Nghiên cứu hệ thống phát điện dùng năng lượng sóng biển

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHLUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HOÀNG CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Tp... v TÓM TẮT CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỐI NĂN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2015

S K C0 0 4 6 3 8

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TP Hồ Chí Minh, tháng 09/2015

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG

NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: PHẠM HOÀNG CHƯƠNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1987 Nơi sinh: Bình Định

Quê quán: Hoài Sơn, Hoài Nhơn, Bình Định Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Dĩ An, Bình Dương

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0985252344

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/… đến ……/…… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 7/2011

Nơi học: Trường ĐH Kỹ thuật công nghệ tp HCM

Ngành học: Kỹ Thuật Điện

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho xưởng dệt Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2011- Trường ĐH Kỹ thuật công nghệ tp HCM

Người hướng dẫn: ThS Phan Thị Thu Vân

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống phát điện dùng năng lượng

sóng biển” là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015

Học viên thực hiện

Phạm Hoàng Chương

LỜI CẢM TẠ

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Thanh Phương đã tận

tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã giảng

dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi trong thời gian học tập tại đây

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân và các bạn bè đồng nghiệp đã động

viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn luận văn sẽ vẫn còn nhiều thiếu sót và

hạn chế nhất định Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của quý thầy

cô và bạn bè ,đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015

Học viên thực hiện

Phạm Hoàng Chương

v

TÓM TẮT

CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỐI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

PLAMIS

Tóm tắt – Công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển là công nghệ đã được hình thành

từ thập niên 70, tuy nhiên hiện giờ nó vẫn chưa được xem hoàn toàn như là một nguồn năng lượng công nghiệp.Luận văn này là nghiên cứu về các lý thuyết khác nhau về công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển với đầy đủ về các kiểu và chủng loại

Thiết bị chuyển đồi năng lượng sóng biển được phân loại như sau:

+ Thiết bị chuyển đổi năng lượng thông qua dao động cột nước

+ Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biến ngập hoàn toàn trong nước

+Thiết bị chuyển đổi năng lượng bằng dao động thân máy

Bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một khái niệm có tính chất đổi mới đối với việc khai thác năng lượng từ sóng biển và chuyển đổi nó thành một sản phẩm hữu ích như điện, áp suất thủy lực trực tiếp hoặc nước uống được Hệ thống có một phần chìm ngập trong nước biển, thiết bị này có dạng hình trụ gồm nhiều đoạn ống nối với nhau bởi các khớp nối Pittong thủy lực lấy lực đẩy từ các đoạn ống chính sẽ bơm chất lỏng áp suất cao vào các bình chứa sau đó nước được đẩy qua làm quay tubin máy phát điện tạo

ra điện Năng lượng từ tất cả các khớp được đưa vào một đường cáp rốn đơn đến một điểm nút trên đáy biển . Các thiết bị được kết nối với nhau và liên kết với bờ thông qua một cáp duy nhất dưới đáy biển.

Pelamis được thiết kế để neo đậu trong mực nước sâu khoảng 50 – 70m ( cách bờ

neo đậu sao cho có thể đu đưa đề nhận những con sóng đến và bắt đầu quá trình chuyển hóa cúa nó tới từ những đỉnh sóng liên tiếp kéo dài miên man sau đó

Tứ khóa – Pelamis, công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển, năng lượng tái tạo

PELAMIS WAVE ENERGY CONVERTER

Abstract – Wave Power is a technology that was founded in the 70’s, but which still not

has reached full industrial recognition as a energy source In this thesis there is a

literature study on different concepts of Wave Energy Converters(WEC) which has been build in full scale, and there is a great variety in the concepts

Wave energy converter devices can be classified in numerous ways:

+ Oscillating water column devices

+ Overtopping devices

+ Oscillating bodies, or wave activated devices

The Pelamis Wave Energy Converter is an innovative new concept for extracting energy from ocean waves and converting it into a useful product such as electricity, direct hydraulic pressure or potable water The system is a semi-submerged, articulated structure composed of cylindrical sections linked by hinged joints The wave-induced motion of these joints is resisted by hydraulic rams that pump high-pressure oil through hydraulic motors via smoothing accumulators The hydraulic motors drive electrical generators to produce electricity Power from all the joints is fed down a single umbilical cable to a junction on the sea bed Several devices can be connected together and linked

to shore through a single seabed cable .

