Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu: Khai thác năng lượng tái tạo Đối tượng nghiên cứu:Năng lượng sóng biển và các cơ cấu tiếp nhận lực tác động của sóng biển và

VƯƠNG VĂN CƯỜNG

Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị

sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

VƯƠNG VĂN CƯỜNG

Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị

sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

Nha Trang, 6/2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vii

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN viii

LỜI NÓI ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trên thế giới 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trong nước 7

1.2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

CHƯƠNG 2 8

ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN VÀ PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN LAI MÁY PHÁT ĐIỆN 8

2.1 ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN 8

2.1.1.Khái niệm 8

2.1.2 Phân loại sóng biển 8

2.1.3 Quá trình hình thành sóng biển và các yếu tố tạo sóng 10

2.1.3.1 Quá trình hình thành sóng biển do gió 10

2.1.3.2 Những nhân tố chính quyết định sự phát triển của sóng 14

2.1.4 Các thông số đặc trưng của sóng biển 15

2.1.5 Phương pháp tính toán các thông số sóng 17

2.1.5.1.Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập được 2.1.5.1.a Tính toán năng lượng sóng đều 19

2.1.5.1.b Tính toán năng lượng sóng không đều (sóng vỗ gần bờ) 20

2.1.5.2 Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các thông số của gió biển 21

2.1.6 Năng lượng ở các vùng hình thành sóng [2] 22

2.1.6.1.Vùng sóng gợn 22

2.1.6.2.Vùng gia tăng chiều cao sóng 23

2.1.6.3 Vùng sóng vỗ 23

2.1.7 Tính toán năng lượng sóng đứng truyền cho phao nổi 25

2.1.8 Phân tích chế độ trường sóng vùng ven bờ biển Việt Nam 28

2.2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 31

2.2.1.Yêu cầu kỹ thuật, kinh tế đối với mô hình 31

2.2.2.Các nguyên tắc và ứng dụng trong chuyển đổi năng lượng sóng 31

2.2.2.1 Chuyển đổi năng lượng sóng trực tiếp 32

2.2.2.1a Nguyên lý sử dụng truyền động bánh răng cóc 33

2.2.2.1b Nguyên lý sử dụng áp suất không khí quay tuabin 34

2.2.2.1d Nguyên lý biến chuyển động tịnh tiến của phao thành chuyển động tịnh tiến của Roto trượt theo cuộn dây Stato 35

2.2.2.1e Nguyên lý sử dụng phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng lượng sóng sang cơ – điện năng 36

2.2.1.2 Chuyển đổi năng lượng sóng gián tiếp 36

2.2.4 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống 39

CHƯƠNG 3 42

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 42

3.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 42

3.1.1 Tính toán các thông số sóng biển 42

3.1.2 Tính toán hệ thống thủy lực theo sơ đồ nguyên lý hoạt động (hình 2.19) 45

3.1.2.1 Tính chọn máy phát điện 45

3.1.2.2 Chọn bộ truyền động 45

3.1.2.3 Tính chọn động cơ thủy lực [5] 45

3.1.2.4 Tính toán thiết kế bơm piston thủy lực 47

3.1.2.5 Tính toán đường ống thủy lực 51

3.1.2.6 Tính chọn bình tích áp 52

3.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO 53

3.2.1.Thiết kế bơm thủy lực 53

3.2.2 Chế tạo bình tích năng 54

3.3 THỬ NGHIỆM 56

CHƯƠNG 4 57

THẢO LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

4.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 57

4.1.1 Hình ảnh mô hình thực hiện 57

4.1.2 Kết quả thử mô hình 59

4.2 THẢO LUẬN 60

4.3 KIẾN NGHỊ 60

PHỤ LỤC 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC CÁC BẢNGBảng 2.1 Bảng phân cấp độ sóng 24 Bảng 3.1 Bảng năng lượng sóng và công suất sóng ứng với từng cấp sóng 44

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 – Các dạng năng lượng tái tạo 3

Hình 1.2 - Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo 4

Hình 1.3 - Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo 5 Hình 2.1 – Giai đoạn hình thành sóng 12

Hình 2.2 - Mô tả chuyển động của từng phần tử nước trong sóng biển 14

Hình 2.3 - Các đặc trưng sóng 15

Hình 2.4 – Minh họa 3 thành phần dao động của sóng biển 16

Hình 2.4 - Sơ đồ phân bố năng lượng sóng 19

Hình 2.5 - Năng lượng ở các vùng hình thành sóng 23

Hình 2.6 - Chi tiết mô hình phao chuyển đổi năng lượng sóng 25

Hình 2.6 – Bảng tra mw theo Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932)[4] 26

Hình 2.8 -Vị trí các trạm ven bờ có số liệu đo gió, sóng và các vùng thống kê số liệu gió và sóng quan trắc trên tàu biển (Obship) trên vùng khơi Biển Đông 29

Hình 2.9 – Nguyên lý sử dụng truyền động bánh răng cóc 33

Hình 2.10 - Nguyên lý sử dụng áp suất không khí quay tuabin 34

Hình 2.11 – Nguyên lý dao động cột nước sử dụng sóng tràn 34

Hình 2.12 – Thiết bị seabased AB 35

Hình 2.13 - Phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng lượng sóng sang cơ – điện năng 36

