Nghiên cứu phát triển máy phát tịnh tiến không lõi sắt cho thiết bị chuyển Đổi năng lượng sóng

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY PHÁT TỊNH TIẾN KHÔNG LÕI SẮT CHO THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG NHẰM ĐƯA SÓNG DẪN SÓNG NHANH CHẬM PHÙ HỢP

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂNMÁY PHÁT TỊNH TIẾN KHÔNG LÕI SẮT CHO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2024

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂNMÁY PHÁT TỊNH TIẾN KHÔNG LÕI SẮT CHO

THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuậtMã số: 9520101.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Đặng Thế Ba

Hà Nội – 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiêncứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Các số liệu, các kết quảtrình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong cáccông trình trước đây Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện và nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu phát triểnmáy phát tịnh tiến không lõi sắt cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng", tôiđã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ cũng như tạo điều kiện của tập thể lãnh đạo,các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa,thầy cô và tập thể Ban lãnh đạo Viện cơ học, tập thể Ban Giám hiệu, giảngviên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Công nghệ Tôi xin bàytỏ lòng cám ơn chân thành và sâu sắc nhất về sự giúp đỡ đó

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS Đặng Thế Ba - giảng viên trực tiếphướng dẫn và chỉ bảo giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tạiXưởng Cơ khí và Tự động hóa cũng như gia đình đã động viên, khích lệ, tạođiều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này

1.1.1 Tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam 7

1.1.2 Các đặc trưng sóng vùng biển đảo Nam Trung Bộ 10

1.2 Tổng quan thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển và nguyên lýhoạt động 13

1.2.1 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang phát triểntrên thế giới 13

1.2.2 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng 19

1.2.3 Đánh giá thực trạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 211.3 Tổng quan máy phát điện tịnh tiến trong các thiết bị chuyển đổinăng lượng sóng 24

1.3.1 Phân loại máy phát điện tịnh tiến dựa theo thiết kế điệntừ trường 26

1.3.2 Phân loại theo cấu trúc thiết kế máy 31

1.3.3 Đánh giá thực trạng máy phát điện tịnh tiến 39

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

2.1 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạngphao kép 422.2 Thiết kế cấu tạo của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng

phao kép 442.3 Mô hình toán học mô tả sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi

năng lượng sóng dạng phao kép 48CHƯƠNG 3 MÁY PHÁT ĐIỆN TỊNH TIẾN SỬ DỤNG NAM

3.1 Mô hình máy phát điện tịnh tiến sử dụng nam châm vĩnh cửukhông lõi sắt từ 573.2 Mô phỏng trường điện từ của máy phát điện tịnh tiến với một số

cách sắp xếp nam châm 623.3 Khảo sát đặc tính, tính toán thiết kế cho thiết bị có công suất 50W 663.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng thử nghiệm 693.4.1 Thiết kế, chế tạo máy phát điện 693.4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống phao 723.4.3 Bộ tạo chuyển động tịnh tiến tạo sóng thử nghiệm cho

máy phát điện 733.4.4 Kết quả thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 74CHƯƠNG 4 MÁY PHÁT ĐIỆN TỊNH TIẾN SỬ DỤNG NAM

CHÂM SẮP XẾP THEO CẤU TRÚC HALBACH 804.1 Mô hình sử dụng dãy nam châm vĩnh cửu sắp xếp theo cấu trúc

Halbach 804.1.1 Cấu trúc dãy nam châm Halbach 804.1.2 Mô hình giải tích của từ trường trong máy phát điện tịnh

tiến sử dụng dãy nam châm Halbach kép 81

4.2 Kiểm định và xác nhận mô hình mô phỏng 914.3 Kết quả mô phỏng từ trường với phần mềm Ansys Maxwell 96

4.3.1 Tính toán mô phỏng cho 2 cấu hình nam châm trong máy

phát điện 964.3.2 Khảo sát phân bố từ trường trong máy phát điện tịnh tiến

sử dụng nam châm sắp xếp theo cấu hình Halbach 984.3.3 Khảo sát sự phụ thuộc mật độ thông lượng từ cực đại với

thông số kích thước nam châm 1124.4 Chương trình Matlab-Simulink tính toán công suất đầu ra của

máy phát điện 1144.5 Tính toán mô phỏng cho một máy phát điện tịnh tiến 1214.6 Lựa chọn thông số kích thước dây dẫn phù hợp nhằm tăng công

suất máy phát điện 123

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BEM Boundary Elements

Method

Phương pháp phần tử biênEMF Electromotive Force Sức điện động

FDM Finite Difference

Method

Phương pháp sai phân hữu hạnFEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạnFEM Finite Elements Method Phương pháp phần tử hữu hạn

HTSLG

High-TemperatureSuperconductorLinear Generator

Máy phát điện tinh tiếnsiêu dẫn nhiệt độ cao

TSFSG Tubular Superconducting

Flux-Switching Generator

Máy phát điện siêu dẫntừ thông chuyển mạchdạng ống trụ

WECs Wave Energy Converters Thiết bị chuyển đổi năng

lượng sóng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xu hướng đầu tư vào năng lượng tái tạo [92] 8

Hình 1.2 Số lượng đăng ký sáng chế tại các quốc gia [47] 9

Hình 1.3 Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng [5] 11

Hình 1.4 Tiềm năng năng lượng sóng ven biển VN theo mô hìnhSWAN [3] 11

Hình 1.5 Độ sâu khu vực biển Nam Trung Bộ [3] 12

Hình 1.6 Nguyên lý thiết bị thu năng lượng từ thay đổi cột nước dosóng [40] 14

Hình 1.7 Cấu trúc chính của thiết bị lắc do sóng đập [10] 15

Hình 1.8 Hệ thống sử dụng dao động của phao gần bờ [12] 15

Hình 1.9 Hệ thống kênh hẹp nhìn từ trên xuống [20] 16

Hình 1.10 Toàn cảnh hệ thống kênh hẹp [20] 16

Hình 1.11 Salter Duck - Hệ thống ngoài khơi dùng để chuyển đổi nănglượng từ sóng biển thành điện [19] 17

Hình 1.12 Thiết bị tạo điện theo nguyên lý rung lắc [19] 18

Hình 1.13 Hệ các thiết bị tạo điện theo nguyên lý rung lắc trên biển [19] 18Hình 1.14 Thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi [78] 19

Hình 1.15 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị chuyển đổi năng lượngsóng 20

