cạnh của bể tạo sóng, những cạnh còn lại là tường phẳng hoặc được lắp các bộ phận hấp thụ sóng [9] Hệ thống đang được dùng tại Ecole Centrale de Nantes-Pháp

Hình 1.12 Hệ thống tạo sóng dạng Frontal

1.3.2 Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Corner (The Corner wave maker)

Bể tạo sóng thường có dạng hình vuông (hay chữ nhật), sóng được tạo bởi hai cạnh vuông góc nhau của bể, các cạnh này đồng thời là cơ cấu tạo sóng, đồng thời là bộ hấp thụ sóng [10] Máy có thể tạo ra các dạng sóng xiên, các giao thoa sóng phức tạp mô phỏng các điều kiện biển khác nhau Hệ thống đang được dùng tại University of São Paulo-Brazil

Cơ cấu tạo sóng

Bể tạo sóng thường có dạng hình vòng cung hay hình tròn, hệ thống có thể tạo ra nhiều hướng sóng khác nhau trong bể, cơ cấu tạo sóng cũng đồng thời là bộ hấp thụ, hệ thống có thể tạo ra chính xác các điều kiện sóng biển [11] Hệ thống được dùng tại University of Edinburgh-Anh

Qua phân tích chúng ta thấy được, để chế tạo một hệ thống tạo sóng biển trong PTN có rất nhiều lựa chọn khác nhau, do đó chúng ta cần phải chọn phương án phù hợp nhất với điều kiện kinh tế cũng như yêu cầu của thiết bị và cơ sở vật chất của PTN để đạt được kết quả tối ưu

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO SÓNG BIỂN

2.1 Lý thuyết về sóng

Sóng biển là hiện tượng diễn ra ở lớp nước gần mặt biển Sóng thường hình thành do gió và những hiệu ứng địa chất, và nó có thể di chuyển hàng nghìn kilômet trước khi đến đất liền Kích cỡ sóng có thể từ những con sóng nhỏ sóng lăn tăn đến những cơn sóng thần cực lớn Các thông số chủ yếu của sóng được trình bày trong Bảng 2.1 và Hình 2.1

Bảng 2.1 Các thông số của sóng biển

Chu kỳ sóng Khoảng thời gian cần thiết để một chiều dài

sóng truyền qua vị trí đang xét T

Tần số sóng Số dao động trong 1 giây của sóng trong hệ

Tốc độ lan truyền sóng

Vận tốc chuyển động của đỉnh sóng trong hệ

Bước sóng Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (hay bụng

Chiều cao sóng Khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa

đỉnh sóng và đáy sóng kế tiếp H Biên độ sóng Khoảng cách theo phương thẳng đứng từ mặt

nước trung bình đến đỉnh sóng (hay bụng sóng) a Độ sâu nước Khoảng cách từ đáy biển đến mực nước trung

Năng lượng sóng Cơ năng của mỗi mét vuông mặt nước khi có

Công suất sóng Năng lượng sóng trong một đơn vị thời gian

Tổng năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng:

- Động năng được gây ra bởi tốc độ quỹ đạo của hạt nước trong chuyển động sóng (Ek)

- Thế năng thể hiện ở độ cao của phần nước phía trên bụng sóng (Ep)

Theo lý thuyết sóng tuyến tính, thế năng tương ứng với mực nước trung bình khi lặng sóng Các sóng chuyển động theo một hướng thì các thành phần thế năng và động năng bằng nhau Theo [12] năng lượng cho mỗi bước sóng (độ dài sóng) trên một đơn vị bề rộng của đỉnh sóng là:

(J/m) 2.1) Trong đó là khối lượng riêng của nước biển (kg/m3), Hs là chiều cao sóng có nghĩa (m), g là gia tốc trọng trường (m/s2), L độ dài sóng (m)

Tổng năng lượng trung bình cho một đơn vị diện tích mặt biển (mật độ năng lượng sóng) là:

Hình 2.1 thể hiện các thông số sóng biển trên bảng 1.1

Hình 2.1 Các thông số hình học của sóng biển

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ tạo sóng

Theo sơ đồ hình 1.12 thì cơ cấu tạo sóng là phần chính yếu của cuả hệ thống tạo sóng biển Lựa chọn cơ cấu thích hợp sẽ dễ dàng cho việc chế tạo, lắp ráp, vận hành và điều khiển thiết bị

