Thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng biển theo nguyên lý pelamis

Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang DANH M C CÁC HỊNH Hình 2.1 Thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis 15 Hình 2.2 Cấu tạo modul biến đổi lượng 16 Hình 2.3 Hệ thống phao tiêu AquaBuOY 16 Hình 2.4 Hệ thống phao tiêu chìm AWS 17 Hình 2.5 Sóng điện đứng châu Ểu 18 Hình 2.6 Bản đồ v khu vực xạ mặt tr i bi n Đông 19 Hình 2.7 Bản đồ v khu vực gió bi n Đơng 19 Hình 2.8 Bản đồ v khu vực sóng bi n bi n Đơng 20 Hình 2.9 Nguyên lý Pelamis sử dụng cylinder 21 Hình 2.10 Nguyên lý Pelamis sử dụng cylinder 21 Hình 3.1 Mặt cắt ngang đập thủy điện 23 Hình 3.2 Tuabin nước máy phát điện 24 Hình 3.3 Quá trình khai thác lượng địa nhiệt 25 Hình 3.4 Khai thác lượng gió 25 Hình 3.5 Tuabin chạy lượng thủy triều 26 Hình 3.6 Khai thác lượng sóng biển 27 Hình 3.7 Máy phát ki u địn bẩy 28 Hình 3.8 Máy phát ki u phao 28 Hình 3.9 Máy phát điện ki u Pittong thủy khí 29 Hình 3.10 Máy phát ki u giàn khoan 29 Hình 3.11 Nguyên lý máy phát điện sử dụng tuabin khí tuabin well 30 Hình 3.12 Hệ thống phát điện sử dụng tuabin Well 30 Hình 3.13 Hệ thống phát điện sử dụng van chi u 30 Hình 3.14 Kiểu máy phát điện tua bin máy phát điện tua bin khí 31 Hình 3.14 Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến 31 Hình 3.15 Máy phát điện kiểu rắn biển 32 Hình 3.16 Máy phát điện kiểu rắn biển 33 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện cánh ngầm 33 Hình 3.18 Mơ hình dạng rắn bi n 35 Hình 3.19 Cấu tạo hệ thống máy phát điện dạng rắn bi n 36 Hình 3.20 Mơ hình tính toán 36 Hình 3.21 Lực đẩy Acsimet 37 Hình 3.22 Đi u kiện vật 38 Hình 3.23 Động lượng dịng chảy 44 Hình 3.24 Mặt cắt ướt 47 Hình 3.25 Chu vi ướt 47 Hình 3.26 Hệ thống dạng cánh turbine thơng dụng 49 Hình 4.1 Mơ hình tính tốn phao 56 Hình 4.2 Mặt cắt ngang ống phao 57 Hình 4.3 Vận tốc dòng lưu chất truy n cho bánh turbine 59 Hình 4.4 Kích thước cánh turbine 60 Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động thiết bị nguyên lý Pelamis 61 Hình 4.6 Nguyên lý hoạt động thiết bị nguyên lý cảm ứng điện từ 62 Hình 4.7 Mơ hình rắn bi n phát điện theo nguyên lý Pelamis 63 Hình 5.1 Đế mơ hình 64 HVTH: Nguyễn Duy Hà -5- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang Hình 5.2 Thanh treo mơ hình 64 Hình 5.3 Mơ đun khơng mang máy phát 65 Hình 5.4 Đầu nối + hệ thống ống 65 Hình 5.5 Đầu nối + van chi u 66 Hình 5.6 Xi lanh đẩy 66 Hình 5.7 Tua bin phát 67 Hình 5.8 Động điện chi u 67 Hình 5.10 Mơ hình tiếp nhận điện từ máy phát 68 Hình 5.11 Đồng hồ VOM 68 Hình 5.12 Mơ hình thực nghiệm 69 HVTH: Nguyễn Duy Hà -6- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang DANH M C B NG BI U Bảng 3-1 Tuabin cánh quay đặt đứng 51 Bảng 3-2 Tuabin cánh quay đặt nằm 51 Bảng 3-3 Tuabin chéo trục quay 51 Bảng 3-4 Tuabin tâm trục 51 