Máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu trong khai thác điện sóng biển

Bài viết giới thiệu giải pháp sử dụng máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLA) là công nghệ mới hiện nay có thể chuyển đổi trực tiếp cơ năng của sóng biển thành điện năng.

CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 Gọi thời gian chuyển động xuồng giai đoạn đến lúc xuồng bắt đầu tiếp nước 3 Khi mũi xuồng tiếp nước thì: y m  H  g.32  v y 3  y c (2 )  (1  a).sin  tn  h.cos  tn Gọi góc tiếp nước tn , xác định sau: tn  2 3  2 (21) (22) Kết luận Mơ hình tốn học xây dựng để nghiên cứu khảo sát trình phóng xuồng cứu sinh tính tốn góc tiếp nước xuồng Quá trình chuyển động xuồng từ giá đến tiếp nước chia thành giai đoạn hợp lý, với chất học Các phương trình chuyển động xây dựng phù hợp với chất lý thuyết Nhưng để áp dụng thực tế tính tốn thiết kế ta phải quan tâm yếu tố ma sát giai đoạn xuồng chuyển động giá Từ mơ hình tốn này, tác giả sử dụng để xây dựng thuật tốn chương trình tính tốn khảo sát q trình phóng xuồng xác định góc tiếp nước xuồng phục vụ cho cơng tác nghiên cứu, thiết kế hệ xuồng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Quang Khải, “Tính tốn động lực học q trình phóng xuồng cứu sinh”, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Hàng hải, 1998 [2] Phạm Thế Phiệt, Nguyễn Đình Hùng, “Cơ học lý thuyết”, Trường Đại học Hàng hải, 1990 [3] Nguyễn Đình Hùng, Nguyễn Văn Phong, Nguyễn Trung Khang, Nguyễn Tăng Phương, “Khảo sát động lực học q trình phóng xuồng cứu sinh” Trường Đại học Hàng hải, 1995 Phản biện: PGS.TS Lê Hồng Bang MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU TUYẾN TÍNH NAM CHÂM VĨNH CỬU TRONG KHAI THÁC ĐIỆN SÓNG BIỂN PERMANENT MAGNET LINEAR ALTERNATORS (PMLA) HARNESS WAVE ENERGY TS ĐÀO MINH QUÂN Khoa Điện - Điện tử, Trường ĐHHHVN Tóm tắt Năng lượng từ sóng biển có lợi hồn tồn tự nhiên, xanh khơng gây nhiễm, để khai thác nguồn lượng này, thực tế có nhiều phương pháp để khai thác lượng học sóng biển sang lượng điện Bài báo giới thiệu giải pháp sử dụng máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLA) cơng nghệ chuyển đổi trực tiếp sóng biển thành điện Abstract The advantage of energy from the waves is completely natural, green and non-polluting, in oder to harness wave energy, there are many methods to harness the mechanical energy of ocean waves into electrical energy The paper introduces solutions using AC generator Permanent Magnet Linear Alternators (PMLA) is a new technology, which can directly convert mechanical energy of ocean waves into electric power Keyword: Energy waves, Permanent Magnet Linear Alternators (PMLA) Thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển Có nhiều phương pháp để khai thác lượng học sóng biển sang lượng điện, như: khí động, thuỷ động, thủy tĩnh chuyển động tương đối phao loại thiết bị chuyển đổi lượng sóng xa bờ hay gần bờ Với thiết bị chuyển đổi lượng sóng xa bờ: thiết bị thường đặt khu vực nước sâu xa đất liền, việc khai thác lượng sóng tập trung vào khai thác lực mặt sóng tác động theo phương đứng, Có nhiều phương pháp biến đổi lượng sóng xa bờ thành lượng điện như: biến lực mặt sóng thành chuyển động tịnh 10 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 tiến PMLA, thành áp suất khơng khí làm quay cánh quạt hay tác động vào piston, thành chuyển động tịnh tiến piston truyền động…Từ thiết bị chuyển đổi lượng có nhiều dạng nguyên lý hoạt động khác [1,3] Trong phạm vi báo đề cập tới Máy phát điện xoay chiều tuyến tính chuyển đổi lượng sóng xa bờ trực tiếp hình 1: Phao phát điện nam châm vĩnh cửu có kết cấu sau: Tâm trục dài khoảng mét gồm nhiều nam châm vĩnh cửu mạnh, cuộn dây đồng nằm xung quanh trục; phao neo vào đáy biển có độ sâu khoảng 30 mét Vỏ làm sợi thủy tinh Hình Máy phát điện sóng tuyến tính composit, sóng biển tác động làm phao di chuyển lên xuống theo sóng, cuộn dây