The Pelamis is designed to be moored in waters approximately 50-70m (typically 10km from shore) where the high energy levels found in deep swell waves can be accessed The complete machine is flexibly moored so as to swing head-on to the incoming waves and derives its 'reference' from spanning successive wave crests

5-Keywords – Pelamis, Wave Energy Converter, Renewable Energy

vii

MỤC LỤC

TRANG

Trang tựa i

Lý lịch cá nhân ii

Lời cam đoan iii

Lời cảm tạ iv

Tóm tắt v

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết tắt .xi

Danh sách các bảng .xi

Danh sách các hình xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 3

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 3

1.1.1 Một số dự án nhà máy điện sóng biển ngoài nước 5

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 8

1.2 Mục đích của đề tài 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Lý thuyết cơ bản về trường sóng vùng biển sâu và ven bờ 10

2.1.1 Dạng sóng biển 10

2.1.2 Phân loại sóng biển 11

2.1.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân, hiện tượng 12

2.1.2.2 Phân loại sóng theo độ cao 12

2.1.2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh 12

2.1.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu -số Ursel (Ur) 13

2.2 Các lý thuyết mô phỏng mặt biển có sóng: 13

2.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính 13

2.2.2 Lý thuyết sóng có biên độ hữu hạn 15

2.2.2.1 Lý thuyết sóng ngắn 15

2.2.2.2 Lý thuyết sóng dài 16

2.2.3 Lý thuyết sóng solitary 17

2.2.4 Lý thuyết sóng cnoidal 20

2.3 Năng lượng sóng: 22

2.3.1 Cơ sở lý thuyết về năng lượng sóng, mật độ năng lượng sóng 22

2.3.2 Thông lượng năng lượng sóng 23

Chương 3 PHÂN TÍCH CÁC CÔNG NGHỆ TRÊN THẾ GIỚI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 26

3.1 Các vấn đề cần giải quyết 26

3.2 Nguyên lý chuyển đồi năng lượng sóng biển thành điện năng hiện hữu và các nhà máy điện đã được xây dựng trên thế giới 26

3.2.1 Các công nghệ chuyển đồi năng lượng sóng trên thế giới 26

3.2.1.1 Nguyên lý sử dụng dao động của sóng biển để tạo ra dao động của hệ phao nổi 26

3.2.1.2 Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng 27

3.2.1.3 Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động thuỷ lực để biến đổi điện năng bằng cách tạo áp suất không khí 28

ix

3.2.1.4 Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động lắc có sông suất lớn biến đổi năng