Bảng 3-5 Tuabin gáo 51 Bảng 3-6 Phân nhóm tuabin theo tỷ tốc tuabin loại 52 Bảng 3-7 Phạm vi sử dụng tuabin 52 HVTH: Nguyễn Duy Hà -7- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang M CL C CH NG I: GI I THI U 10 1.1 Tính cấp thiết đ tài 10 1.2 Ý nghĩa khoa học thực ti n đ tài 10 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đ tài 11 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 11 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11 1.5 Phương pháp nghiên cứu 11 CH NG II: T NG QUAN 13 2.1 Tổng quan chung v lĩnh vực nghiên cứu 13 2.2 Các kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 14 2.2.1 Các kết nghiên cứu nước 14 2.2.2 Các kết nghiên cứu nước 18 CH NG III: C S Lụ THUY T 23 3.1.Năng lượng truyền thống 23 3.1.1.Năng lượng thủy điện 23 3.1.2.Năng lượng địa nhiệt 24 3.1.3.Tổng quan lượng gió 25 3.1.4.Tổng quan lượng thủy triều 26 3.1.5 Năng lượng sóng biển: 27 3.1.5.1.Máy phát ki u phao – trục – đòn bẩy 27 3.1.5.2.Máy phát ki u phao nổi: 28 3.1.5.3.Máy phát sử dụng sóng bi n ki u pittơng thủy khí: 28 3.1.5.4.Máy phát ki u giàn khoan 29 3.1.5.5.Máy phát điện sử dụng tuabin khí 29 3.1.5.6.Maùy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến 31 3.1.5.7.Máy phát điện ki u rắn bi n 32 3.1.5.8.Máy phát điện ki u cánh ngầm 33 3.2 Kết luận: 34 3.3 Lựa chọn phương án khai thác mô hình tính tốn: 35 3.4 Cơ s tính tốn thiết kế 36 3.4.1 Tính tốn thiết kế phao 36 3.4.1.1 Cơ s lí luận v vật 36 3.4.1.1.2 Phản lực theo phương ngang 37 3.4.1.1.3 Phản lực theo phương đứng 37 3.4.1.2 Đi u kiện vật : 38 3.4.2 Tính tốn xilanh thủy lực 39 3.4.2.1 Khái niệm chung v xilanh thủy lực 39 3.4.2.2 Những đặc tính vật lí chủ yếu chất lỏng 39 3.4.2.3 Các thông số xilanh thủy lực 42 3.4.2.4 Tính tốn thiết kế piston : 44 3.4.2.5 Tính tốn đư ng ống dẫn vịi phun 45 3.4.2.5.1 Phân loại dòng chảy 45 3.4.2.5.2 Dòng chảy khơng u dịng chảy u 45 3.4.2.5.3 Dịng chảy có áp, khơng áp, dịng tia : 46 3.4.2.5.4 Dịng chảy có áp, khơng áp, dòng tia : 46 HVTH: Nguyễn Duy Hà -8- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang 3.4.2.5.5 Tính tốn dịng lưu chất đư ng ống 467 3.4.2.5.6 Tính dịng lưu chất vòi phun 49 3.4.2.6 Cơ s thiết kế tuabin nước : 49 3.4.2.6.1 Giới thiệu tuabin nước : 49 3.4.2.6.2 Giới thiệu số dạng turbine nước thông dụng: 49 3.4.2.6.3 Giới thiệu số dạng turbine nước thông dụng: 49 3.4.2.6.4 Phân loại tuabin phạm vi sử dụng : 52 CH NG IV: TệNH TOÁN VÀ THI T K 55 4.1.Thông số ban đầu 55 4.2.Tính tốn 56 4.2.1 Tính tốn phao 56 4.2.2 Tính áp lực sóng tác động vào phao 57 4.2.3 Tính lưu lượng áp suất xilanh 58 4.2.4 Tính lưu lượng, áp suất đư ng ống vòi phun turbine 59 4.2.5 Tính tốn trục turbin 60 4.3 Nguyên lý hoạt động thiết bị 61 4.3.1 Theo nguyên lý Pelamis 61 4.3.2 Theo nguyên lý cảm ứng điện từ: 61 4.4.Mô hình máy phát điện theo nguyên lý Pelamis 63 