di chuyển lên xuống trục nam châm sản sinh dòng điện Mẫu theo nguyên tắc truyền động trực tiếp nên hiệu suất lượng đạt gần 90% Phao neo chặt vào giá đặt đáy biển hoạt động liên tục năm Năng lượng thu từ sóng biển giống lượng thu từ gió Tuy nhiên nhiên sóng có mật độ lớn gió gấp 50 lần Điện áp AC thu từ phao thuộc dạng không ổn định chuyển tiếp cho hộp kết nối chuyển đổi thành điện DC, tiếp truyền tải vào bờ chuyển đổi thành điện AC chuẩn Máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLA) 2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.1.1 Cấu tạo Khi hình dung tăng dần bán kính máy điện quay tiến tới vơ cùng, ta thu thành phần stato dạng trải thành phần Roto phần di động bề mặt trải dài PMLA hiểu máy điện tròn xẻ dọc làm dẹt có hai kiểu làm dẹt làm dẹt đơn làm dẹt kép [1,2] PMLA gồm có phần, phần chuyển động translator phần tĩnh stato (hình 2): Stator gồm vỏ lõi dây quấn, vỏ làm thép đúc, vật liệu tổng hợp Hình Máy phát điện xoay chiều tuyến tính nam châm vĩnh cửu có nhiệm vụ bảo vệ mạch từ Lõi thép stato chế tạo hoàn toàn giống lõi stato máy điện quay Translator phần cảm, phần chuyển động (kích từ) gồm lõi thép nam châm vĩnh cửu 2.1.2.Nguyên lý hoạt động Ở chế độ máy phát kích từ nam châm vĩnh cửu (PMLA), phận translator chứa nam châm vĩnh cửu chuyển động tương đối so với stator, cuộn dây stator xuất sức điện động cảm ứng, từ trường biến thiên Nếu nối với tải có dòng điện chạy cuộn dây phần ứng, dòng điện tạo từ thông tương tác với từ thơng nam châm vĩnh cửu, sinh lực có xu hướng tác động ngược lên translator Sự chuyển động tịnh tiến translator máy phát điện tuyến tính Y (t ) biểu diễn [1,2]: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 11 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 Y (t )  với d sin(m t ) m  2 f m  2 Tm (1) : tần số góc chuyển động (rad/s); d: hành trình chuyển động tối đa translator máy phát (m), từ thơng cuộn dây máy phát biến thiên (với điều kiện đầu = 0) là:  (t )   sin( 2  Y (t )) (2)  : Giá trị biên độ từ thông đỉnh sinh nam châm vĩnh cửu (T)  : Bước sóng từ (m) Số đơi cực PMLA nửa bước sóng từ, điện áp sinh cuộn dây biểu diễn định luật Faraday, mô tả phương trình: v(t )  N d dt (3) Từ (1), (2), (3) ta có phương trình điện áp biến thiên theo thời gian sau: 2 d sin(mt )   ) ; (   0, )  v(t )  V cos(mt ).cos( (4) Trong : V biên độ điện áp pha, N: Số vòng cuộn dây Với PMLA pha pha lệch 1200 điện, ta có phương trình máy phát điện sau: d sin(mt ))  d 2 vb (t )  V cos(mt ).cos[ sin(mt )  ]  d 4 vc (t )  V cos(mt ) cos[ sin(mt )  ]  va (t )  V cos(mt ).cos( (5) Biên độ tần số điện (max) đỉnh điểm xác định cách chia tốc độ chuyển đổi tối đa cho bước sóng từ () e  fe  2 dx ; ( )  dt max v pk (6) (7)  d: (m); : (m); vpk: Vận tốc bước sóng từ max (m) Tương tự mơ hình động máy điện đồng quay nam châm vĩnh cửu khác mô men lực tác động thẳng, góc quay máy điện quay phụ thuộc vào vận tốc góc, góc khí máy điện tuyến tính phụ thuộc vào vận tốc tuyến tính Các phương trình trục dq biểu diễn sau: d sd  m sq dt d vsq  Rs isq  sq  m sd dt với: sd  Ls isd   fd ; sq  Ls isq ; Ls  Lls  Lm vsd  Rs isd  (8) (9) Rs: Điện trở cuộn dây; m: Tần số góc điện; Iq: Dòng điện trục q; Id: Dòng điện trục d; fd: kích từ liên kết stato thông lượng sinh nam châm vĩnh cửu; Vsd: Điện áp trục d; Vq: Điện áp trục q Kết hợp biểu thức ta có: vsd  Rsisd  12 d ( Lsisd   fd )  m Lsisq dt Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải (10) Số 37 – 01/2014 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 d vsq  Rsisq  Lsisq  m ( Lsisd   fd ) dt p  m  c Tần số liên quan đến tần số điện với số đôi cực máy phát (rad/s) p Tem  (sd isq  sq isd ) (11) (12) (13) Với liên kết từ thơng hệ dq ta có phương trình cho mơ men đầu phụ thuộc vào dòng trục q liên kết từ thơng nam châm vĩnh cửu: p p (14) T  ( L i   )i  L i i )   i em s sd fd sq s sq sd fd sq Dòng điện trục q thay vào phương trình (13) ta có mơ men lực theo thời gian bán kính máy điện với biểu thức thể chiều dài stator (l ) máy phát điện tuyến tính với khoảng cách điện cực (bước cực) , số đơi cực p, chu vi máy điện đồng quay thể phương trình: l = ppha=3..p (15) C=2..r (16) r: Bán kính trung bình rotor; C: Chu vi máy điện quay; l : Chiều dài stator máy điện tuyến tính; : Bước cực; p: Số cực Thế (15) vào (16) với độ dài chu vi ta có: r Ta xét máy điện có cặp cực bán kính máy: r Khi mơ men tương đương với: Tem   fd isd 3. p 2. 