2.2.1 Lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu tạo sóng

Theo mục 1.2.2 thì có 3 loại cơ cấu tạo sóng (wavemaker) phổ biến để tạo ra sóng cho hai loại hệ thống sóng nói trên là: cơ cấu dạng piston chuyển động ngang, cơ cấu dạng piston chuyển động dọc, và cơ cấu dạng tấm lắc Cơ cấu dạng piston chuyển động dọc phù hợp cho độ sâu lớn, cơ cấu dạng tấm lắc phù hợp cho độ sâu bé, còn cơ cấu dạng piston chuyển động ngang phù hợp tạo ra biên độ sóng lớn

Hình 2.2 Cơ cấu tạo sóng dạng piston chuyển động dọc- nêm tam giác

So sánh ưu nhược điểm và điều kiện của PTN thì cơ cấu tạo sóng dạng piston chuyển động dọc tối ưu hơn cả vì phù hợp với điều kiện kinh tế và hạ tầng tại PTN

Ở phương pháp tạo sóng này, dùng lực tác động đến nêm, làm nêm chuyển động theo phương vuông góc với phương di chuyển của sóng Nêm có nhiều hình dạng khác nhau: vuông góc, tam giác, hình cầu, hình thang…Mỗi hình dạng của nêm sẽ tạo ra một dạng sóng khách nhau Phương pháp chuyển động của nêm cũng tạo ra sự khác nhau của sóng Nêm có thể chuyển động thẳng đứng hay lắc xung quanh tâm 1 góc nào đó

Hình 2.3 Cơ cấu tạo sóng có nêm tạo sóng hình thang

Hình 2.4 Cơ cấu tạo sóng có nêm tạo sóng hình cầu

Ưu điểm của phương pháp tạo sóng bằng nêm:

- Sóng ra ổn định, có thể đo được tần số, biên độ của sóng

- Điều khiển dễ dàng tần số, cánh tay đòn của tấm nêm để thay đổi biên độ, tần số sóng

- Thiết bị chế tạo không quá phức tạp, không sợ bị rò rì nước

- Tận dụng được lực đẩy của nước để tiết kiệm năng lượng trong quá trình hoạt động

Nhược điểm của phương pháp tạo sóng bằng nêm: tuổi thọ của thiết bị

không cao do toàn bộ tải của nêm và trọng lượng nước tác động lên trục động cơ

điều khiển cánh tay đòn của nêm

Theo [14], tuy nêm có nhiều dạng, nhưng nêm dạng tam giá tối ưu guon các dạng khác, nó tạo ra sóng có biên dạng ổn định hơn Nêm tạo sóng có hình tam giác là có thể dùng gốc nêm 300, 350, 400,500 nhưng góc nêm tạo sóng là 350 là tối ưu nhất cho việc tạo sóng

Hình 2.5 Biên dạng nêm tạo sóng

Nêm tạo sóng dạng này có các ưu điểm nỗi bậc sau: Dễ duy chuyển, lợi

dụng được lực đẩy của nước lực tác động lên cánh tay đòn giảm, thay đổi thông số sóng dễ dàng

2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế kênh tạo sóng

Kênh tạo sóng là một kênh nước được cải tạo lại từ một kênh bê tông có sẵn trong PTN Cơ lưu chất Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Kênh có chiều rộng 0,75m, chiều cao 1,31m và chiều dài là 11m Mực nước trong kênh được duy trì ổn định 0,9m Một bên thành kênh được làm từ mica trong suốt được chống đỡ bằng các khung sắt để quan sát biên dạng sóng Hình 2.6 thể hiện kênh dẫn nước có sẳn của PTN Cơ lưu chất

Hình 2.6 Kênh dẫn nước của PTN

2.3 Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo sóng

Sơ đồ khối của hệ thống tạo sóng được thể hiện ở Hình 2.8 Trong sơ đồ trên, hệ thống tạo sóng được điều khiển bởi máy tính, cung cấp tính hiệu đầu vào (số vòng quay động cơ, cánh tay đòn của nêm tạo sóng) tác động vào cơ cấu tạo sóng để thu được sóng có tần số và bước sóng nhất định Sóng này được đo bởi cảm biến, sau đó tín hiệu đo được truyền về cho máy tính để xử lý