4.4.1 Cấu tạo mơ hình 63 4.4.2 Nguyên lý hoạt động mơ hình : 63 CH NG V: THI CỌNG MỌ HỊNH 64 5.1 Đế mơ hình : 64 5.2 Thanh treo mơ hình: 64 5.3 Mô đun không mang thiết bị phát điện 64 5.4 Đầu nối dẫn dầu thủy lưc + hệ thống ống 65 5.5 Van chi u 65 5.6 Xi lanh tạo lực đẩy 66 5.7 Tua bin phát 66 5.8 Các thiết bị phụ trợ khác 67 CH NG VI: K T LU N ậ KI N NGH 70 6.1 Kết thực nghiệm: 70 6.2 Kết luận: 73 6.3 Kiến nghị: 73 TÀI LI U THAM KH O 75 PH L C 76 HVTH: Nguyễn Duy Hà -9- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang CH NG I: GI I THI U 1.1 Tính cấp thi t đ tƠi Sự phát tri n n n cơng nghiệp tồn cầu kéo theo nhu cầu ngày lớn lượng phục vụ cho mà lượng chủ yếu sử dụng lượng điện Trong đó, ti m đ khai thác, sản sinh điện theo phương pháp truy n thống thủy điện, nhiệt điện dần cạn kiệt Riêng Việt Nam phần nguồn lượng lớn khai thác từ thủy điện, nhiên theo báo cáo khoa học gần cho thấy, ti m khơng cịn vài mươi năm Bên cạnh đó, năm gần tốn v mơi trư ng tồn cầu đưa vào tất ngành công nghiệp, phải hạn chế đến mức thấp yếu tố có ảnh hư ng xấu tới mơi trư ng Trong nhà máy ki u nhiệt điện truy n thống không th tránh việc thải môi trư ng lượng lớn chất ảnh hư ng tới môi trư ng oxit cacbon, oxit nitơ, oxit lưu huỳnh, q trình vận hành Trái đất có 70% nước phần lớn bi n Do khai thác lượng từ bi n có ti m lớn, đánh giá nguồn lượng vơ tận, có khả cung cấp lượng cho toàn giới nguồn lượng chủ yếu tương lai Mọi nguồn lượng hình thành từ bi n đ u từ tự nhiên có lượng lớn Việc tận dụng thủy tri u sóng bi n thực bước ngoặc sản xuất lượng điện Đây nguồn lượng gây ô nhi m môi trư ng Hệ thống phát điện lượng sóng bi n hướng nghiên cứu Đặc biệt hệ thống phát điện theo nguyên lý Pelamis thực phát điện gián tiếp tập trung nghiên cứu nhi u có ưu m hệ thống phát điện trực tiếp kết cấu đơn giản d chế tạo, chi phí chế tạo thấp, hiệu suất thiết bị cao, bảo dưỡng đơn giản… 1.2 ụ nghĩa khoa h c vƠ thực ti n đ tƠi Việt Nam q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước nhu cầu tiêu thụ lượng lớn Với hàng ngàn ki lô mét b bi n, vùng bi n rộng lớn Việt Nam có nhi u ti m v lượng bi n Đồng th i việc khai thác lượng từ bi n hướng cho tốn nhi m mơi trư ng Việt Nam Với u kiện thực tế đó, hướng dẫn PGS.TS Lê Hiếu Giang tác giả lựa chọn đ tài tốt nghiệp là: ắThi t k vƠ ch t o mô hình máy phát n l ng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis” HVTH: Nguyễn Duy Hà -10- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang Nhằm tạo thiết bị phục vụ việc nghiên cứu phát tri n hệ thống máy phát điện lượng sóng bi n, với mục tiêu giảm tải cho điện lưới quốc gia tiến đến việc sử dụng lượng sóng bi n nguồn lượng chủ yếu Đ tài “Thiết kế chế tạo mơ hình máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis” đáp ứng nhu cầu nghiên cứu phát tri n thành sản phẩm thực tế đưa vào phục vụ đ i sống