Hình 1.16 Giản đồ quá trình chuyển đổi năng lượng điện từ sóng [59] 25Hình 1.17 Máy phát điện tịnh tiến cảm ứng từ [80] 27

Hình 1.18 Cấu trúc cơ bản của máy phát điện tịnh tiến từ trở chuyểnmạch 2 mặt [24] 28

Hình 1.19 Hệ thống phát điện dựa trên máy phát điện tịnh tiến từ trởchuyển mạch [31] 30

Hình 1.20 Máy phát điện tịnh tiến đồng bộ 2 mặt [39] 31

Hình 1.21 Cấu trúc của máy phát điện tịnh tiến sử dụng nam châmvĩnh cửu đồng bộ dạng phẳng [90] 32

Hình 1.22 Máy phát điện tịnh tiến phẳng 3 mặt và 4 mặt [90] 33

Hình 1.23 Cấu trúc của một thiết kế máy phát điện tịnh tiến sử dụngnam châm vĩnh cửu dạng ống trụ [77] 33

Hình 1.24 So sánh bố cục trong thiết kế của dạng máy phát [48] 34

Hình 1.25 Cấu trúc máy phát điện tịnh tiến phẳng dạng [13] 35

Hình 1.26 Cấu trúc từ trường của máy phát điện tịnh tiến [44] 37

Hình 1.27 So sánh đặc tính từ của một số vật liệu dùng làm nam châmtrong máy phát điện tịnh tiến [60] 38

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị thu năng lượng sóng dạng phao nổicố định đáy biển 43

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thíết bị thu năng lượng sóng dạng phao kép 43Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo phao thứ 1 45

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo phao thứ 2 45

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo hệ phao sau khi ghép nối 46

Hình 2.6 Mô hình 3D của mô hình phao kép 46

Hình 2.7 Cấu tạo thiết bị thu năng lượng sóng dạng phao kép 47

Hình 2.8 Mô hình cơ học hệ phao kép chuyển đổi năng lượng sóng 48

Hình 2.9 Mô hình mạch tương đương của máy phát 53

Hình 2.10 Sơ đồ quy trình thiết kế tinh toán phao kép 55

Hình 3.1 Mô hình phao kép 58

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện tịnh tiến sử dụng namchâm vĩnh cửu 58

Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo máy phát điện 1 dãy nam châm 62

Hình 3.4 Các cấu hình nam châm 63

Hình 3.5 Đường sức từ cho hệ nam châm trong cấu hình C4 64

Hình 3.6 Đường sức từ của hệ nam châm trong từng cấu hình 64

Hình 3.7 Mật độ thông lượng từ ở giữa cuộn dây trong các cấu hình 64Hình 3.8 Mật độ thông lượng từ theo trục X của hệ nam châm trongcác cấu hình 64

Hình 3.9 Điện áp ngoài của máy phát 65

Hình 3.10 Công suất máy phát với 24 cuộn dây 65

Hình 3.11 Thí nghiệm thiết bị và so sánh kết quả mô phỏng 65

Hình 3.12 Sơ đồ thiết bị và hệ cơ học của thiết bị 2 phao 67

Hình 3.13 Sơ đồ cấu tạo máy phát 67

Hình 3.14 Mô hình mạch tương đương của máy phát 68

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng dịch chuyển và vận tốc của phao 68

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng lực kích thích lên phao và lực điện từ 69

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng điện thế và công suất trên tải 69

Hình 3.18 Sơ đồ mặt cắt ngang máy phát và vị trí của phần dịchtranslator, stator trong mô hình 70

Hình 3.19 Phần ứng máy phát điện bao gồm thanh và lõi gắn nam châm 71Hình 3.20 Thiết kế khung quấn dây 71

Hình 3.21 Máy phát điện sau khi chế tạo và lắp ráp 72

Hình 3.22 Mô hình thiết kế phao kép 73

Hình 3.23 Phao sau chế tạo 73

Hình 3.24 Tổng thể thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 73

Hình 3.25 Bộ tạo chuyển động tịnh tiến theo sóng cho máy phát 74

Hình 3.26 Đo 1 pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, có thanh sắtnối từ, công suất trung bình thu được Ptb = 0,905 W 75

Hình 3.27 Đo 1 pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, không có thanhsắt nối từ, công suất trung bình thu được Ptb = 1,198 W 76

Hình 3.28 Đo 1 pha, 2 mặt nam châm, có khung sắt từ, có thanh sắtnối từ, công suất trung bình thu được Ptb = 1,112 W 76

Hình 3.29 Đo 1 pha, 2 mặt nam châm, có khung sắt từ, không có thanhsắt nối từ, công suất trung bình thu được Ptb = 2,189 W 77Hình 3.30 Kiểm tra hoạt động của máy phát trong phòng thí nghiệm 77Hình 3.31 Đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian 78Hình 3.32 Đồ thị công suất thu được theo thời gian 78Hình 4.1 Dãy nam châm sắp xếp theo phân cực đồng nhất và theo

cấu trúc Halbach [53] 81Hình 4.2 Thông số hình học và cấu trúc phân cực từ của dãy nam

châm Halbach kép 82Hình 4.3 Hàm giá trị Mr theo trục z 88Hình 4.4 Cấu trúc nguyên mẫu máy phát điện nghiên cứu [93] 91Hình 4.5 So sánh kết quả đã công bố và kết quả mô phỏng biến thiên

từ trường theo phương bán kính Br tại r = (Rr+ Ra)/2 92Hình 4.6 So sánh kết quả đã công bố và kết quả mô phỏng biến thiên

từ trường theo phương bán kính Bz tại r = (Rr + Ra)/2 93Hình 4.7 So sánh kết quả đã công bố và kết quả mô phỏng biến thiên

từ trường theo phương bán kính Br tại r = (Rb+ Rs)/2 93Hình 4.8 So sánh kết quả đã công bố và kết quả mô phỏng biến thiên

từ trường theo phương bán kính Bz tại r = (Rb+ Rs)/2 94Hình 4.9 So sánh kết quả đã công bố và kết quả mô phỏng biến thiên

từ trường theo phương bán kính Br nằm trong vùng dịch chuyểncủa cuộn dây dẫn tại điểm có bán kính r = 12 mm 94Hình 4.10 So sánh kết quả đã công bố và kết quả mô phỏng biến thiên

từ trường theo phương bán kính Bz nằm trong vùng dịch chuyểncủa cuộn dây dẫn tại điểm có bán kính r = 12 mm 95Hình 4.11 Cách sắp xếp nam châm theo 2 cấu hình 96Hình 4.12 Cường độ từ trường của nam châm trong 2 cấu hình 97Hình 4.13 Đường sức từ của dãy nam châm sắp xếp theo Halbach kép 98