lượng sóng sang cơ - điện năng 30

3.2.1.5 Nguyên lý tạo điện năng từ sóng với công suất nhỏ qua tua bin thủy lực 31

3.2.1.6 Nguyên lý tạo điện năng bằng guồng quay 31

3.2.1.7 Phương pháp tích tụ năng lượng sóng biển để chuyển sang điện năng với công suất lớn 32

3.2.2 Các kiểu nhà máy điện đã được xây dựng trên thực tế 33

3.2.2.1 Nhà máy điện Pelamis 33

3.2.2.2 Thiết bị chuyển đổi năng lượng CETO 38

3.2.2.3 Nhà máy điện Oyster 42

3.2.2.4 Nhà máy điện SDE 45

3.2.2.5 Nhà máy điện OWC 48

3.3 Đánh giá tiềm năng năng lượng sóng biển tại Việt Nam 52

3.3.1 Đánh giá thực tế từ các nghiên cứu 59

3.3.2 Chọn lựa công nghệ ứng dụng tại Việt Nam 60

3.3.3 Thiết kế hệ thống phát điện dùng công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển Pelamis 61

3.3.3.1 Chọn lựa thông số thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Pelamis 61

3.3.3.2 Phương án thi công hệ thống 62

Chương 4 SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN 67

4.1 Tổng quan về MATLAB 67

4.1.1 Khái niệm về MATLAB 67

4.1.2 Cấu trúc dữ liệu của MATLAB và các ứng dụng 67

4.1.2.1 Dữ liệu 68

4.1.2.2 Ứng dụng 68

4.1.2.3 Thanh công cụ Toolbox 68

4.1.3 Hệ thống Matlab 69

4.2 Mô hình hóa, mô phỏng hệ thống động sử dụng Simulink 70

4.2.1 Khái niệm về Simulink 70

4.2.2 Phương pháp xây dựng mô hình 70

4.2.3 Giới thiệu một số khối chức năng được sử dụng trong mô phỏng 72

4.2.3.1 Khối Busbar 73

4.2.3.2 Khối Three-phase Progammable Voltage Source 73

4.2.3.3 Khối Synchronous Machine pu standard 73

4.2.3.4 Khối HTG 76

4.2.3.5 Khối Excitation System 77

4.3 Mô phỏng mô hình hệ thống nghiên cứu trên Matlab 77

4.3.1 Sơ đồ đơn tuyến mô hình nghiên cứu 77

4.3.2 Mô hình mô phỏng trên matlab 78

4.3.2.1 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 79

4.3.2.2 Bộ nghịch lưu 3 pha 80

4.3.2.3 Bộ điều khiển hòa lưới 88

4.3.2.4 Bô điều chế độ rộng xung PWM 89

4.3.3 Kết quả mô phỏng 90

Chương 5 KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Dự án Enersis 6

Hình 1.2: Nhà máy điện Oyster 7

Hình 2.1: Các yếu tố sóng đối với dạng sóng tiến hình sin 11

Hình 2.2: So sánh sóng Stokes bậc một (tuyến tính) và sóng Stokes bậc 2 16

(sóng ngắn) 16

Hình 2.3: Các hằng số M, N trong công thức tính tốc độ hạt nước 19

trong chuyển động sóng solitary 19

Hình 2.4: Vùng áp dụng các loại lý thuyết sóng 21

Hình 2.5: Dạng các sóng Airy, Stokes, cnoidal và solitary 22

Hình 2.6: Sơ đồ phân bố năng lượng sóng 23

Hình 3.1: Nguyên lý sử dụng dao động của phao để tạo ra điện năng 26

Hình 3.2: Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng 28

Hình 3.3: Sử dụng dao động thủy lực để biến đổi năng lượng sóng sang điện năng 29

Hình 3.4: Phương pháp lắc có công suất lớn để tạo điện năng từ năng lượng sóng 30