3.  (17) (18) (19) Mà mô mem tích lực hướng tâm bán kính, nên: F Tem    fd isd r 3. (20) Năng lượng đầu máy điện tuyến tính đồng có nhiều cặp cực tăng tỉ lệ với số lượng cặp cực, ta có phương trình chung cho lực đầu là: F p.  fd isd 6. (21) 2.2 Mơ hình simulink máy phát điện xoay chiều tuyến tính Hình Mơ hình simulink máy phát xoay chiều tuyến tính: a, khơng tải; b, có tải Từ mơ hình tốn ta xây dựng mơ hình simulink (hình 3)cho máy phát điện xoay chiều tuyến tính, với nguồn sóng lý tưởng có tần số ổn định u(t)=2,2.sin(0,96.t) Mẫu máy điện tuyến tính mơ có thơng số là: Y(t)=4,6.cos(0,96.t); d=4,6m; = 0,144m; Chu kỳ sóng T=6,54s; Vận tốc chuyển động lên, xuống phao máy phát V=2,2m/s; Tần số góc = 0,96 rad/s; Điện áp định mức với vận tốc 1m/s Uph = 354V; Công suất máy phát P=25 KW,… Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 13 CHóC MỪNG NĂM MỚI 2014 Kết mơ phỏng: Hình Eabc đầu máy phát tuyến tính Hình Sức điện động, điện áp, dòng điện máy phát tuyến tính Nhận xét: Mơ đặc tính sức điện động, điện áp, dòng điện máy phát tuyến tính pha có tính khả thi với giả thiết sóng biển sóng đều, dao động điều hồ dạng sin sức điện động (hình 4), điện áp, dòng điện sinh từ máy phát dao động với biên độ Ec = 777V, Vc = 407V, Ic = 169A; với tải R=2,4 (hình 5) Khi sóng lên xuống giá trị điện áp dòng điện tăng từ giá trị áp, dòng cực đại giảm dần theo chu kỳ sóng Kết luận Bài báo giới thiệu mơ hình tốn máy phát điện xoay chiều tuyến tính, từ xây dựng mơ hình simulink với kết mơ phỏng: đặc tính sức điện động, điện áp, dòng tải máy phát tuyến tính sinh có dạng sóng sin với biên độ thay đổi theo hàm sin vận tốc dịch chuyển stator translator, nguồn điện sử dụng cấp cho hệ thống tích lũy lượng (ác quy) sau nghịch lưu thành nguồn AC có tần số, điện áp tần số, điện áp định mức theo yêu cầu Nhưng để nguồn điện lấy từ sóng biển ngẫu nhiên thực tế cần đưa giải pháp học kỹ thuật, đặc tính kỹ thuật yêu cầu chất lượng điện cung cấp liên tục ổn định (tác giả xin giới thiệu số báo tới) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Polinder, M.A Mueller, M Scuotto and M Goden de Sousa Prado (2007)“Linear generator systems for wave energy conversion”, Proceedings of the 7th European Wave and Tidal Energy Conference, Porto, Portugal [2] Ion Boldea “Linear electric actuators and generators”, Polytechnic Institute, Timisoara, Romania, Syed A Nasar, University of Kentucky [3] Tarek Ahmedy, “Electrical Technologies for Grid Integration of Ocean Wave Power into the UK National Grid”, Dept of Renewable Energy, University of Exeter, United Kingdom, 2010 Người phản biện: PGS TS Trần Anh Dũng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC LOẠI CẢM BIẾN 14 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 37 – 01/2014 ... nguyên lý hoạt động khác [1,3] Trong phạm vi báo đề cập tới Máy phát điện xoay chiều tuyến tính chuyển đổi lượng sóng xa bờ trực tiếp hình 1: Phao phát điện nam châm vĩnh cửu có kết cấu sau: Tâm trục... tuyến tính Hình Mơ hình simulink máy phát xoay chiều tuyến tính: a, khơng tải; b, có tải Từ mơ hình tốn ta xây dựng mơ hình simulink (hình 3)cho máy phát điện xoay chiều tuyến tính, với nguồn sóng. .. điện máy phát tuyến tính Nhận xét: Mơ đặc tính sức điện động, điện áp, dòng điện máy phát tuyến tính pha có tính khả thi với giả thiết sóng biển sóng đều, dao động điều hồ dạng sin sức điện động