Hình 4.14 Mật độ thông lượng từ tại điểm A trong không gian giữa 2dãy nam châm 99Hình 4.15 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x - Bx tại

đường trung tâm 99Hình 4.16 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x - Bx tại các

đường cách trung tâm 1 mm 100Hình 4.17 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x - Bx tại các

đường cách trung tâm 2 mm 100Hình 4.18 Mật độ từ thông theo phương dọc trục x - Bx tại các đường

cách trung tâm 3 mm 101Hình 4.19 Mật độ từ thông theo phương dọc trục x - Bx tại các đường

cách trung tâm 4 mm 102Hình 4.20 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x - Bx tại các

đường cách trung tâm 5 mm 102Hình 4.21 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x - Bx tại các

đường cách trung tâm 6 mm 103Hình 4.22 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x - Bx tại các

đường cách trung tâm 7 mm 104Hình 4.23 Phân bố mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục x của

máy phát tịnh tiến Halbach 105Hình 4.24 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại

đường trung tâm 106Hình 4.25 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y – By tại các

đường cách trung tâm 1 mm 106Hình 4.26 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại các

đường cách trung tâm 2 mm 107Hình 4.27 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại các

đường cách trung tâm 3 mm 107

Hình 4.28 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại cácđường cách trung tâm 4 mm 108Hình 4.29 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại các

đường cách trung tâm 5 mm 109Hình 4.30 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại các

đường cách trung tâm 6 mm 109Hình 4.31 Mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y - By tại các

đường cách trung tâm 7 mm 110Hình 4.32 Phân bố mật độ thông lượng từ theo phương dọc trục y của

máy phát tịnh tiến Halbach 111Hình 4.33 Phân bố mật độ thông lượng từ theo phương thẳng đứng

từ đường trung tâm đến mặt nam châm của máy phát tịnh tiếnHalbach 112Hình 4.34 Đồ thị sự phụ thuộc của mật độ thông lượng từ với kích

thước nam châm phân cực dọc 113Hình 4.35 Đồ thị sự phụ thuộc của mật độ thông lượng từ với kích

thước nam châm phân cực ngang 114Hình 4.36 Sơ đồ khối thuật toán quy trình tính toán công suất máy phát115Hình 4.37 Đường sức từ của dãy nam châm khi sắp xếp theo cấu trúc

Halbach 116Hình 4.38 Lời giải số của trường từ và hàm xấp xỉ bằng tổng chuỗi 116Hình 4.39 Sai số trong phép biến đổi Fourier 117Hình 4.40 Sơ đồ subsystem tuthong – sơ đồ khối thể hiện hàm xấp xỉ

của lời giải số 117Hình 4.41 Sơ đồ subsystem tuthong – sơ đồ khối thể hiện hàm xấp xỉ

của lời giải số 118Hình 4.42 Sơ đồ khối xác định từ thông khi 1 sợi dây dẫn dịch chuyển

trong từ trường nam châm 119Hình 4.43 Mặt cắt một cuộn cảm 120

Hình 4.44 Sơ đồ khối tính toán số vòng dây dẫn và điện trở của 1 cuộncảm 120Hình 4.45 Sơ đồ khối độ tự cảm của cuộn dây 121Hình 4.46 Sơ đồ khối thể hiện kết nối với mạch ngoài 121Hình 4.47 Kết quả mô phỏng dòng điện trong các cuộn dây với pha

khác nhau 123Hình 4.48 Kết quả mô phỏng suất điện động tổng hợp trên các cuộn dây124Hình 4.49 Kết quả tính toán mô phỏng đường cong công suất trung

bình của máy phát 124Hình 4.50 Giá trị công suất với đường kính dây dẫn khác nhau 126Hình A.1 Sơ đồ giải thuật với các bài toán điện từ trường [11] P2Hình A.2 Sơ đồ thuật toán chia lưới thích nghi [11] P4Hình A.3 Điều kiện giới hạn trong chia lưới [11] P4Hình A.4 Sơ đồ vị trí điểm tính toán đại lượng trường của các phần tử P5Hình A.5 Xây dựng model trong Ansys Maxwell P7Hình A.6 Thiết lập đặc tính trong Ansys Maxwell P8Hình A.7 Thiết lập điều kiện biên cho bài toán P9Hình A.8 Thiết lập solution trong Ansys Maxwell P10Hình A.9 Kết quả chia lưới trong bài toán P11Hình A.10 Kết quả sai số năng lượng trong mô phỏng P11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tiềm năng năng lượng sóng biển tại các khu vực trên thế

giới [88] 7

Bảng 1.2 Tình trạng khai thác năng lượng sóng trên thế giới [8] 10

Bảng 3.1 Các thông số đặc trưng hình học và vật lý của máy phát 62

Bảng 3.2 Các thông số thiết kế cơ bản ban đầu của thiết bị 68

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của máy phát thử nghiệm 72

Bảng 4.1 Thông số thiết kế nguyên mẫu máy phát điện [93] 92

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của máy phát điện tịnh tiến 122

Bảng 4.3 Thông số sóng đầu vào 122

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của đường kính dây dẫn với các thông số cuộndây 125

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tàiĐại dương là một nguồn năng lượng gần như vô tận đối với con người nhưnghiện nay vẫn chưa được khai thác tương xứng với tiềm năng Năng lượng từ đạidương gồm: năng lượng thủy triều, năng lượng nhiệt biển, năng lượng dòng hảilưu, năng lượng thẩm thấu do chênh lệch độ mặn và năng lượng sóng biển, trongđó năng lượng sóng biển chiếm 70% Khi so sánh với các nguồn năng lượng táitạo khác đã và đang được phát triển, nghiên cứu của B Czech và cộng sự [26]cho thấy mật độ công suất của năng lượng mặt trời cực đại có thể đạt được là1 kW/m2, mật độ công suất của năng lượng gió đạt được 1 kW/m2 khi tốc độgió đạt 12 m/s, mật độ công suất năng lượng sóng trung bình hàng năm tại bờbiển San Francisco là 25 kW/m2 Từ đó có thể thấy, năng lượng từ đại dươngcó nhiều tiềm năng hơn năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Nhận thức được tiềm năng của năng lượng sóng biển, các nước tiên tiến trênthế giới đã thực hiện nhiều nghiên cứu phát triển các hệ thống thiết bị thu vàchuyển đổi năng lượng sóng Kể từ những năm 1986, các nước châu Âu và Mĩđã có sự đầu tư mạnh mẽ vào năng lượng biển, xuất hiện nhiều dự án được tàitrợ bởi chính phủ cũng như các dự án công nghiệp thương mại và xu hướng đầutư cho lĩnh vực này càng tăng