Hình 2.13 - Thiết bị rắn Pelamis Hình 2.14 – Thiết bị Pendulor 37

Hình 2.15 - Hàu biển Oyster 37

Hình 2.16 – Thiết bị Wave roller 38

Hình 2.17 - Thiết bị OWAP (ocean wave air piston) 38

Hình 2.18 - Thiết bị SIECAT 39

Hình 2.19 - Sơ đồ nguyên lý hoạt động mô hình hệ thống phát điện 41

Hình 3.1 – Động cơ thủy lực bánh răng ăn khớp ngoài 45

Hình 3.2 – Các thông số của Xylanh – piston thủy lực Error! Bookmark not

defined

Hình 3.3 – Cấu tạo của piston thủy lực 54

Hình 3.4 – Bình tích năng 55

Hình 4.1 – Hệ thống thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện 57

Hình 4.2 – Bơm piston tác động kép 57

Hình 4.3 – Đồng hồ đo áp suất dầu thủy lực và van an toàn 58

Hình 4.4 – Bình tích năng 58

Hình 4.5 – Van hai ngả, động cơ thủy lực và máy phát điện 59

Hình 4.6 – Động cơ thủy lực bánh răng và máy phát điện 59

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện”

Chuyên ngành: Động lực tàu thủy Mã số:

Họ tên SV: Vương Văn Cường Lớp: 51DLTT MSSV: 51130188

Cán bộ hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đình Long

Nội dung thực hiện:

1 Đặt vấn đề

2 Đặc điểm của sóng biển và phân tích lựa chọn phương án sử dụng

năng lượng sóng biển

3 Chế tạo mô hình thiết bị và thử nghiệm

4 Thảo luận

I MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu: Khai thác năng lượng tái tạo

Đối tượng nghiên cứu:Năng lượng sóng biển và các cơ cấu tiếp nhận lực tác

động của sóng biển và biến thành chuyển động thẳng, chuyển động quay tròn

Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo mô hình sử dụng năng lượng sóng biển lai máy

phát điện

Chương 4: Thảo luận và kiến nghị

Nha Trang, ngày tháng năm 2013 TRƯỞNG BM CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của sinh vật nói chung và con người nói riêng

Cho đến nay, phần lớn các nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng đều bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá…), loại năng lượng dưới dạng tài nguyên hữu hạn và chúng không thể tự tái sinh được

Thế giới đang đứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền vững trong tương lai khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt Theo số liệu (năm 1999) của MITI – Bộ Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản, dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau khoảng 50 năm nữa, tương ứng là khí đốt – 60 năm; than đá – 230 năm; Uranium –

70 năm Theo Edwin Cartlidge (nhà vật lý thế giới), hàng năm, nhân loại tiêu dùng tổng các nguồn năng lượng vào cỡ 14x1016 kWh, trong đó tỷ trọng sử dụng năng lượng hoá thạch (than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên) chiếm 90% các nguồn năng lượng được sử dụng Đây là nguồn năng lượng gây ô nhiễm nhất, khiến Trái đất nóng lên do hiệu ứng nhà kính Năng lượng hạt nhân cũng không phải là lựa chọn lâu dài vì không chỉ do sự cạn kiệt vào cuối thế kỷ này mà còn do tính thiếu an toàn với sự cố phóng xạ như đã từng xảy ra ở Chernobyl (Liên xô cũ) và Fukushima (Nhật bản) Vì vậy, theo dự tính của Cơ quan nghiên cứu năng lượng tại Mỹ thì tỷ trọng điện hạt nhân sẽ giảm từ 7,3% như hiện nay xuống mức 4,6% vào năm 2030 Năng lượng thuỷ điện cũng làm biến đổi vi khí hậu và môi trường khu vực

Đứng trước thách thức về nguồn năng lượng cho tương lai, thế giới đang hướng đến những nguồn năng lượng sạch - nguồn năng lượng tái sinh (renewable energy) như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều, năng lượng nhiệt từ nhiệt độ nước, năng lượng chiết suất từ gradien độ mặn của nước biển và năng lượng sinh học sinh ra từ các loài thực vật dưới biển…

Nước ta có đường bờ biển dài hơn 3.260km, diện tích biển chiếm khoảng 1.000

000 km2 với hơn 2.800 hòn đảo, bãi đá ngầm lớn nhỏ, gần và xa bờ, bao gồm

cả Trường Sa và Hoàng Sa Đó là một ưu thế về biển hết sức thuận lợi để nước ta

khai thác nguồn năng lượng tái tạo phục vụ cho nhu cầu đất nước trong hiện tại và tương lai

Với mong muốn nghiên cứu khai thác năng lượng tái tạo, tôi đã chọn đề tài

“Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện” làm công trình tốt nghiệp của mình và được nhà trường chấp nhận cho thực hiện

Đây là một đề tài tương đối mới liên quan đến lĩnh vực năng lượng tại Việt Nam và cũng là lĩnh vực chuyên môn khá xa lạ với tôi, do vậy, không thể tránh khỏi những khiếm khuyết Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cùng quý độc giả để đề tài này hoàn thiện hơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Đình Long - thầy đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và có những góp ý sâu sắc, cụ thể trong quá trình nghiên cứu

để tôi hoàn thành đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, tháng 7 năm 2013

CHƯƠNG 1

ĐẶ T VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Sinh vật và đặc biệt là con người sẽ không tồn tại và phát triển nếu như không

có năng lượng Loài người đã sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch trên trái đất từ rất lâu đời, cũng vì vậy mà loại năng lượng hữu hạn này ngày càng bị cạn kiệt và nó