cung cấp nguồn điện dồi cho khu vực dân cư ven bi n hải đảo 1.3 M c tiêu nghiên c u đ tƠi Mục tiêu nhiệm vụ đ tài là: Dựa s lý thuyết tính tốn thơng số kỹ thuật cho máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis bên cạnh chế tạo “mơ hình máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis” dùng đ trang bị cho việc khảo sát chế tạo máy phát điện lượng sóng bi n 1.4 Đ i t 1.4.1 Đ i t ng vƠ ph m vi nghiên c u ng nghiên c u Đối tượng nghiên cứu đ tài : Mơ hình máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis 1.4.2 Ph m vi nghiên c u Đ tài nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis với quy mơ áp dụng cho phịng thí nghiệm khảo sát v lượng 1.5 Ph ng pháp nghiên c u - Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phân tích tổng hợp - Tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình - Phương pháp lấy số liệu khảo sát 1.6 K t cấu lu n văn Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm ch ơng: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Cơ s lý thuyết Chương 4: Tính tốn thiết kế Chương 5: Thi cơng mơ hình HVTH: Nguyễn Duy Hà -11- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang Chương 6: Kết luận – Kiến nghị HVTH: Nguyễn Duy Hà -12- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang CH NG II: T NG QUAN 2.1 T ng quan chung v lĩnh vực nghiên c u Trong th i gian vừa qua ngành điện nước ta phát tri n nhanh, không đáp ứng đủ điện cho n n kinh tế tăng trư ng nhanh nhu cầu tiêu dùng nhân dân Ngành điện phải nhập thêm điện Trung Quốc mà thiếu điện nghiêm trọng, ảnh hư ng lớn đến sản xuất đ i sống nhân dân Nguồn điện ta đa dạng: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu, thủy điện, điện chạy lượng gió, điện chạy lượng mặt tr i, Trong th i gian tới ta phải xây dựng nhà máy điện chạy lượng hạt nhân Than đá ta nhi u, th i gian tới không đủ, phải nhập với giá cao đ chạy nhà máy phát điện chạy than phía nam Khí đốt ta có hạn, có th đáp ứng phần nhu cầu phát điện đất nước Phát điện chạy dầu giá thành cao ta khơng đủ dầu, phải nhập thêm xăng, dầu từ nước ngồi V thủy điện, nơi có khả xây dựng nhà máy thủy điện lớn vừa, ta xây dựng gần hết quỹ đất có th Điện hạt nhân có khoảng chục địa m có th xây dựng nhà máy Động đất sóng thần Nhật Bản làm cho giới phải cảnh giác với điện hạt nhân Điện chạy lượng gió điện chạy lượng mặt tr i nước ta chiếm tỷ trọng nhỏ giá thành cao nhi u so với thủy điện nhiệt điện chạy than, chạy khí Trong Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21 tháng năm 2011 v việc Phê duyệt Quy hoạch phát tri n điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm: “+ u tiên phát triển nguồn điện từ l ợng tái tạo (điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối, ), phát triển nhanh, b ớc gia tăng tỷ trọng điện sản xuất từ nguồn l ợng tái tạo : Đ a tổng cơng suất nguồn điện