Tại Việt Nam, theo kết quả nghiên cứu của các chuyên gia Viện Nghiên cứuBiển và Hải đảo, tổng công suất năng lượng sóng năm là 212 TWh/năm, chiếmgần 1% tổng giá trị toàn cầu, đạt 90% nhu cầu điện năng hiện tại của Việt Namlà 230 TWh/năm [6] Tuy nhiên các nghiên cứu và sử dụng năng lượng sóngbiển chưa được quan tâm nhiều, nhưng với số lượng lớn các hòn đảo vùng venbiển, điện từ sóng biển có thể trở thành nguồn năng lượng tiềm năng và vô tận

khi giá thành tạo ra điện từ nguồn năng lượng này mang tính cạnh tranh hơn.Trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng, máy phát điện có vai trò trungtâm trong việc chuyển đổi năng lượng từ dạng cơ năng sang dạng năng lượngđiện Mỗi nguyên lý làm việc khác nhau của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóngcần có một dạng thiết kế máy phát điện tương ứng, phù hợp để có được cáchhoạt động hiệu quả nhất, các thiết kế máy phát điện tịnh tiến đã được pháttriển rất đa dạng.

Hiện nay, những máy phát điện tịnh tiến sử dụng nam châm vĩnh cửu, do từtrường của nam châm vĩnh cửu còn hạn chế dẫn tới hiệu quả chuyển đổi nănglượng của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng còn chưa cao Việc thay đổi cácthông số kích thước chế tạo sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất đầu ra, do đó việc nghiêncứu nâng cao công suất đầu ra của máy phát điện tịnh tiến là thực sự cần thiết

Mục tiêu của nghiên cứuMục tiêu tổng quát

Đề xuất được thiết kế máy phát điện tịnh tiến sử dụng nam châm vĩnh cửukhông lõi sắt hoạt động hiệu quả dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóngdạng phao kép cơ cấu trực tiếp phù hợp cho vùng biển nước sâu và hải đảo củaViệt Nam

• Đề xuất được phương án nâng cao cường độ từ trường trong máy phát điệntịnh tiến dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

• Tính toán được công suất điện đầu ra của máy phát điện tịnh tiến dựa trênthông số đầu vào của thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứuĐối tượng nghiên cứu: Máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt sử dụng namchâm vĩnh cửu trong thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao kép cơ cấutruyền động trực tiếp

Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu sơ đồ cấu tạo, nguyên lý hoạt độngcủa máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt sử dụng nam châm vĩnh cửu Đồngthời phân tích, khảo sát cách sắp xếp, thông số dãy nam châm và cuộn dây đểmáy hoạt động đạt hiệu quả cao

Phương pháp nghiên cứuĐể thực hiện mục tiêu đề ra, luận án đã sử dụng phương pháp phân tích lýthuyết về chuyển động sóng, năng lượng sóng và chuyển đổi năng lượng sóng đểtham gia phát triển cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao képcơ cấu trực tiếp Áp dụng các lý thuyết về điện từ trường (định luật Faraday)để xây dựng mô hình máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt với cấu tạo của dãynam châm và cuộn dây khác nhau nhằm xác định cấu tạo và thông số thiết kếđể máy hoạt động hiệu quả

Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong xây dựng các mô hình vật lý vềmáy phát và đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng các mô phỏng số và kết quả lýthuyết

Phương pháp số được áp dụng trong xây dựng các mô hình số, tính toán môphỏng và lựa chọn thông số cho các máy phát và tính toán khảo sát để xác địnhcác thông số cấu tạo và thiết kế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu góp phần làm cơ sở khoa học cho việcphát triển một mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp với điềukiện kinh tế, kỹ thuật cho vùng biển nước sâu và hải đảo ở Việt Nam, thúc đẩyhiện thực sử dụng năng lượng sóng ở Việt Nam.

Ý nghĩa thực tiễn:Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, đề tài đã đóng góp cơ sở dữ liệu khoahọc góp phần đề xuất giải pháp công nghệ thiết bị chuyển đổi năng lượng sóngphù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho vùng biển nước sâu của Việt Nam.Giải pháp được đưa ra có thiết kế cấu tạo thiết bị không phức tạp, dễ chế tạo,dễ triển khai, dễ bảo trì, bảo dưỡng, vận hành trong điều kiện của vùng biểnsâu góp phần thúc đẩy thực hiện khai thác nguồn năng lượng xanh và tái tạo.Ngoài ra, nghiên cứu còn tạo ra công cụ tính toán mô phỏng, tính toán thiết kếsử dụng trong chế tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng trong các nghiên cứutiếp theo

Đóng góp mới của luận án

• Đã tham gia phát triển một giải pháp thiết kế cho thiết bị chuyển đổi nănglượng sóng dạng phao kép sử dụng máy phát điện tịnh tiến phù hợp cho cácvùng biển sâu Thiết bị có kết cấu không phức tạp, phù hợp cho việc chếtạo, hoạt động, bảo dưỡng

• Đã đề xuất giải pháp tăng cường độ từ trường qua cuộn dây trong máy phátđiện tịnh tiến nam châm vĩnh cửu không lõi sắt dùng cho thiết bị chuyểnđổi năng lượng sóng bằng cách áp dụng cách sắp xếp dãy nam châm theocấu trúc Halbach với công suất tăng thêm khoảng 10% so với cấu trúc thôngthường

• Đã xây dựng mô hình mô phỏng và chương trình trên Matlab-Simulink đểtính toán mô phỏng và khảo sát công suất máy phát tịnh tiến nam châmvĩnh cửu không lõi sắt theo các thông số cấu tạo của thiết bị

• Đã thực hiện các tính toán khảo sát công suất đầu ra của mẫu máy phátđiện tịnh tiến theo các thông số của dãy nam châm, cuộn dây, dây quấn và tối ưu công suất máy phát điện theo một thông số đường kính cuộn dây.