đã gây ra nhiều tác động xấu đến môi trường

Để giải quyết cho bài toán năng lượng đó, nhiều thập niên gần đây, thế giới đã bắt tay nghiên cứu về các nguồn năng lượng tái sinh (Renewable Energy) như năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng sinh học… chúng có đặc điểm chung là:

- Không bị tiêu hao hoặc ảnh hưởng đến môi trường trong quá trình ta khai thác

- Có thể tái tạo lại với tốc độ bằng với tốc độ ta khai thác như năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh khối

Hình 1.1 – Các dạng năng lượng tái tạo

Trên hình 1.1 thể hiện các dạng năng lượng tái tạo hiện đang được thế giới nghiên cứu và sử dụng

Theo thống kê của Cơ quan Điều tra Môi trường EIA (Environmental Investigation Agency) và các nhà cung cấp năng lượng tại Mỹ (US Energy Supply) vào năm 2007 thì sản lượng điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo đạt 6,7% tổng giá trị sản lượng điện trên thế giới (hình 1.2)

Hình 1.2 - Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo

Sản lượng điện từ năng lượng tái tạo tăng với tốc độ khá nhanh và hướng tới mục tiêu vào năm 2035 sẽ cung cấp và giải quyết gần 25% năng lượng điện trên toàn thế giới Theo biểu đồ dự đoán của cơ quan nghiên cứu năng lượng tại Mỹ (hình 1.3) cho ta thấy tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng sinh khối, rác thải, sóng và thủy triều cao hơn trong tương lai từ 220 tỷ kW vào năm 2007 lên 870 tỷ kW vào năm 2035

Hình 1.3 - Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo

Trong số các nguồn năng lượng tái sinh nêu trên, năng lượng sóng biển tuy chưa được khai thác nhiều nhưng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về năng lượng sóng biển Trong số đó nổi bật nhất là Nghiên cứu của Học viện không quân

Mỹ về hiệu suất chuyển hóa điện năng trực tiếp từ năng lượng sóng biển và theo trang báo RBC của Nga đã kết luận rằng: “Năng lượng sóng biển là loại năng lượng tái sinh có hiệu suất chuyển hóa thành điện năng cao nhất – hiệu suất lên đến 99%” [1] Kết luận đó một lần nữa khẳng định cho ta biết năng lượng sóng biển là một nguồn năng lượng tái sinh khổng lồ trong tương lai

1.1.1 Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trên thế giới

Từ những năm 70 của thế kỷ 20, các nước có vùng biển rộng và khoa học tiên tiến như Na Uy, Thụy Điển, Pháp, Mỹ và Nhật Bản đã có các chương trình nghiên cứu về năng lượng sóng biển Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây dựng ở Na Uy năm 1984 và hoàn thành vào năm 1986 Châu Âu là khu vực đứng

đầu trong việc áp dụng năng lượng sóng, tính đến năm 2009 đã có 4 dự án khai thác thương mại năng lượng sóng

Giá thành điện năng từ gió hiện nay đã giảm 80% trong vòng 20 năm qua nhờ

có các tiến bộ về thiết bị và tối ưu hóa trong kết cấu

Với giá cả ban đầu khoảng ½ giá ban đầu của năng lượng gió và ¼ giá hiện thời của năng lượng pin Mặt Trời PV, năng lượng sóng có một tiềm năng lớn để trở thành một nguồn năng lượng có giá rẻ nhất trong tương lai

Năm 2004, nghiên cứu khả thi của Viện Nghiên Cứu Điện Lực (EPRI: Electrical Power Research Institute) của Mỹ cho thấy tiềm năng của năng lượng sóng tại khu vực Bắc Mỹ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng thủy triều Kết luận của nghiên cứu này là giá thương mại hiện nay của điện năng từ sóng tại một số khu vực triển vọng trong khoảng (11÷13) cent/ kWh nhưng giá này sẽ giảm mạnh do sẽ

có nhiều cải tiến trong công nghệ và kỹ thuật

Nhà máy điện thương mại sóng biển đầu tiên (pelamis) với công suất 30MW được xây dựng ở Bồ Đào Nha Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng Tại Mỹ mới có phao năng lượng sóng đầu tiên với công suất 40kW tại căn cứ biển ở Kancohe Hawaii

Nước Anh đã chi 2,3 triệu bảng Anh hỗ trợ công ty Wavegen tiến hành thử nghiệm các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển theo nguyên lý dao động cột nước tại vùng biển phía tây Isles năm 2002 Một dự án với kinh phí 3,7 triệu bảng Anh có mục tiêu tập hợp các thiết bị khai thác năng lượng sóng cho khu vực tây Isles đã công bố là đạt được một bước tiến gần với hiện thực Điều này cho thấy nước Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng Tại Trung Quốc đã xây dựng thử một trạm thủy điện sức sóng có thể chịu được những cơn bão vào năm

2005, trạm đã phát điện với công suất 6kW và hoạt động tốt sau hơn 20 cơn bão

1.1.2 Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trong nước

Tại Việt Nam những năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về việc sử dụng năng lượng sóng biển Điển hình như sáng chế “Máy phát điện nhờ sóng biển” của anh Lê Thanh Bình ở Quảng Trị đã được trưng bày tại Hội chợ thiết bị công nghệ Việt Nam năm 2010 Hay với đề tài “Máy phát điện từ năng lượng sóng biển” của Bùi Nguyên Vọng – sinh viên Đại học Cần Thơ đã đoạt giải nhất cuộc thi Phát minh xanh do Công ty Sony VN tổ chức

