Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng thiết bị chuyển hóa năng lượng sóng biển thành điện năng theo phương pháp dao động cột nước

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A T P H C M TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HỨA QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ CHUYỂN HĨA NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG CỘT NƯỚC Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒNH THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Trần Doãn Sơn Cán chấm nhận xét : TS Trương Quốc Thanh Cán chấm nhận xét : TS Hồ Triết Hưng Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: ( Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ ) PGS.TS Trần Dỗn Sơn PGS.TS Phạm Huy Hồng TS Trương Quốc Thanh TS Hồ Triết Hưng TS Bùi Trọng Hiếu Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỨA QUANG TRUNG MSHV: 09040385 Ngày, tháng, năm sinh: 27/10/1985 Nơi sinh: Thái Nguyên Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số : 605204 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG CỘT NƯỚC II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tổng quan thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành điện giới thơng qua việc tìm kiếm patent - Nghiên cứu thiết kế thiết bị phù hợp thực tiễn Việt Nam - Vẽ sơ đồ nguyên lý sơ đồ động thiết bị - Tính tốn thơng số thiết bị - Mô thiết bị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu với bảo, giúp đỡ nhiệt tình thầy PGS.TS Trần Dỗn Sơn đến em hoàn thành xong toàn nội dung Luận Văn Thạc Sĩ giao Tuy nhiên kinh nghiệm thực tế cịn hạn chế nên q trình tính tốn thiết kế chưa thấy hết yếu tố nảy sinh ảnh hưởng đến thiết bị gặp phải sai sót định Em mong bảo tận tình thầy cô môn Cuối cùng,em xin chân thành cảm ơn q thầy mơn truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt trình học tập Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Trần Dỗn Sơn tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn ! Tp.HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013 Học viên thực hiện: Hứa Quang Trung TÓM TẮT LUẬN VĂN Thiết bị chuyển hóa lượng sóng biển thành điện theo phương pháp dao động cột nước thiết bị ứng dụng nhiều nước giới Đây thiết bị lắp đặt gần bờ, cấu tạo gồm buồng khí phần buồng khí chìm biển bên buồng khí lắp đặt turbine nối với máy phát Khi sóng đập tới rút làm cho mực nước buồng khí dao động lên xuống, dao động lên xuống mực nước buồng làm khơng khí buồng chuyển động làm quay turbine dẫn động máy phát tạo điện Trong khuôn khổ luận văn vào nghiên cứu tính chất vùng ven biển Việt Nam tham khảo tài liệu nước ngoài, patent liên quan đến thiết bị từ thiết kế thơng số thiết bị phù hợp với vùng biển Việt Nam sau sử dụng phần mềm để mơ phỏng, phân tích thơng số ảnh hưởng đến thiết bị THESIS ABSTRACT The Oscillating Water Column Wave Energy Device has already been applied in many countries in the world This device is installed near ashore, it includes the gas chamber which partially submerged in the sea Inside the gas chamber has a turbine which connected to the generator The base of the device is open to the sea, so that incident waves force the water inside the column to oscillate in the vertical direction raise up and down As a result the air above the surface of the water in the column moves in phase with the free surface of the water inside the column and drives the air turbine which connected to generator In this thesis will go into research on the properties of the coastal region of Viet Nam, the reference documents and the patents which related to the device then design the basic parameters of the device in accordance with the coastal region of Viet Nam and then use software to simulateanalysis of parameters affecting on the device LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan : Những nội dung Luận văn em thực hướng dẫn trực tiếp thầy PGS.TS Trần Doãn Sơn Mọi tham khảo dùng Luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố Nếu phát có gian lận em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm MỤC LỤC: CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Các nguồn lượng nhu cầu điện nước ta nay……… 1.2 Mục đích nội dung nghiên cứu…………………………………………….9 CHƯƠNG II : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu dạng lượng Việt Nam nói chung lượng Sóng biển nói riêng………… …………………………………………… 10 2.2 Tình hình nghiên cứu nước giới………… …………… 11 2.3 Giới thiệu patent có liên quan đến đề tài nghiên cứu…… ……… 20 CHƯƠNG III : NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN KHU VỰC BIỂN ĐƠNG VÀ VÙNG BIỂN VIỆT NAM 3.1 Tổng quan chế độ khí tượng hải văn khu vực Biển Đông vùng biển Việt Nam………………………………………………………………………….25 3.2 Chế độ trường sóng vùng Biển Đơng ven bờ biển Việt Nam……….… 26 3.2.1 Chế độ trường sóng theo số liệu đo đạc trạm ven bờ số liệu Obship khơi vùng biển Việt Nam…………….… …………… … 26 3.2.2 Phân vùng chế độ sóng vùng ven bờ biển Việt Nam……… ….……… 31 CHƯƠNG IV: PHÂN LOẠI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU 4.1 Phân loại thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành điện năng….