Bố cục của luận ánNội dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương cùng với cácphần mở đầu, kết luận và định hướng nghiên cứu, các công bố khoa học cũngnhư tài liệu tham khảo Nội dung chi tiết của các phần như sau:

Mở đầu: trình bày tính cấp thiết của đề tài, đối tượng, phạm vi và phươngpháp nghiên cứu của luận án

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng vàmáy phát điện tịnh tiến

Chương 2: Phân tích nguyên lý hoạt động, thiết kế cấu tạo và mô hình toánhọc thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao kép cơ cấu trực tiếp

Chương 3: Mô phỏng, tính toán từ trường trong các cấu hình sắp xếp namchâm khác nhau của máy phát tịnh tiến để lựa chọn cấu hình phù hợp Thiếtkế chế tạo thử nghiệm một mẫu máy phát để kiểm chứng mô hình thiết kế

Chương 4: Mô phỏng, tính toán khảo sát từ trường của máy phát điện tịnhtiến không lõi sắt sử dụng nam châm sắp xêp theo cấu trúc Halbach để nângcao mật độ từ trường trong máy phát Tối ưu công suất đầu ra của máy phátđiện theo thông số đường kính dây dẫn của cuộn cảm

Kết luận và định hướng nghiên cứu: Trình bày các kết quả chính, nhữngđóng góp mới của luận án và các kiến nghị khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ

CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG VÀ

Năng lượng sóng thể hiện ở hai dạng là thế năng của hạt nước trên mặt sóngso với mặt nước tĩnh và động năng khi hạt nước chuyển động ở dạng sóng Trongthực tế, chuyển động và đặc trưng của sóng biển là rất phức tạp, nó là tổng hợpcủa nhiều sóng Vì vậy để nghiên cứu chuyển động và đặc trưng của nó ngườita phải tính toán các thông số của một nhóm sóng đơn quan trọng hình thànhnên nó và nghiên cứu các đặc trưng của sóng trong vùng nào đó là các đại lượngtrung bình của nhóm sóng Những nghiên cứu trong [3] đã cho thấy rằng gần80% động năng sóng (2000 J) nằm ở độ sâu từ 0 đến 10m và khoảng 56% (1400J) nằm ở độ sâu từ 0-5 m Đối với thế năng thì toàn bộ nằm ở vị trí ± 1 m Vànhư vậy vùng gần mặt sóng là vùng tập trung năng lượng nhất Từ nhận xétnày có thể thấy nên phát triển các thiết bị để thu nhận thành phần năng lượnggần bề mặt sóng là hiệu quả nhất

1.1.1 Tiềm năng năng lượng sóng biển Việt NamKết quả nghiên cứu về tiềm năng năng lượng đại dương các khu vực và quốcgia trên thế giới được trình trong bảng 1.1.

Bảng 1.1: Tiềm năng năng lượng sóng biển tại các khu vực trên thế giới [88]

STT Quốc gia Năng lượng sóng

(TWh/tháng)

Năng lượng sóng(TWh/năm)

Trong những năm gần đây, tỉ trọng vốn đầu tư trong phân bổ kinh tế vàonghiên cứu, phát triển năng lượng tái tạo của các nước trên thế giới cho thấytầm quan trọng của năng lượng tái tạo đã được nhìn nhận rõ hơn (hình 1.1)

Đối với tình trạng khai thác thực tế trên thế giới, các nghiên cứu khai thác nănglượng sóng đã sớm được thực hiện từ những năm 1970 tại Nauy và Anh tuykhông phát triển đến giai đoạn thương mại nhưng là các nghiên cứu tiền đề chocác thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng hiện nay Hiện nay, một số các nhà máynăng lượng sóng trên biển đã và đang hoạt động rộng khắp trên thế giới tại cácnước Nhật, Na Uy, Ân Độ, Trung Quốc, Anh và Bồ Đào Nha.

Hình 1.1: Xu hướng đầu tư vào năng lượng tái tạo [92]

Mức độ quan tâm của các quốc gia không chỉ thể hiện qua lượng vốn đầu tưvà còn nhìn thấy được qua hàng nghìn sáng chế được nộp đơn mỗi năm tại cáccơ quan sở hữu trí tuệ các nước (hình 1.2)

Tình trạng khai thác thực tế của các quốc gia được trình bày trong bảng 1.2.Các thông số trên cho thấy việc nghiên cứu khai thác và sử dụng năng lượngsóng ngày càng trở nên cấp thiết đặc biệt với Việt Nam nơi mà kinh tế biển

Hình 1.2: Số lượng đăng ký sáng chế tại các quốc gia [47]

chưa được phát triển tương xứng với tiềm năng.Tình trạng nghiên cứu khai thác ở Việt Nam, các nghiên cứu về tiềm năngnăng lượng sóng ở nước ta mới chỉ bắt đầu được quan tâm mấy năm gần đây[1–3] Các kết quả nghiên cứu dựa trên các dữ liệu đo đạc tại các trạm hải văn vàcác nghiên cứu tính toán mô phỏng của đề tài cấp Nhà nước KHCN-06-10 “Cơsở khoa học và các đặc trưng kỹ thuật đới bờ phục vụ xây dựng công trình biểnven bờ” bao gồm phân bố độ cao và chu kỳ sóng chỉ ra tiềm năng năng lượngsóng biển Việt Nam là khá dồi dào, trong đó vùng có tiềm năng nhất là vùngbiển Nam Trung Bộ Đây là vùng có dòng năng lượng sóng mạnh nhất trên toàndải ven bờ Việt Nam vì là vùng tiếp xúc trực tiếp với vùng biển thoáng và có

Bảng 1.2: Tình trạng khai thác năng lượng sóng trên thế giới [8]

xây dựng (kW)

Đang xâydựng (kW)

Đang vậnhành (kW)

Tổng côngsuất (kW)

Năng lượng sóng phân bố theo vùng biển Việt Nam trong hình 1.4 thể hiệnrõ vùng S13 có tiềm năng khai thác lớn nhất

1.1.2 Các đặc trưng sóng vùng biển đảo Nam Trung BộCác kết quả nghiên cứu trong [3] cũng chỉ ra với vùng biển Nam Trung Bộđộ cao sóng hiệu dụng có thể lên tới 2.5 m Tuy nhiên độ cao sóng hiệu dụngđưa vào thiết kế nên lấy 1 m, vì khoảng 80% thời gian trong năm sóng có thểcó độ cao này Thống kê trong nghiên cứu cho thấy chu kỳ sóng trong vùng làkhoảng 7 s

Hình 1.3: Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng [5]

Hình 1.4: Tiềm năng năng lượng sóng ven biển VN theo mô hình SWAN [3]