Đặc biệt “Hệ thống thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển” do Kỹ sư Nguyễn Trọng Dần cùng các cộng sự thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ công thương) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thông qua thực hiện cấp đề tài nhà nước KC.05.17/06-10 đạt công suất (5÷10)kW/h; điện áp phát xoay chiều 220VAC; dao động điện áp ∆U = ± 10% đã bước đầu chứng minh cho việc đầu tư khai thác tối đa nguồn năng lượng sạch trên biển Việt Nam đang được nhà nước ta quan tâm đẩy mạnh

1.2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu khai thác năng lượng tái tạo, trong đó đối tượng nghiên cứu là năng lượng sóng biển và các cơ cấu tiếp nhận lực tác động của sóng và chuyển thành chuyển động thẳng, chuyển động quay nhằm tạo ra điện năng Đề tài được thực hiện trong phạm vi chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

LAI MÁY PHÁT ĐIỆN

2.1 ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN

2.1.1.Khái niệm

Sóng biển là hình thức dao động có chu kỳ của nước biển theo chiều thẳng đứng và có các tính chất không điều hòa, không ổn định, bước sóng thay đổi, đường trung bình thay đổi theo thủy triều

2.1.2 Phân loại sóng biển

Trên biển và đại dương tồn tại những sóng với hình dáng, nguyên nhân hình thành khác nhau Để phân biệt sóng người ta thường dựa vào nguyên nhân phát sinh

và tính chất chuyển dịch của hình dạng sóng

Cho đến nay, trong tài liệu nghiên cứu sóng có những cách phân loại sóng như sau:

a Dựa vào nguyên nhân hình thành

• Sóng triều là do mối quan hệ tương tác giữa lực hấp dẫn vũ trụ của Mặt Trăng và Mặt Trời sinh ra

• Sóng gió là do các lực khí tượng thủy văn Do bức xạ Mặt Trời trên Trái Đất phân bố không đồng đều, dẫn đến sự phân bố năng lượng và áp suất khác nhau giữa các vùng trên Trái Đất khi đó sinh ra những dòng không khí chuyển động (gió) Bề mặt tiếp xúc giữa hai môi chất nước và không khí có đặc tính và mật độ rất khác nhau, tại nơi đây xảy ra hiện tượng trao đổi năng lượng của gió cho nước nên cũng tạo chuyển động dạng sóng

• Sóng thần (Tsunami) là do các lực địa chấn trong lòng Trái Đất: động đất, núi lửa…

• Sóng lừng (sóng ổn định) xảy ra ở những vùng gió thổi yếu hoặc không có gió

• Sóng khí áp là do sự chênh lệch khí áp

Ở đây chúng ta chỉ quan tâm nghiên cứu sóng gió Đây là loại chuyển động chủ yếu và phổ biến nhất trên biển và đại dương, là động lực chính của biển trong quá trình hình thành và phát triển bờ biển

• Sóng hỗn tạp thấy ở gần tâm bão

c Theo các đặc điểm của các yếu tố sóng

• Dựa vào độ dài

+ Sóng dài khi có λ > h

+ Sóng ngắn khi có λ < h

Trong đó h là độ sâu vùng nước

• Dựa vào độ cao

• Dựa vào chu kỳ

+ Sóng có chu kỳ dài ( T ≥ 1 giờ)

+ Sóng có chu kỳ ngắn [ T = (10÷12) giây]

Ngoài ra người ta còn dựa vào các đặc trưng khác để phân loại sóng như sau:

• Tính chất truyền sóng

+ Sóng ép (chịu trực tiếp ảnh hưởng của lực tác dụng)

+ Sóng tự do (sóng tồn tại khi không có lực tác dụng)

• Tính ổn định của sự truyền sóng

+ Sóng có xoáy

+ Sóng không có xoáy (sóng thế)

• Tính chất truyền động của phần tử nước trong chuyển động sóng

+ Sóng tiến (có các chất điểm chuyển dịch theo phương truyền sóng)

+ Sóng đứng (các chất điểm nước không chuyển dịch theo phương truyền sóng mà dao động quanh mực nước tĩnh)

• Dựa vào lực phục hồi

2.1.3 Quá trình hình thành sóng biển và các yếu tố tạo sóng

2.1.3.1 Quá trình hình thành sóng biển do gió

Quá trình này chia thành 4 giai đoạn:

• Giai đoạn phát sinh

Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành sóng do gió Việc nghiên cứu sự cung cấp năng lượng gió cho sóng cho đến nay vẫn chưa có lý thuyết nào hoàn hảo song có một số quan điểm cho rằng:

Theo quan điểm động lực học của L.Kenvin và V.V.Suleykin thì cho rằng không khí là một trạng thái chất lỏng nhưng không đồng chất với nước biển về mật

độ và tốc độ chuyển động Từ đó trên bề mặt tiếp xúc giữa hai môi chất chuyển động khác nhau xuất hiện một dạng chuyển động, chuyển động này gây ra sóng

- Một số người khác như H.Jeffrey, V.M Makaviev… cho rằng gió phải thổi với tốc độ nhất định nào đó thì phát sinh ra sự chênh lệch về áp lực và trên

bề mặt tiếp xúc đó xuất hiện áp lực tiếp tuyến, lúc đó có khả năng sinh ra sóng

- Dựa vào sức căng mặt ngoài và trọng lực, L.Kenvin tìm ra tốc độ gió

W = (6÷7) m/s thì phát sinh sóng, nhưng trong thực tế không phải vậy vì nó tương đương với gió cấp (3÷4)

