Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng điện ứng dựng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHÙNG VĂN NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG - ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG SÓNG TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHÙNG VĂN NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG - ĐIỆN ỨNG DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG SÓNG TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN THẾ MỊCH PGS.TS ĐẶNG THẾ BA Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu hoàn thành luận án “Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam” trường Đại học Bách khoa Hà nội tác giả nhận nhiều giúp đỡ từ tổ chức cá nhân: Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể nhà khoa học là: GS TS Nguyễn Thế Mịch PGS.TS Đặng Thế Ba tận tình hướng dẫn bảo vạch định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô Bộ môn Máy tự động thủy khí, Viện khí động lực, trường đại học Bách khoa Hà Nội Tập thể giảng viên Bộ môn Cơ kỹ thuật – Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN; Hội học Thủy khí; Hội máy thủy khí tạp chí khoa học động viên giúp đỡ hỗ trợ tinh thần vật chất thời gian tác giả thực luận án Tác giả xin cảm ơn đến anh em đồng nghiệp nói chung anh em đồng nghiệp Viện khoa học Thủy lợi Miền Trung Tây Nguyên động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình nghiên cứu công tác Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình động viên, tạo điều kiện khuyến khích cho tác giả vượt qua khó khăn để hồn thành luận án tiến sĩ Nghiên cứu sinh Phùng Văn Ngọc i LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam” Tôi xin cam đoan đề tài luận án tơi hồn tồn tơi thực hướng dẫn tận tình tập thể nhà khoa học gồm GS.TS Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS Đặng Thế Ba Những kết nghiên cứu luận án số liệu đo đạc thí nghiệm Phịng thí nghiệm trường trường Đại học Cơng Nghệ ĐHQGHN hồn tồn trung thực chưa có công bố Hà nội, ngày 22 tháng 08 năm 2019 Thay mặt tập thể hƣớng dẫn khoa học Ngƣời cam đoan GS TS Nguyễn Thế Mịch Phùng Văn Ngọc ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nguồn lƣợng từ biển 1.2 Năng lƣợng sóng biển 1.2.1 Các đặc trưng sóng biển 1.2.2 Năng lượng vùng hình thành sóng 1.2.3 Đặc trưng lượng sóng biển 11 1.3 Tiềm năng lƣợng sóng biển Việt Nam 15 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng biển 21 1.4.1 Sơ lược số nguyên lý thiết bị chuyển đổi lượng sóng 21 1.4.2 Tổng quan thiết bị chuyển đổi lượng sóng Thế giới 25 1.4.3 Các thiết bị chuyển đổi lượng sóng xa bờ 28 1.4.4 Các thiết bị chuyển đổi lượng sóng gần bờ 34 1.5 Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lƣợng nƣớc 37 1.6 Kết luận chƣơng 39 Chƣơng CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 41 2.1 Cơ sở tính tốn dịng lƣợng sóng biển 41 2.2 Các đặc trƣng vùng nghiên cứu phát triển thiết bị 41 2.3 Cơ sở tính tốn tƣơng tác sóng biển với