Mặt khác, tại vùng biển này độ sâu đáy biển là tương đối lớn (>100m) ởkhoảng cách tương đối gần bờ (hình 1.5) nên có thể áp dụng chế tạo thiết bịchuyển đổi năng lượng sóng sử dụng dao động thẳng đứng, dạng phao với ưunhiều ưu điểm cho triển khai, vận hành, bảo trì

Hình 1.5: Độ sâu khu vực biển Nam Trung Bộ [3]Từ những kết quả thu thập về tiềm năng nguồn năng lượng sóng biển củaViệt Nam, trong phần tiếp theo luận án tập trung vào tìm hiểu, phân tích, đánhgiá các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp cho vùng ven biển đảo ởkhu vực Nam Trung Bộ, với các đặc trưng về nguồn năng lượng sóng như đãtrình bày ở trên

1.2 Tổng quan thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biểnvà nguyên lý hoạt động

1.2.1 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang phát triển trên

thế giớiNhiều ý tưởng thiết kế cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đã được đềxuất, trong đó có nhiều thiết bị đã được thử nghiệm thành công ở quy mô côngnghiệp [20] Có nhiều tác giả đã đưa ra cách phân loại các thiết bị như phânloại theo phương pháp thu hồi năng lượng sóng, phân loại theo kích thước, phânloại theo nguyên lý hoạt động . Tuy nhiên, ở đây chúng ta có thể liệt kê mộtsố thiết bị theo phân loại của AEAT (AEA Technology Plc - Diễn đàn tư vấnnăng lượng và biến đổi khí hậu) Các loại thiết bị này có thể gồm các nhóm nhưsau:

• Các thiết bị sử dụng ở vùng ven bờ biển:Các kiểu thiết bị thuộc nhóm này có thể kể đến như loại dùng dao động mựcnước do sóng, loại kênh hình nêm để thu nhận thế năng của nước dâng do sóng,loại con lắc để lắc theo nhịp vỗ của sóng [20] Các thiết bị này thường là nhữngcông trình biển, xây cố định, tốn kém và dễ bị hư hại do tác động khắc nghiệtcủa môi trường biển Ngoài ra còn khó thiết kế do ảnh hưởng của thuỷ triều.Một số ví dụ về hệ thống thiết bị ven bờ

Hệ thống và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện gần bờ đượcthiết kế và xây dựng dọc theo bờ biển Các thiết bị này chuyển đổi năng lượngtừ các sóng đứt quãng, không liên tục (breaking waves) Dựa trên nguyên lýchuyển đổi năng lượng sóng thành điện, công nghệ cho hệ thống và thiết bị gầnbờ có thể phân các loại sau:

Hệ thống sử dụng cột nước dao động (Ocillating Water Column): Thiết bị nàyđược gắn với các bơm không khí, hoạt động được nhờ chuyển động theo phương

Hình 1.6: Nguyên lý thiết bị thu năng lượng từ thay đổi cột nước do sóng [40]

thẳng đứng của cột nước đẩy không khí trong ống làm quay turbine và turbinenày điều khiển thiết bị khác, chẳng hạn máy phát điện để tạo ra điện Hình 1.6là nguyên lý và sơ đồ ví dụ về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng sử dụng daođộng cột nước [40]

Hệ thống sử dụng sự rung lắc dưới tác dụng của sóng (Pendulor Device):Thiết bị này bao gồm một hộp hình khối chữ nhật với một mặt mở với một chitiết được treo ngay tại mặt mở của hộp Khi sóng chuyển động tới hộp và vàochi tiết nói trên sẽ làm nó chuyển động qua lại Chuyển động qua lại này sẽ cungcấp năng lượng cho bơm thủy lực và máy phát điện Các chi tiết chính của thiếtbị lắc được minh họa trên hình 1.7 [12] Một ví dụ khác về sử dụng chuyển độngcủa phao trên mặt sóng của thiết bị để chuyển đổi năng lượng như trên hình1.8

Hệ thống sử dụng sự dâng lên do sóng để tạo thế năng của nước chạy máyphát điện: Hệ thống này bao gồm các kênh hẹp nối với một bồn chứa đặt trênvách đá nhô ra biển với độ cao ngay trên mặt nước biển Do thiết diện của các

Hình 1.7: Cấu trúc chính của thiết bị lắc do sóng đập [10]

Hình 1.8: Hệ thống sử dụng dao động của phao gần bờ [12]

kênh hẹp nên chiều cao của sóng khi hướng về vách đá sẽ cao lên Sóng tràn lênbề mặt thành kênh và đổ vào bồn chứa, được cất giữ tại bồn nhằm gây turbinechuyển động Hình 1.9 minh họa hệ thống kênh hẹp nhìn từ trên xuống Ảnhtoàn cảnh ví dụ về nhà máy loại này mô tả như trên hình 1.10

• Các thiết bị sử dụng cho vùng gần bờ biển (độ sâu đáy biển từ 10m đến 25 m):

Hình 1.9: Hệ thống kênh hẹp nhìn từ trên xuống [20]

Hình 1.10: Toàn cảnh hệ thống kênh hẹp [20]

Các kiểu thiết bị thuộc nhóm này thường có bộ phận cố định với đáy biểnvà một bộ phận nhận dao động từ sóng, chuyển động tương đối giữa 2 bộ phậnnày sẽ được chuyển đổi thành cơ năng sau đó thành điện năng Việc xây dựngcác công trình này thường ở vị trí trước sóng đổ để kết hợp với chức năng chắnsóng [20] Do có bộ phận gắn với đáy biển, nên các thiết bị này thường có cấutạo phức tạp để có khả năng tự thay đổi độ cao của bộ phận chuyển động cùng

sóng biển để phù hợp với thay đổi mực nước do thuỷ triều, giá thành cao.Một số ví dụ về hệ thống thiết bị gần bờ:

Một số ví dụ về thiết bị gần bờ được thể hiện trên các hình 1.11, 1.12, 1.13.Hệ thống Salter Duck là một ví dụ của hệ thống được lắp gần bờ, thiết bị nàytận dụng sự rung lắc cả ở hai mode dao động lên xuống và tiến lùi của phao đểthu năng lượng [19] Đặc trưng của hệ thống là sử dụng sự chuyển động khácnhau của một bộ phận gắn với đáy biển và bộ phận chuyển động theo sóng trênmặt biển để tạo ra năng lượng hữu hiệu

Hình 1.11: Salter Duck - Hệ thống ngoài khơi dùng để chuyển đổi

năng lượng từ sóng biển thành điện [19]