- Dựa vào áp lực tiếp tuyến và trọng lực, H.Jeffreys tính ra tốc độ gió

W = 4,8m/s, với tốc độ gió này tương ứng với chiều cao sóng H = (0,4÷0,6)m

- Dựa vào kết quả quan trắc thực tế, năm 1949 G.Neumann tính ra tốc

độ gió W = 0,695m/s, tương ứng với chiều cao sóng H = 0,1m

Ngày nay với thiết bị đo đạc hiện đại, đã đo được W = 0,25m/s mặt nước đã hình thành sóng, sóng này được gọi là sóng mao dẫn

Mọi người đều thừa nhận năng lượng mà gió truyền cho sóng phụ thuộc vào sự chênh lệch áp lực của gió đối với sườn đón gió và sườn khuất gió Ngoài ra còn phụ thuộc vào trọng lực và sức căng mặt ngoài

Những sóng ban đầu kích thước rất nhỏ, độ cao chỉ vài milimet, chiều dài vài centimet Nếu gió tiếp tục thổi năng lượng của gió truyền cho sóng tiếp tục tăng, sóng dần lớn lên

• Giai đoạn sóng phát triển

Khi gió thổi với một tốc độ nhất định, năng lượng của gió truyền cho sóng nhiều hơn sóng ban đầu (sóng ban đầu là sóng mao dẫn hay còn gọi là sóng căng mặt ngoài vì lực tác động chủ yếu là lực tiếp tuyến của gió lên mặt sóng, theo tài liệu quan trắc thì sóng ban đầu có độ cao sóng H = 0,02cm, bước sóng λ = (1,7÷1,8)cm, tốc độ sóng C = (23,1÷23,5)m/s) Sóng tuy rất nhỏ nhưng cũng đủ làm mặt nước gồ ghề

Bề mặt tiếp xúc có diện tích tăng, nên có khả năng tiếp nhận năng lượng của gió ngày một nhiều hơn Nhưng do độ nhớt của nước biển làm tắt dần một số

chuyển động của nước biển nên một lượng con sóng bị triệt tiêu, năng lượng của nó chuyển sang con sóng khác tạo nên những con sóng lớn hơn

Theo B.Đ.Zaicov, khi gió chuyển động với tốc độ W = (1÷2)m/s, sóng được hình thành gọi là sóng trọng lực, lúc này lực tác dụng lên sóng chủ yếu là trọng lực

và lực tiếp tuyến của gió Sóng này còn khá nhỏ, theo kết quả nghiên cứu thì độ cao sóng chỉ đạt H = 0,49cm, chiều dài sóng λ = 5cm

Nếu như gió tiếp tục thổi với tốc độ ngày càng lớn, năng lượng của gió truyền cho sóng ngày càng nhiều, sóng lớn dần lên thành cả con sóng Sóng này trở nên không cân đối, ngọn sóng tương đối nhọn nghiêng về phương truyền sóng Sườn đón gió thoải và dài, sườn khuất gió ngắn và dốc Vì áp lực tiếp tuyến giữa hai phía

là không đều, khi sườn đón gió đạt độ dài xác định thì trên bề mặt lại hình thành sóng mao dẫn mới gọi là sóng thứ sinh, sóng ban đầu là sóng nguyên sinh Sóng này

có thể bị triệt tiêu nhưng cũng có thể cộng hưởng thành sóng dài Số lượng sóng có thể là (4÷5) con Độ dài sườn đón gió càng lớn thì số lượng sóng thứ sinh càng nhiều Các con sóng này hợp thành hệ sóng (hình minh họa 2.1)

• Giai đoạn sóng ổn định

Khi gió thổi liên tục với tốc độ không đổi trong khoảng thời gian dài thì sóng dần chuyển đến giai đoạn ổn định, lúc này sóng dần trở lại sóng 2 chiều cân đối Khảo sát giai đoạn ổn định, khi tỷ số C/W = (0,7÷0,8), hình dạng sóng tương đối thoải, năng lượng của gió cung cấp cho sóng lúc này cân bằng năng lượng của sóng bị tiêu hao, năng lượng này chỉ để duy trì sự tồn tại của sóng

Năng lượng tiêu hao một phần vào việc giữ cho độ cao sóng không bị giảm, một phần thắng lực ma sát và trọng lực Chiều dài và tốc độ sóng phát triển nhưng giai đoạn này không tồn tại lâu, tùy theo thời gian gió ổn định

Nếu vận tốc tăng thì sóng thay đổi, nhưng nếu gió yếu thì sóng yếu dần

• Giai đoạn triệt tiêu

Khi gió thổi yếu năng lượng của gió không cung cấp đủ để duy trì sóng, lại do tác động của trọng lực, ma sát và sức căng mặt ngoài nên độ cao sóng giảm nhanh Khi gió ngừng thổi, sóng không tắt ngay mà vẫn tiếp tục dao động dưới tác dụng của lực quán tính Thời gian dao động ngắn hay dài tùy thuộc vào kích thước của sóng

Kích thước của sóng thể hiện năng lượng mà gió cung cấp cho sóng nhiều hay

ít, sóng càng lớn thì thời gian duy trì càng dài Lúc này sóng chuyển từ sóng cưỡng bức sang sóng tự do Hình dạng, kích thước sóng dần trở nên cân đối, sóng thoải dần, độ cao giảm, chiều dài và tốc độ truyền sóng tăng nhanh, sóng chuyển thành sóng lừng, đây là sóng tự do, chuyển động không theo hướng gió thổi Sóng lừng bị triệt tiêu khi năng lượng gió cung cấp cho sóng tiêu hao hết