cơng trình 43 2.2.1 Các giả thuyết sóng cơng trình 44 iii 2.3.2 Xác định tải trọng sóng tác dụng lên cơng trình 45 2.4 Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng biển 46 2.4.1 Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi lượng sóng phù hợp mục tiêu để nghiên cứu phát triển 47 2.4.2 Lựa chọn dạng phao tiếp nhận cho thiết bị 49 2.5 Phƣơng pháp tính tốn mơ hình phao dạng hộp chữ nhật 51 2.6 Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị sử dụng dạng phao trụ chóp nón 54 2.6.1 Nguyên lý chuyển đổi lượng sóng phao dạng chóp nón 54 2.6.2 Mơ hình cấu máy phát 56 2.6.3 Ngun lý hoạt động mơ hình 57 2.7 Kết luận chƣơng 57 Chƣơng NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 58 3.1 Xây dựng mơ hình tính tốn thiết bị 58 3.1.1 Các phương trình học thiết bị 58 3.1.2 Phương trình chuyển động phao 1: 59 3.1.3 Phương trình chuyển động phao 60 3.2 Phƣơng trình cho hệ thống máy phát 63 3.2.1 Mơ hình điện từ trường máy phát 63 3.2.2 Áp dụng cấu hình máy phát nam châm chuyển động thẳng 64 3.3 Phƣơng trình lực điện từ máy phát 68 3.4 Tính tốn mơ hoạt động hệ thống chuyển đổi lƣợng sóng sang điện 69 3.4.1 Giới thiệu phầm mềm mô 69 3.4.2 Tính phân bố từ trường nam châm vĩnh cửu FlexPDE 70 3.4.3 Tính tốn mô hoạt động máy phát Matlab 77 3.5 Kết luận chƣơng 81 Chƣơng THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 83 4.1 Tính tốn khảo sát đặc tính, tính tốn thiết kế cho thiết bị có P= 50W 83 4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi lƣợng sóng thử nghiệm 87 4.2.1 Thiết kế, chế tạo máy phát điện 87 4.2.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống phao thu nhận lượng 89 iv 4.2.3 Thử nghiệm, hoàn thiện thiết bị 91 4.3 Đề xuất mơ hình chuyển đổi lƣợng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy mô thực tế 101 4.4 Khảo sát số đặc tính 104 4.5 Kết luận chƣơng 110 a) Kết luận chung 111 b) Khuyến nghị 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Awp: Phần diện tích tiếp xúc với nước biển với Awp = BL ( B chiều rộng L chiều dài phao) B: Bề rộng phao (m) BT: Cảm ứng từ (T) Dc: Điện cảm D : Đường kính phao thứ cấp (m) D1: Đường kính phao sơ cấp (m) E : Năng lượng sóng tổng ( lb.ft N.m ) Ekz : Động toàn phần dao động phao (KJ) Epz : Thế toàn phần dao động phao (KJ) ET: Cường độ điện trường (V/m) HT: Cường độ từ trường (A/m) Hs : Chiều cao sóng (m) g: gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s ) m: khối lượng kèm nước chuyển động theo m = ρdAwp Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại phao (m) F0: Biên độ lực dao động (N) ω: Tần số góc (rad/s) J: Mật độ dòng điện (A/m ) ρc : mật độ điện tích (C/m3) M : độ từ hóa (A/m) n : Số vòng dây T : Chu kỳ (s) f : Tần số (Hz) c : Vận tốc lan truyền (m/s) ρ : Khối lượng riêng (kg/m ) Plt : Công suất lý thuyết thiết bị (kW) Ptt : Công suất thực tế thiết bị (kW) V : Vận tốc truyền sóng (m/s) P : Cơng suất sóng ( ft.lb/sec W, kW) f : Tần số ( 1/T ) ( Hz ) c : Vận tốc sóng ( ft/s