• Các thiết bị sử dụng ngoài khơi (độ sâu đáy biển > 40 m):Các thiết bị thiết bị thuộc nhóm này thường với mục đích khai thác nguồnnăng lượng lớn từ các sóng năng lượng lớn ở các vùng nước sâu Trong hầu hếtcác loại đã thiết kế thuộc nhóm thường có một bộ phận nổi trên mặt hoặc gầnmặt sóng và chuyển động lên xuống cùng với dao động của sóng Tiếp theo bộphận ổn định hơn phía dưới mặt nước hoặc phao khác để tạo ra chuyển độngtương đối khác nhau giữa hai bộ phận này Hai bộ phận này nối với nhau bằng

Hình 1.12: Thiết bị tạo điện theo nguyên lý rung lắc [19]

Hình 1.13: Hệ các thiết bị tạo điện theo nguyên lý rung lắc trên biển [19]

cơ cấu để chuyển đổi dao động của phao thành năng lượng cơ học làm quay máyphát điện tạo năng lượng để sử dụng Các ví dụ về loại này đã được mô tả chitiết trong [20] Các thiết bị loại này có ưu điểm cấu tạo đơn giản, cơ động nênthích nghi được với thay đổi độ sâu do thuỷ triều, ít chịu các lực phá huỷ hơnso với 2 loại trên Trong các loại thiết bị, chúng ta có thể thấy phần lớn thiếtbị sử dụng bộ phận phao nổi để truyền năng lượng sóng, việc khảo sát đặc tínhchuyển động và truyền tải năng lượng của phao nổi có vai trò quan trọng trongtính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

Một số ví dụ về hệ thống các thiết bị ngoài khơi:Hệ thống chuyển đổi năng lượng ngoài khơi thường được đặt ở vùng nướcbiển sâu, điển hình là trên 40m Cấu trúc và cơ chế hoạt động của hệ thống nàyrất phức tạp, lợi dụng chuyển động lên xuống của sóng để nạp năng lượng chohệ thống bơm tạo điện Một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điệnkhác sử dụng các ống dài nối với các vật nổi trên mặt nước Các vật nổi này sẽchuyển động lên xuống theo nhịp sóng và vì thế sẽ làm giãn và co các ống, Sựco giãn của ống làm các turbine quay và sinh ra điện Hình 1.14 minh họa thiếtbị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện do Viện Biển Irelance thiết kếvà chế tạo.

Hình 1.14: Thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi [78]

1.2.2 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóngCác nguyên lý cơ bản đã sử dụng cho phát triển thiết bị chuyển đổi nănglượng sóng, cho đến nay được tổng kết và trình bày như trên hình 1.15 [20]

Từ các nguyên lý này có thể nhận thấy, để chuyển đổi năng lượng từ sóngbiển, năng lượng của sóng phải chuyển thành dạng động năng/thế năng hiệu

Hình 1.15: Nguyên lý hoạt động của các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

dụng, sau đó dạng động năng hiệu dụng này được chuyển đổi thành dạng nănglượng mong muốn như điện năng, sau đó sử dụng trực tiếp hoặc biến đổi thànhchất điện phân hoặc nhiên liệu hydro để chuyển tải và sử dụng cho các mục đíchkhác nhau

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đều có 4 bộ phận chính với các tínhnăng khác nhau như sau:

Bộ phận ổn định với chuyển động tương đối của sóng biển.Bộ phận chịu tác động của sóng, nó được nối với bộ phận ổn định qua bộphận thu năng lượng sóng Bộ phận chịu tác động của sóng phải có khả năngchuyển động cùng với chuyển động của sóng và bị ràng buộc với bộ phận thunăng lượng sóng.

Bộ phận chuyển đổi năng lượng sóng biến đổi năng lượng thu được từ bộphận chuyển động thành các dạng năng lượng có thể sử dụng hoặc chuyển tảiđược

Bộ phận lưu trữ hoặc chuyển tải và đưa vào sử dụng.Quy trình chuyển đổi, khai thác năng lượng sóng diễn ra ở ba quá trình:Quá trình đầu tiên gọi là quá trình sơ cấp, trong quá trình này năng lượngsóng thu được qua bộ phận dao động Bộ phận này có thể là vật nổi, vật cứngdao động hoặc cột nước dao động trong thiết bị Bộ phận này lưu trữ năng lượngsóng ở dạng động năng hoặc thế năng

Quá trình thứ hai là chuyển đổi năng lượng đã lấy được ở quá trình thứ nhấtthành dạng năng lượng hữu hiệu Ở quá trình này, các thiết bị để điều khiển vàthu năng lượng bao gồm các van, bơm, và các thành phần thuỷ khí khác cũngnhư phần cứng và phần mềm điện tử Thông thường đựơc kết thúc bởi mộtturbine

Quá trình thứ ba là cần để chuyển đổi hay chuyển tải ví dụ như một motorphát điện nối với turbine hay thêm vào quá trình chuyển hoá nước thành nhiênliệu hydro

1.2.3 Đánh giá thực trạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóngTrên thế giới và cả ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu, đề xuất và phát triểnthiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Tuy nhiên phần lớn các kết quả chỉ mới ởgiai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, chưa nhiều thiết bị triển khai hoạt động thực

tế hiệu quả do còn nhiều khó khăn về nhiều mặt Những khó khăn chủ yếu xuấtphát từ đặc trưng kỹ thuật của dạng năng lượng sóng phức tạp, môi trường làmviệc của thiết bị rất khắc nghiệt.