Hình 2.2 - Mô tả chuyển động của từng phần tử nước trong sóng biển

2.1.3.2 Những nhân tố chính quyết định sự phát triển của sóng

- Tốc độ gió

- Thời gian hoạt động của gió

- Đà (độ dài khoảng không gian kể từ điểm tính sóng về phía ngược chiều gió tác động cho tới nơi gió thay đổi đáng kể về hướng hoặc tới đường khuất gió và độ sâu biển nơi tính sóng)

Nếu gió có cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian rất lớn trên đại dương trong thời gian đủ dài thì sóng sẽ tăng trưởng cho đến khi đạt trạng thái hoàn toàn ứng với tốc độ gió đang xét Khi đó phổ sóng sẽ bao gồm toàn dải chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng Độ cao, chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng sẽ chỉ phụ thuộc vào một tham số - tốc độ gió W Trong trường hợp này tốc độ gió càng lớn thì thời gian cần để sóng phát triển càng phải lớn

2.1.4 Các thông số đặc trưng của sóng biển

Trong một con sóng, phần nhô lên khỏi mặt nước trung bình gọi là ngọn sóng (lưng sóng); điểm cao nhất của ngọn sóng gọi là đỉnh sóng; phần thấp hơn mực nước trung bình gọi là bụng sóng và điểm thấp nhất của bụng sóng gọi là đáy sóng (chân sóng)

• Độ dốc sóng α là tỉ số giữa độ cao sóng với nửa độ dài của nó

• Chu kỳ sóng T , s là khoảng thời gian giữa hai lần đỉnh sóng hoặc đáy sóng

kế tiếp nhau xuất hiện tại một thời điểm trong không gian

Đối với sóng đứng, chu kỳ sóng được xác định bằng khoảng thời gian cần thiết

để mực nước thay đổi từ thấp nhất qua vị trí cao nhất rồi lại trở về vị trí ban đầu Chu kỳ cũng được hiểu là khoảng thời gian cần thiết để đỉnh sóng di chuyển được quãng đường bằng độ dài sóng

• Tần số sóng f ,Hz là số lần sóng lặp lại trên một đơn vị thời gian

• Tốc độ truyền sóng C , m/s hay tốc độ góc là khoảng cách mà đỉnh sóng di chuyển theo phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian, nói cách khác tốc độ truyền sóng là tốc độ di chuyển của đỉnh sóng theo phương truyền sóng không kể tốc độ chảy trong hệ quy chiếu đứng yên

• Tốc độ nhóm sóng Cg , m/s là đại lượng đặc trưng của sóng lan truyền,

nó chính bằng tốc độ truyền năng lượng của sóng

Cg = n.C (với n là số lượng con sóng)

• Công suất của sóng P ,W; kW là sự chuyển tải năng lượng sóng từ điểm này tới điểm khác theo chiều chuyển động của sóng trong một đơn vị thời gian

• Năng lượng sóng E , N.m thường tính bằng cơ năng của mỗi mét vuông mặt nước khi có sóng truyền qua

Năng lượng sóng có thể được tách ra thành 3 vecto chuyển động thành phần:

1 Thành phần chuyển động lên xuống;

2 Thành phần chuyển động ngang;

3 Thành phần chuyển động xoay

Hình 2.4 – Minh họa 3 thành phần dao động của sóng biển

Tùy thuộc vào vị trí hình thành sóng (gần bờ hay xa bờ) ta có thể xác định được dạng dao động chủ yếu của sóng ứng với từng vùng Thông thường thành phần chuyển động lên xuống chiếm phần lớn ở vùng gia tăng chiều cao sóng (cách bờ biển khoảng 50m), thành phần chuyển động ngang có năng lượng lớn nhất ở vùng sóng vỗ (gần bờ biển), thành phần chuyển động xoáy được hình thành tại những

vùng giao nhau không đều của 2 thành phần chuyển động kia, thường xảy ra ngay sau khi sóng vỗ vào bờ (tham khảo mục 2.1.6)

2.1.5 Phương pháp tính toán các thông số sóng

Có 2 phương pháp chính để tính toán các thông số của sóng đại dương:

- Phương pháp thứ nhất là quan sát thu thập số liệu về chu kỳ của sóng và dựa vào từng dạng sóng, mực nước biển áp dụng vào các biểu thức tính toán ra các thông số đặc trưng của sóng Ưu điểm của phương pháp này là tính toán chính xác được năng lượng của sóng, nhưng hạn chế là việc thu thập các số liệu của sóng rất khó khăn và chỉ áp dụng cho các dạng sóng chuẩn, không tính toán được sóng hỗn hợp bất kỳ

- Phương pháp thứ 2 là dựa vào thông số vận tốc gió tác động vào mặt nước biển ta tra bảng và dựa vào hàm phổ của tốc độ gió, các biểu thức tính toán ta tìm được các hệ số cần thiết tính toán ra được các thông số của sóng Phương pháp này

(Các công thức từ TLTK [2] trang 22-26)

- Chu kỳ sóng : 1 2 2 2 . (2 . )

λ

πλ

ππω

tg

g f

tg T g

=

- Tốc độ truyền sóng: ( )

2

.).2(.2

h k tg T g h tg T g T

C

πλ

ππ

Vì sóng biển có đặc điểm không điều hòa, không ổn định nên ở mỗi vùng nước

ta nhận được các thông số đặc tính cơ khác nhau:

• Đặc tính cơ ở vùng nước sâu

π.h

2

ta có bước sóng và tốc độ truyền sóng ở vùng nước cạn được xác định:

h g T h T

g

2 2

h g T

Năng lượng và công suất chứa trong hai dạng sóng này khác nhau nên ta có các biểu thức tính toán là khác nhau và được trình bày từ biểu thức (2.8) đến (2.20)

2.1.5.1.a Tính toán năng lượng sóng đều

Sóng đều được định nghĩa là dạng sóng có chiều cao ngọn sóng tỉ lệ tương đối với bề rộng ngọn sóng và sóng tạo ra có dạng hình Sin

- Tổng năng lượng nhận được từ sóng đều được xác định:

N b H g E

E

8

2 λρ

= +

2λρ

=

=

(2.10)

Trong đó thế năng của sóng phụ thuộc vào chiều cao sóng H và động năng của sóng phụ thuộc vào chuyển động của phần tử nước

Công suất của sóng là sự truyền tải năng lượng sóng từ điểm này tới điểm khác theo chiều chuyển động của sóng được đặc trưng bởi dòng năng lượng

- Công suất của sóng đều:

8

2

2

ρ

=

(2.12)Trong đó Cg là vận tốc của nhóm sóng:

h k

h k C

) 2 sin(

2 1

k => sin (2 k.h) ≈ 2 k.h Cho nên:

2 ) 2 sin(

2 1 2

C h k

h k C

h k

h k C

=

) 2 sin(

2 1

2.1.5.1.b Tính toán năng lượng sóng không đều (sóng vỗ gần bờ)

Đặc tính của sóng này là có chiều cao ngọn sóng khá cao nhưng bề rộng ngọn sóng hẹp và có xu hướng vỗ vào bờ, khi đó ta có thêm thông số chiều cao sóng vỗ vào bờ Hb Dựa theo các định lý của Stokes và xem như năng lượng của

sóng đều xuất hiện ở vùng nước trung bình và vùng nước cạn là như nhau ta có các biểu thức tính toán sóng vỗ gần bờ như sau

- Chiều cao sóng vỗ gần bờ được xác định bởi biểu thức:

−

=

h

T g T

g

h

H b

4

3 1 1 3

16

4

2 2

2 2

2 2

.64

91.8

h k

H b

H g

H H

g

91.8

E

6 4

2 2

H b

C H g

.64

91.8

6 4

2 2

H C

H g b

.64

91.8

6 4

2 2

= ρ

(2.20)Nhận xét: Định lý stokes áp dụng cho sóng vỗ bờ được thừa kế từ lý thuyết

sóng đều cộng thêm hệ số hiệu chỉnh 

2

.64

91

h k

Phương pháp này thường được áp dụng vì có thể ứng dụng tính toán cho các dạng sóng và vùng biển bất kỳ

Trong vùng biển bất kỳ thì xuất hiện rất nhiều dạng sóng với nhiều chiều cao, chu kỳ khác nhau và chúng di chuyển theo các hướng khác nhau Vì vậy, với một

sóng thứ i thì: (Công thức tham khảo [2])

- Năng lượng tạo ra được tính bằng biểu thức:

8

2

b gH

i

λρ

=

- Năng lượng sóng tính trên 1 đơn vị bề mặt sóng:

g

V E

4 3

10 74 ,

Khi đó ta có: Frz1= Frx1 nên Fr1= Frz1/2

Hình 2.5 - Năng lượng ở các vùng hình thành sóng

2.1.6.2.Vùng gia tăng chiều cao sóng

Sóng vùng này đang ở giai đoạn sóng phát triển, sóng được gia tăng năng lượng và lực Frz2 được gia tăng nhằm đẩy mực nước lên cao, tăng chiều cao và bước sóng Lực tác động của bề mặt sóng ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng Frz2và lực theo phương ngang Frx2

(Frx2 << Frz2 ) và hợp lực tổng là Fr2, nên Fr2 ≈ Frz2

Ta dễ thấy Frz2 > Frz1 => Fr2 > Fr1

Vì vậy, khi khai thác lực sóng theo phương đứng thường người ta khai thác ở vùng gia tăng chiều cao sóng hơn là vùng sóng gợn Vì chủ yếu là khai thác lực ở bề mặt sóng và theo phương thẳng đứng nên các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng ở khu vùng này phải được thiết kế sao cho nhận được lực Frz2 với hiệu suất cao nhất

2.1.6.3 Vùng sóng vỗ

Khi tiến vào gần bờ sóng được gia tăng lực tác động theo phương ngang nhiều lần nhờ vào tác động của gió biển hoặc từ các nguồn tạo nên sóng Vì được gia tăng

nên lực F x3 lúc này rất lớn tác động vào sườn sau của sóng, đẩy sườn sau di chuyển nhanh và vượt lên phía trước làm chiều cao sóng tăng lên cao nhất rồi đập vào bờ, như vậy lúc này lực Frz3 cũng được gia tăng, mà Fr3 = Frx3 + Frz3

Như vậy ta thấy:

Trên đây ta đã tìm hiểu về các đặc điểm của sóng biển và năng lượng sóng ở những vùng hình thành sóng, sau đây ta sẽ tìm hiểu phương pháp tính toán năng lượng sóng biển truyền cho phao nổi để áp dụng vào việc tính toán các mô hình phao thu năng lượng