m/s) h : Độ sâu mực nước biển ( ft m ) vi Phụ lục 2: Phụ lục công suất phát điện khả phát điện theo tháng Các phương án sử dụng phao khác Đơn vị tính Phao cao 13m Công suất phát điện MW Khả Triệu phát điện KWh 438,6 326,3 2, Phao cao 3,5m Mức giảm công suất % 15,0 Công suất MW phát điện Khả Triệu phát điện KWh 372,4 277,3 Phao cao 3,5m Mức giảm công suất Công suất phát điện % 21,1 MW 316,7 Khả Triệu phát điện KWh PL-16 235,6 Phụ lục 2: Sơ đồ mật độ lượng vùng biển khu vực tỉnh Khánh Hòa PL-17 Phụ lục 3: Sơ đồ mật độ lượng vùng biển khu vực tỉnh Bình Thuận PL-18 Phụ lục 4: Sơ đồ mật độ lượng vùng biển khu vực tỉnh Ninh Thuận PL-19 Phụ lục 5: Chương trình tính tốn thông số thiết bị phần mềm Mathlab % Giai he phuong trinh vi phan mo ta hoat dong cua thiet bi phao % PHUNG VAN NGOC, DANG THE BA AND TA QUANG HUNG - UET %% clear all clc global omega global mb1 Feb Rb Rb2 Sb global md1 Fed Rd Rd2 Rdb Sd global Rngoai Rtrong L nturn lpm dpm phih ncoil nslice lamda %% two_bouy_lpm_dat ; % cac dieu kien ban dau zb0=0; ub0=0; zd0=0; ud0=0; i0=0; n=0; % Thoi gian mo phong tmax=scks*tm; dt=0.01; % Dac trung cua song bien omega=2*pi/tm; % tinh tan so goc omega k=omega*omega/g ; % So song buocsong=2*pi/k; % buoc song % phuong trinh dao dong song bien % figure(1) PL-20 % hold on % t=[0:dt:tmax]; % y=ksia*cos(omega.*t+pi); van toc dich chuyen cua song % % v=-omega*ksia*sin(omega*t+pi); % plot(t,y,'-r') % plot(t,v,'g') % title('ptrinh dao dong va van toc dich chuyen song bien' ) % grid on Lap tim dai long toi uu % ltubeii=[]; Ptbii=[]; Ayb=[]; Febii=[]; Rbii=[]; mb1ii=[]; Ptbkk=[]; ii=0; ltube0=ltube; mtube0=mtube; lb0=lb; mb0=mb; kk=0; for Rngoai=50:2:50 kk=kk+1; for ltubei=9:0.5:12.5 ii=ii+1 ltube=ltubei; ltubeii(ii)=ltube; PL-21 % Tinh he so cho phuong trinh phao % He so luc day Archimedes Swb = pi*rb*rb ; %tiet dien phao Sb=row*g*Swb; % So hang luc quan tinh phao % Khoi luong kem cua phao mb33=2/3*pi*rb*rb*rb*muyb33*row; % Khoi luong cua long mtube= pi*ltube*dtube*(2*rtube+dtube)*rotube; dmtube=mtube-mtube0; % Khoi luong tang them c long % Khoi luong nuoc kem theo long mtube33=pi*ltube*dtube*(2*rtube+dtube)*row ; % khoi luong kem long % mtube33 = 0; % Tong khoi luong quan tinh cua phao va long mb1= mb+mtube+mb33+mtube33; % Cac he so luc can len phao % Luc can kem dlb=dmtube/(pi*rb*rb*row); %Do chim them tang khoi luong long Rb33 = exp(-2*k*(lb+dlb))*omega*row * 2/3 *pi*rb*rb*rb*eb33; % - luc can nuoc len thiet dien phao Rbv = 0.5*row*cvb*pi*rb*rb ; % - Luc can nuoc len thiet dien long (Tube) Rtv = 0.5*row*cvb*pi*dtube*(2*rtube+dtube); % Rbt = ; rrfm = cfm; %he_so_luc_ma_sat_co_khi ??? Rbs = 1200; % he so ma sat khac cua nuoc len phao % ???? PL-22 Rb = Rb33+Rbs; %tong luc can tuyen tinh len phao Rb2=Rbv+Rtv; % tong can phi tuyen len phao % - Luc tac dong cua song len phao Feb=exp(-k*(lb+dlb))*kb33*row*g*Swb*ksia; % PHAO 2-d % So hang dan hoi - luc Archimet % -So hang quan tinh-tong KL phao 2= Khoi luong tinh + kem cua ong noi + kem cua may phat muyd33 = muyb33; md33=pi*rphao2*rphao2*lphao2*muyd33*row; %khoi kem cua doan ong noi may phat md33t=pi*rtube*rtube*ltube*row; %khoi luong kem cua nuoc tube md1=md+md33+md33t; %tong khoi luong c/d cua dia % So hang can - tong he so luc can len phao ed33 = eb33 ; Rd33 = exp(-2*k*lphao2)*omega*row*pi*rphao2*rphao2*lphao2*ed33; %he so luc can kem cvd = cvb ; Rdv = 0.5*row*cvd*pi*rgene*rgene ; %can nhot len vo may phat %he so can nhot len long phao Rds =10; % He so ma sat khac len phao % - Luc song tac dung len phao kd33 = kb33 ; Fed=exp(k*lphao2)*kd33*row*g*Swd*ksia; PL-23 % Fed=0; % Kiem tra o co luc ngoai % tong luc can sinh co cau lien ket phao voi dia qua may phat Rfbd = 100;% Ma sat long va dia Rfg = 100;% Ma sat cua piston may phat % - Ve va kiem tra luc song - % lucsong ; % MAY PHAT DIEN l2pm = 2*dpm +2*dw ; % di chu ky tu truong gom nam cham l1cuon=(l2pm-3*wcachpha)/3 ; % dai cuon day - quan c?a pha nturn = floor(l1cuon/(2*rd))*floor(hcoil/(2*rd)); %So vong day cuon lamda=2*dw+2*dpm; % buoc song tu truong % tiet dien day quan Sd=pi*rd^2; % chieu dai day quan cua mot cuon day cua pha lday=nturn*2*pi*drotor*drotor ; %_tinh gia tri dien tro cua cuon day Rtrong=dientrosuat*lday/Sd; %_tinh he so tu cam L ccua cuon ?ay scuon=pi*drotor*drotor; L=nuy0*(nturn^2)*scuon*l1cuon; %% mac noi tiep ncoil vong day Rtrong=ncoil*Rtrong; L=ncoil*L; %% toi uu cong suat % Rngoai=Rtrong; % GIAI HE PHUONG TRINH VI PHAN % Kiem tra chuyen dong cua phao PL-24 Febii(ii)=Feb; Rbii(ii)=Rb; mb1ii(ii)=mb1; %[t,z]=ode23('twobouy_ode1',[0,tmax],[0,0]); %% Phuong trinh day du voi he PT [t,z]=ode23('twobouy_odebdgFU',[0,tmax],[0,0,0,0,0]); zz=z(:,1); Ayb(ii)=max(abs(zz)); IIa=z(:,5)/Rngoai; Pout=IIa.*z(:,5); Ptb=mean(Pout) Ptbii(ii)=Ptb; end Ptbkk(kk)=Ptb; end % Ve va ghi du lieu file figure(1); plot(ltubeii,Ayb); title('Ayb'); % plot(ltubeii,Ptbii); figure(2); plot(Febii); title('Feb'); %plot(t,z(:,1),t,z(:,3)); %title('Dich chuyen '); %legend('phao 1', 'phao 2'); %grid; figure(3); plot(Rbii); PL-25 title('Rb'); %plot(t,z(:,2),t,z(:,4)); %title('Van toc'); %legend('phao 1', 'phao 2'); %grid; figure(4); plot(mb1ii); title('mb1'); %plot(t,z(:,5)); %title('Dien the'); %legend('tren tai'); %grid; % Kiem tra luc dien tu %lucdientu ; % Tính cơng suat %congsuat ; PL-26 ... “ Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam ” có ý nghĩa to lớn mặt lý thuyết thực tiễn Kết luận án nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu. .. luận án tiến sĩ Nghiên cứu sinh Phùng Văn Ngọc i LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận án: ? ?Nghiên cứu thiết bị biến đổi lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác lượng sóng vùng biển Việt Nam? ?? Tôi xin cam... chọn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển ứng với mức lượng sóng biển vùng biển phù hợp với đặc điểm sóng Việt Nam Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu luận án: Đối tượng nghiên