Các thiết bị đang phát triển hiện nay thường có cơ cấu phức tạp, sử dụngnhiều cơ cấu trung gian, năng lượng tổn thất lớn; khó hoặc không hoạt động ởvùng có thủy triều, vùng biển sâu; hiệu quả chuyển đổi năng lượng của thiết bịthấp, độ tin cậy kém

Các nghiên cứu phát triển hiện đã và đang thực hiện trên thế giới có thể chiathành các loại như sau, theo cơ chế thu và chuyển đổi năng lượng sóng:

- Loại thứ nhất lấy năng lượng tác động do chuyển động tương đối của cácphao cùng nằm trên mặt sóng như có vị trí khác nhau so với vị trí sóng Chuyểnđộng của mặt sóng tạo ra sự dao động tương đối của các phao với nhau Giữacác phao được nối với nhau bằng khớp nối Tại các khớp nối này lắp các thiếtbị để hấp thụ năng lượng và chuyển đổi thành năng lượng điện Hệ thống nàycó khả năng hoạt động không phụ thuộc thủy triều

- Loại thứ hai là thiết bị kiểu hấp thụ điểm hoạt động theo nguyên lý khaithác thế năng của sóng, thiết bị có cấu tạo như chiếc phao nổi trên mặt nướcnối với cơ cấu chuyển đổi năng lượng sóng Đầu kia của cơ cấu chuyển đổi nănglượng sóng nối nối trực tiếp với đáy biển Khi chiều cao sóng thay đổi, làmphao dịch chuyển lên xuống, kéo phần chuyển động của bộ phận chuyển đổi dịchchuyển tương đối so với phần cố định và chuyển động năng thành thành nănglượng điện Loại này có ưu điểm không phụ thuộc vào bước sóng, dễ triển khai,nhưng hoạt động phụ thuộc vào thủy triều vì có phần nối cứng với đáy phao

- Loại thứ ba là bộ chuyển đổi thế năng của nước dâng do sóng Đây là mộtthiết bị thu năng lượng qua sóng dâng, thiết bị như quả lắc dao động theo sóngnước Một đầu quả lắc được gắn trên chốt theo cách có thể quay quanh chốt,khi có sóng quả lắc này sẽ dao động và truyền đến bộ chốt để thu năng lượng.Loại này cũng tương tự như loại thứ hai nhưng được gắn vào trụ cố định nên

cũng phụ thuộc vào thủy triều, ngoài ra rất tốn kém và khó khăn khi xây cáctrụ để gắn phao ở các vùng biển sâu.

- Loại thứ tư là bộ dao động cột nước trong buồng khí do dao động sóng Đâylà thiết bị có cấu tạo ngập một phần trong nước, hở ở phía dưới mặt nước vàkín ở phía trên Khi cột sóng lên cao làm cột nước trong buồng thay đổi, việcthay đổi này sẽ nén và đẩy khí trong buồng làm quay tuabin Tuabin sử dụngtrong trường hợp này là tuabin khí nén

- Loại thứ năm là thiết bị sử dụng thế năng của phần nước tràn đỉnh dosóng Khi sóng dâng cao sẽ đưa nước phía trên đỉnh sóng vào một bể chứa nổitrên mặt biển tạo thế năng cho nước trong bể Nước từ bể chứa này sẽ dẫnqua tuabin và lại chảy về biển Tuabin quay và phát điện Phương pháp này cónhược điểm là phải xây dựng công trình nổi đủ lớn để có lượng nước lớn vì thếnăng tạo ra từ sóng trường thường không lớn

- Loại thứ sáu là bộ tích áp do tác động của thay đổi cột nước tại một điểmtrong chuyển động sóng Thiết bị này thường có cấu tạo gồm khối nặng đượcđặt trên hệ thống bơm thể tích trong lò xo đặt dưới đáy biến Khi có thay đổiđộ cao cột nước do sóng, cột nước đè lên khối trọng lượng với áp lực thay đổikích hoạt bơm thể tích trong lò xo và đẩy nước đến bình tích áp Nước từ bìnhtích áp đẩy chất lỏng tới hệ thống tuabin và phát điện Hệ thống này có ưu điểmlà chìm sâu dưới đáy biển nên có thể tránh được các tác động từ thời tiết trênmặt biển Tuy nhiên thiết kế, chế tạo và vận hành hệ thống hoạt động ngầmdưới đáy biển là không dễ dàng Ngoài ra do đặc trưng năng lượng sóng là tậptrung ở vùng bề mặt nước, nên thiết bị hoạt động phải được đặt ở vùng bề mặtđể thu được năng lượng tốt hơn chứ không phải dưới đáy

Tại Việt Nam, cũng đã có một số nghiên cứu và đăng ký sáng chế đề cập đếnhệ thống phát điện sử dụng sóng biển như sau [81]: đơn yêu cầu cấp bằng giảipháp hữu ích số 2-2016-00140 Thiết bị phát điện được mô tả trong đơn này cókết cấu thân gồm hai khoang khí, mỗi khoang làm nhiệm vụ nạp và xả khí luân

phiên khi sóng lên và xuống để nạp khí vào buồng chứa tuabin khí làm quaytuabin khí phát điện.

Đơn yêu cầu cấp bằng giải pháp hữu ích số 2-0001075 đề cập đến hệ thốngphát điện bằng năng lượng sóng biển bao gồm cụm cơ cấu thu nhận và biến đổinăng lượng sóng biển gắn vào khung đỡ cố định vào hệ móng cọc dưới đáy biển.Đơn yêu cầu cấp bằng sáng chế số 1-2014-01483 đề cập đến máy phát điệnbằng sóng biển sử dụng giải pháp công trình biển cố định

Đơn yêu cầu cấp bằng sáng chế số 1-2014-01523 đề cập đến hệ thống phátđiện dùng năng lượng sóng biển được xây dựng trên bờ

Một số nghiên cứu khác đã phát triển thiết bị chuyển đổi năng lượng sóngtheo hướng dùng cơ cấu chuyển đổi trực tiếp, trong đó các loại thiết bị có cơ cấuchuyển đổi trực tiếp (direct driven) dùng máy phát điện tịnh tiến Các thiết bịnày có ưu điểm như: ít cơ cấu trung gian làm giảm tổn thất cơ khí, tăng độ tincậy Tuy nhiên trong cấu tạo thường cần một bộ phận cố định so với phao haycũng là cố định so với mực nước biển điều này dẫn đến những khó khăn trongviệc phát triển kết cấu dạng công trình biển cố định, tăng chi phí Đôi khi khôngthực hiện được ở vùng có thủy triều lớn Đây là những hạn chế ảnh hưởng đếntính khả thi trong thực tế của nhiều mẫu thiết bị đã nghiên cứu trước đây

1.3 Tổng quan máy phát điện tịnh tiến trong các thiết bịchuyển đổi năng lượng sóng

Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi cơ năng thành điện năng dựa trên nguyênlý cảm ứng điện từ Dựa trên cơ cấu truyền động, máy phát điện sẽ được phânthành 2 loại với cơ cấu truyền động khác nhau: máy phát điện trục quay và máyphát điện tịnh tiến (hình 1.16) Với máy phát điện trục quay, thường hoạt độngvới tốc độ cao, cần có một cơ cấu truyền động như hộp số, bơm thủy lực, vàđộng cơ turbine, điều này sẽ làm tăng kích thước hệ thống cũng như tổn thất cơ