2.1.7 Tính toán năng lượng sóng đứng truyền cho phao nổi [2]

Thiết bị được đề cập đến trong phần này là một phao nổi thu nhận năng lượng trên mặt sóng Với một mô hình phao thu năng lượng bất kỳ ta sẽ có được 3 dao động đồng thời là dao động nhấp nhô, dao động con lắc và dao động xoay Phần này

ta chỉ tính toán cho một mô hình phao đơn giản nhất, đó là mô hình phao hình chữ nhật với dao động nhấp nhô như hình (2.6) trong đó dao động con lắc và dao động xoay được giới hạn

Hình 2.6 - Chi tiết mô hình phao chuyển đổi năng lượng sóng

Phao hình 3.2 bao gồm các thông số thiết kế:

- L : chiều dài của phao (đối với phao hình chữ nhật) ,m

- B : bề rộng của phao (đối với phao hình chữ nhật) ,m

- D : đường kính của phao (đối với phao hình trụ tròn) ,m

Mô hình phao được thiết kế như hình 2.5 với bộ định hướng theo phương thẳng đứng, tức là loại bỏ phần dao động lắc Năng lượng chính của thiết bị nhận vào chính là nhấp nhô theo phương thẳng đứng (phương trục OZ)

Theo nghiên cứu của McCormick [PL2] đã đưa ra biểu thức tính toán tần số dao động nhấp nhô tự nhiên của mô hình phao trên theo công thức (2.21); TLTK [2],[3]

w

wp z

z

A g T

1 2

ππ

ω

Trong đó:

Tz : là chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên, s

ωz : tần số góc của dao động nhấp nhô, rad/s

ρ : khối lượng riêng của nước biển, 1030 kg/m3

Awp : diện tích bề mặt tiếp xúc nước của phao, m2

m : khối lượng phần nước biển bị thay thế bởi phần chìm của phao, kg

mw : khối lượng phần nước biển tác động vào phần chìm của phao, kg

Với mô hình phao chìm 1 phần trong nước như hình 2.5 thì ta có bảng tra mw

(hình 2.6) dựa theo hình dạng của phao và chiều cao phần bị chìm trong nước được thiết lập bởi Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932)

Hình 2.6 – Bảng tra m w theo Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932) [4]

Biểu thức tính biên độ nhấp nhô của mô hình phao được McCormick (1973) đưa ra như sau:

) cos(

.

) / 1 (

) cos(

).

/ (

0

2 2 2 0

z z

z wp

t Z

t A

g F z

σγω

ωω

σγωρ

− +

=

−

− +

Z t

d

z d

z

2 0

2 2

2

) cos(

( sin ).

( 2 1

).

( 2 1

2 2 0 2

2

z v

v kz

t Z

m m

dt

dz m m E

σγω

=

(2.25)

- Thế năng:

)

(cos 21

21

2 2 0

2

z wp

wp pz

t Z

A g

z A g E

σγωρ

ρ

−+

m

E E E

wp w

pz kz

ρ

ω + +

nhô Fz ta cần biết được hình dạng của mô hình phao, trong đề tài này giới hạn tập trung vào 2 hình dạng phao chính đó là khối hình chữ nhật và khối hình trụ tròn Như vậy, ta quan tâm đến 2 hình dạng mặt đáy chìm trong nước của phao đó là hình chữ nhật và hình tròn

- Áp dụng biểu thức tính toán của McCormick (1973) ta có biểu thức tính toán lực dao động nhấp nhô của phao hình chữ nhật là:

) cos(

.

sin ).

1 (

2

.

t

L e

B H g

λ

ππ

- Biểu thức tính cho phao hình trụ tròn là:

).cos(

)

1.(

2

.1.4

2

2 2 2

t e

R R

H g

λ

ππ

.

F

Với F0 là biên độ của lực nhấp nhô của phao

Vậy công suất nhận được từ phao cân bằng dao động với sóng tương ứng là:

dt

dz F

P z = z (2.32)

và công suất trung bình nhận được trong 1 chu kỳ sóng được tính như sau:

2

0

Z F P T P

T z z

2.1.8 Phân tích chế độ trường sóng vùng ven bờ biển Việt Nam

Phân tích từ tài liệu “Năng lượng sóng biển khu vực biển Đông và vùng biển Việt Nam”, tôi nhận thấy việc nghiên cứu chế độ trường sóng vùng Biển Đông và ven bờ biển Việt Nam có thể tiến hành theo hai hướng:

- Hướng thứ nhất là tiến hành thống kê chế độ trường sóng theo các số liệu đo đạc ven bờ (tại các trạm khí tượng hải văn) và số liệu đo đạc trường sóng vùng khơi (số liệu Obship) hoặc số liệu đo đạc bằng các phương tiện hiện đại như số liệu trường sóng đo từ vệ tinh

- Hướng thứ hai tiến hành tính toán trường sóng theo trường gió, hoặc theo trường gió phân tích, gió từ vệ tinh

Hai phương pháp tính toán trên đã được trình bày ở (mục 2.1.5), dưới đây là hình 2.8 thể Vị trí các trạm ven bờ có số liệu đo gió, sóng và các vùng thống kê số liệu gió và sóng quan trắc trên tàu biển (Obship) trên vùng khơi Biển Đông Tại các trạm này đã đo được các kết quả về chế độ trường sóng [tham khảo PL3]; đây là số liệu đầu vào để tính năng lượng sóng

Hình 2.8 -Vị trí các trạm ven bờ có số liệu đo gió, sóng và các vùng thống kê số liệu gió

và sóng quan trắc trên tàu biển (Obship) trên vùng khơi Biển Đông