Hình 3.5: Máy phát điện bằng tuốc bin thuỷ lực 32

Hình 3.6: Phương pháp tạo điện năng từ sóng biển bằng guồng quay 32

Hình 3.7: Nguyên lý làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA 33

Hình 3.8: Phương thức đặt thiết bị Pelamis 34

Hình 3.9: Hệ thống động lực 35

Hình 3.10: Thời gian ý tưởng Pelamis được ứng dụng vào thực tế 37

Hình 3.11: Hình ảnh thực tế một Pelamis 37

Hình 3.12: Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng biển CETO 39

Hình 3.13: Mô hình đồ họa 3 chiều của một CETO đơn giản 40

Hình 3.14: Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Oyster 43

Hình 3.15: Nhà máy điện SDE 46

Hình 3.16: Vị trí lắp đặt nhà máy điện OWC 49

Hình 3.17: Cách bố trí của một nhà máy điện OWC đơn giản 49

Hình 3.18: Nhà máy điện PICO 51

Hình 3.19: Nhà máy điện LIMPET 52

Hình 3.20: Năng lượng sóng trung bình mùa gió đông bắc 53

Hình 3.21: Năng lượng sóng trung bình mùa gió tây nam 54

Hình 3.22: Năng lượng sóng trung bình năm 55

Hình 3.23: Hệ thống neo đậu cho Pelamis 64

Hình 3.24: Sơ đồ kết nối điện cho một Pelamis 65

Hình 4.1: Mô hình phân tích sóng Sin 71

Hình 4.2: Cửa sổ tạo các khối từ thư viện 71

Hình 4.3: Cách tiến hành chạy mô phỏng 72

Hình 4.4: Kết quả hiển thị tín hiệu hình Sin 72

Hình 4.5: Khối Busbar 73

Hình 4.6: Khối Three-phase Programmable Voltage Source 73

Hình 4.7: Khối Synchronous Machine pu stardand 74

Hình 4.8: Khối HTG 76

Hình 4.9: Khối Excitation System 77

Hình 4.10: Sơ đồ kết lưới của mô hình nghiên cứu 78

Hình 4.11: Mô hình hệ thống được xây dựng trên Matlab 78

xiv

Hình 4.12: Mô hình bộ hòa lưới 79

Hình 4.13: Mô hình bộ chỉnh lưu 79

Hình 4.14: Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn 80

Hình 4.15: Các vector điện áp chuẩn và các sector 81

Hình 4.16: Vector Vref nằm trong sector 1 83

Hình 4.17: Vector không gian Vs-ref 85

Hình 4.18: Giản đồ đóng ngắt của các khóa 88

Hình 4.19: Mô hình bộ điều khiển hòa lưới 88

Hình 4.20: Chuyển đổi hệ tọa độ quay abc sang hệ vuông góc α,β 89

Hình 4.21: Mô hình bộ điều chế độ rộng xung PWM 90

Hình 4.22: Dòng stator từ thời điểm: t = 0s đến t = 4s 91

Hình 4.23: Quá trình quá độ từ thời điểm: t = 0s đến t = 0,2s 91

Hình 4.24: Công suất thực đầu ra của máy phát 92

Hình 4.25: Điện áp đầu ra của bộ hòa lưới 92

Hình 4.26: Dòng điện đầu ra của bộ hòa lưới 92

- 1 -

MỞ ĐẦU

Chúng ta biết rằng, kinh tế Việt Nam trong những năm qua đã có những chuyển biến rất mạnh mẽ, nhiều khu công nghiệp mới hình thành Bên cạnh đó chúng ta cũng đang gặp rất nhiều khó khăn về môi trường, đặt biệt Việt Nam là một trong những nước chịu tác động trực tiếp của sự biến đổi khí hậu, sự ấm lên của bầu khí quyển và

sự gia tăng của mực nước biển Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch- bền vững không chỉ nhằm bảo vệ môi trường mà còn góp phần đối phó với biến đổi khí hậu, tạo

sự phát triển cho đất nước là một vấn đề mang tính “thời sự” đã và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

Trong thời gian vừa qua ngành điện ở nước ta phát triển rất nhanh, nhưng vẫn không đáp ứng đủ điện cho nền kinh tế đang tăng trưởng nhanh và nhu cầu tiêu dùng của nhân dân Ngành điện đã phải nhập khẩu thêm điện của Trung Quốc mà vẫn còn thiếu điện nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống của nhân dân Nguồn điện của ta rất đa dạng: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu, thủy điện, phong điện, điện chạy bằng năng lượng mặt trời

Than đá, dầu mỏ, khí đốt, ngày càng cạn kiệt dần nên việc nghiên cứu và xây dựng các nhà máy phát điện chạy bằng năng lượng tái tạo ở nhiều nước trên thế giới ngày càng được đẩy mạnh Việc sử dụng năng lượng sóng biển để chạy máy phát điện

đã được nhiều nhà khoa học ở một số nước trên thế giới nghiên cứu từ lâu bằng những công nghệ rất hiện đại Trong các bản tin thời sự ta thường được nghe các nước đang tích cực đẩy nhanh tỷ lệ phát điện bằng năng lượng tái tạo lên cao Nhưng rất tiếc rằng năng lượng tái tạo ở đây mới chỉ thấy nói đến nhiều là năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Nước ta nối tiếng là một đất nước có bờ biển dài, trải dọc theo toàn bộ chiều dài đất nước Với điều kiện được thiên nhiên ưu đãi như vậy, tại sao chúng ta không khai thác