Hình 2.7 Sơ đồ khối của hệ thống tạo sóng

2.3.1 Kênh tạo sóng

Kênh tạo sóng được tận dụng và cải tạo lại từ kênh dẫn nước của PTN Kích thước kênh tạo sóng ở Hình 2.8 Bộ phận quan trọng nhất của kênh tạo sóng đó chính là bộ phận hấp thụ sóng Hình 2.9 Bộ phần này hoạt động tốt sóng sẽ ổn định, không bì phản hồi làm thay đổi điều kiện đầu ra của sóng

Hiện nay có nhiều kiểu thiết kế cũng như nhiều loại vật liệu để chế tạo bộ phận hấp thu sóng Bộ phận hấp thu sóng có thể chia làm 2 loại chính là hấp thu chủ động và hấp thu bị động Hấp thu sóng dạng chủ động có khả năng hấp thu năng lượng sóng tốt, tuy nhiên có giá thành chế tạo rất cao và thường được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt Các kênh tạo sóng thông thường sử dụng hấp thu sóng

Tín hiệuđiều khiển

Động cơ server

Cơ cấu tạo sóng

Sóng thu được Cảm biến

đo

bị động Ở thiết kế này cũng dùng hấp thu sóng bị động có độ dốc 1:4 [15] Nó đƣợc đặt ở cuối kênh tạo sóng đối diện với cơ cấu tạo sóng Trên bề mặt của bộ phận hấp thu đƣợc đặt các tấm tổ ong để hấp thu năng lƣợng sóng Hình 2.9

Hình 2.8 Kênh tạo sóng

Hình 2.9 Bộ phận hấp thụ sóng

2.3.2 Nêm và cơ cấu tạo sóng

Sóng được tạo ra bằng cách sử dụng một hình nêm chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng, góc của hình nêm là 350, theo [14] đây là góc có thể tạo được sóng tốt nhất Nêm được làm bằng Inox tấm dày 1mm, có các kích thước như hình 2.10 Nêm được vận hành bởi một động cơ servo có công suất 1 Kw, động cơ được điều khiển vận tốc bằng máy tính Hình 2.11, hình nêm tạo sóng đã đưa vào hoạt động

Hình 2.10 Bản vẽ nêm tạo sóng

Hình 2.11 Nêm tạo sóng của thiết bị

2.3.3 Cơ cấu thay đổi điều khiển tạo sóng

Cơ cấu này gồm các bộ phận chính sau: - Điều khiển số vòng quay bằng động cơ điện - Đỡ trục chịu lực bằng ổ đỡ

- Điều khiển thay đổi chiều dài cánh tay đòn bằng động cơ server kết hợp với vít me

- Nguồn điện cho động cơ server từ cổ góp

- Nêm tạo sóng di chuyển nhờ dẫn hướng của 2 thanh trượt

Hình 2.12 cơ cấu thay đổi điều khiển tạo xong sau khi hoàn thành Bản vẽ thiết kế được kèm ở phần Phụ lục 1

Hình 2.12 Cơ cấu thay đổi điều khiển tạo sóng

2.3.4 Hệ thống đo thông số sóng

Thông số sóng đƣợc đo bằng A Micro Laser Distance Sensor, sensor đƣợc đặt ở giữa kênh tạo sóng, nó thu đƣợc tính hiệu sóng thông qua một quả cầu rất nhẹ chuyển động bên trong ống dẫn khi có sóng

Hình 2.13 Đặc tính của sensor đo thông số sóng

Sensor này có sai số ±0.3% trên toàn vùng đo (hình 2.14), và có thời gian đáp ứng là 1.5ms

Hình 2.14 Hệ thống đo mật độ sóng

Sau khi thiết bị lắp đặt, ta tiến hành vận hành thiết bị Một số hình ảnh thu đƣợc khi vận hành thiết bị Qua các hình ảnh thực tế của sóng ở Hình 2.15, ta thấy với sự thay đổi số vòng quay khác nhau, ta thu đƣợc sóng có biên dạng khác nhau và mật độ năng lƣợng sóng cũng sẽ khác nhau