gió từ mức không đáng kể lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030; điện sản xuất từ nguồn điện gió chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.Phát triển điện sinh khối, đồng phát điện nhà máy đ ờng, đến năm 2020, nguồn điện có tổng công suất khoảng 500 MW, nâng lên 2.000 MW vào năm 2030; tỷ trọng điện sản xuất tăng từ 0,6% năm 2020 lên 1,1% năm 2030.” HVTH: Nguyễn Duy Hà -13- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Lê Hiếu Giang Theo tính tốn Bộ Cơng Thương th i m năm 2009 làm t trình Chính phủ nghị định khuyến khích phát tri n lượng tái tạo, bình qn giá điện gió Việt nam vào khoảng 12,5UScent/kWh, giá điện bình quân th i m khoảng 5,3UScent/kWh Nếu tính lần u chỉnh giá điện gần (1.8.2013) giá điện bình quân 1.508đ/kWh (tương đương 7,56UScent) Than đá, dầu mỏ, khí đốt, ngày cạn kiệt dần nên việc nghiên cứu xây dựng nhà máy phát điện chạy lượng tái tạo nhi u nước giới ngày đẩy mạnh Việc sử dụng lượng sóng bi n đ chạy máy phát điện nhi u nhà khoa học số nước giới nghiên cứu từ lâu công nghệ đại Trong tin th i ta thư ng nghe nước tích cực đẩy nhanh tỷ lệ phát điện lượng tái tạo lên cao Nhưng tiếc lượng tái tạo đ cập đến lượng mặt tr i lượng gió Qua ta thấy điện gió cịn đắt so với điện chạy loại lượng có, nước ta nước giới tích cực phát tri n Vấn đ đặt điện chạy lượng sóng bi n chưa đưa vào? Phải việc nghiên cứu sử dụng lượng sóng bi n đ chạy máy phát điện nhà khoa học giới nhi u vấn đ giá thành phát điện cao so với dạng lượng khác?[15] 2.2 Các k t qu nghiên c u vƠ ngoƠi n 2.2.1 Các k t qu nghiên c u ngoƠi n c đƣ công b c Các sáng chế đ tận dụng lượng từ sóng bi n có từ năm 1799 tập hợp Paris b i Girard trai ơng Từ 1855-1973 có 340 sáng chế có mặt Vương quốc Anh Một ứng dụng ban đầu sóng điện thiết bị xây dựng vào khoảng năm 1910 b i Bochaux-Praceique cho đèn điện phục vụ cho nhà ông Royan, gần Bordeaux, Pháp Nó chứng tỏ lần loại thiết bị lượng sóng bi n sử dụng Khoa học đại theo đuổi lượng sóng bi n tiên phong thí nghiệm Yoshio Masuda thập niên 1940 Ông thử nghiệm khái niệm khác thiết bị lượng sóng bi n, với hàng trăm thí nghiệm sử dụng đ chuy n hướng đèn điện Trong số có khái niệm chiết điện từ chuy n động góc khớp mảng khớp nối, đ xuất b i Masuda năm 1950 HVTH: Nguyễn Duy Hà -14- ... tài là: Dựa s lý thuyết tính tốn thơng số kỹ thuật cho máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis bên cạnh chế tạo “mơ hình máy phát điện lượng sóng bi n theo nguyên lý Pelamis? ?? dùng... 4.3 Nguyên lý hoạt động thiết bị 61 4.3.1 Theo nguyên lý Pelamis 61 4.3.2 Theo nguyên lý cảm ứng điện từ: 61 4.4 .Mô hình máy phát điện theo nguyên lý Pelamis ... máy phát điện lượng sóng bi n, với mục tiêu giảm tải cho điện lưới quốc gia tiến đến việc sử dụng lượng sóng bi n nguồn lượng chủ yếu Đ tài ? ?Thiết kế chế tạo mơ hình máy phát điện lượng sóng