… 37 4.2 Lựa chọn phương hướng nghiên cứu…………………… …………….… 38 CHƯƠNG V: TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ 5.1 Các thông số ban đầu vị trí lắp đặt thiết bị…………………………… 39 5.2 Các yêu cầu kỹ thuật thiết bị……………………………………… 39 5.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị…………………………… … 39 5.4 Tính tốn mật độ phân bố lượng công suất khu vực đặt thiết bị 40 5.5 Tính tốn thơng số buồng khí……………………………… 41 5.6 Tính tốn thơng số turbine thiết bị…………… ………44 5.7 Chọn máy phát điện hộp giảm tốc thiết bị…………………… … 48 5.8 Tính tốn chọn hệ thống điều tốc Turbine…………………………… ……51 5.9 Thiết kế sơ đồ điện tổng thể thiết bị………………………………… 59 CHƯƠNG VI: MÔ PHỎNG THIẾT BỊ 6.1 Mơ mơ hình Inventor………………………………………… 60 6.1.1 Hình dạng turbine…… ………………………………………………… 60 6.1.2 Hình dạng buồng khí….……………………………………………………60 6.1.3 Thiết bị sau lắp ráp hoàn chỉnh…….……………………… ……… 61 6.2 Phân tích yếu tố tác dụng lên buồng khí turbine………………….….62 6.2.1 Chia lưới cụm thiết bị………………….……………………………….….62 6.2.2 Gán điều kiện biên…………………………………………………………59 6.2.3 Xuất kết so thơng số buồng khí qua turbine mực nước nâng hạ buồng khí…………………………………………… 63 6.2.4 Nhận xét biểu đồ…………………………………………………… 74 CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Kết đạt được……………………………………………………….… 75 7.2 Hướng phát triển đề tài……………………………………………… 75 Tài liệu tham khảo CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐÊ TÀI NGHIÊN CỨU Đề tài : “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ CHUYỂN HĨA NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG CỘT NƯỚC “ đề tài mà hướng áp dụng chủ yếu vào vùng ven biển việt nam thường lắp đặt ven bờ Sóng chảy vào bờ biển, đẩy mực nước lên phòng rộng xây dựng bên dải đất ven bờ biển, phần bị chìm mặt nước biển Khi nước dâng, khơng khí bên phịng bị đẩy theo lỗ trống vào turbine Khi sóng rút đi, mực nước hạ xuống bên phịng hút khơng khí qua tua bin theo hướng ngược lại Tua bin xoay tròn làm quay máy phát để sản xuất điện, công suất thiết bị phát từ 250 kw-500 kw đủ cung cấp cho 400 gia đình Thiết bị ứng dụng lắp đặt nhiều bờ biển giới nước Scotland, India, Australia, Portugal and Japan Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu thiết kế thiết bị có đặc tính kỹ thuật phù hợp với vùng ven biển Việt Nam 1.1 Các ngồn lượng nhu cầu điện nước ta Các nguồn lượng có vai trị vơ quan trọng phát triển Quốc gia Trong điện nguồn lượng thiết yếu sinh hoạt nhân dân yếu tố đầu vào thiếu nhiều ngành kinh tế khác, có tác động ảnh hưởng khơng nhỏ đến hoạt động kinh tế, trị, văn hóa, xã hội Ngày nay, phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, ngành Công nghiệp sử dụng dạng lượng tăng mạnh Cùng với biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng lượng ngày tăng, nguồn lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng toàn cầu, nguồn lượng thiên nhiên dần cạn kiệt dẫn tới tình trạng khủng hoảng lượng tồn giới Chính vậy, việc tập trung đạo, đầu tư cho phát triển lượng có ngành điện ln Đảng Nhà nước ta ưu tiên trọng, nhằm đảm bảo an ninh lượng Quốc gia Nhu cầu điện nước ta lớn, phải nhập điện từ Trung Quốc 400 MW chủ yếu thủy điện nhỏ nhằm giải xúc thiếu điện mùa hạn hán Việc huy động công suất khả dụng hệ thống điện Quốc gia giai đoạn gặp khó khăn nhiên liệu đầu vào nhà máy điện than, dầu, khí sử dụng tài nguyên thiên nhiên ngày cạn kiệt, giá nhiên liệu nhập tăng cao dẫn đến giá thành sản xuất điện tăng giá điện bán không đổi Đối với nhà máy thuỷ điện chiếm tỷ trọng lớn, có giá thành sản xuất điện thấp phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên, nhà máy điện khác như: hạt nhân, sinh khối, gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng biển chưa có Do đó, ngành điện phải cân đối giá thành sản xuất điện huy động công suất khả dụng dụng hệ thống điện Quốc gia cung cấp điện đảm bảo ổn định trị, phát triển kinh tế xã hội hồn thành tiêu kinh tế Chính phủ giao Nguyên nhân tình trạng thiếu điện do: - Do phụ tải tăng, đầu tư trực tiếp nước tăng đột biến, tổng giá trị đầu tư 15 năm trước cộng lại, nhiều dự án đầu tư lớn nước phát triển mạnh - Tình hình thời tiết có xu hướng khắc nhiệt, biến đổi phức tạp, với khủng hoảng lượng toàn cầu, nhu cầu sử dụng điện thay cho nguồn lượng khác ngày gia tăng - Công tác dự báo tăng trưởng nhu cầu điện kế hoạch triển khai xây dựng phát triển nguồn điện không tương ứng Các nhà máy sản xuất điện vào hoạt động chậm so với kế hoạch - Khâu vận hành nhà máy điện chưa tốt, số nhà máy sản xuất điện vào hoạt động gặp số cố Nhà máy nhiệt điện ng Bí hoạt động chưa ổn định, Nhà máy điện Cà Mau hoạt động nửa công suất loạt cố sửa chữa đường ống dẫn khí, dừng hoạt động để bảo dưỡng sửa chữa nhà máy Từ đến năm 2020, theo dự báo Việt Nam cịn tình trạng thiếu điện Bởi vì, ln phải chạy theo tốc độ phát triển cao nhu cầu sử dụng điện dẫn đến nguồn lực không đáp ứng kịp nhu cầu phát triển khơng có nguồn điện dự phòng ... TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG CỘT NƯỚC II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tổng quan thiết bị chuyển. .. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH ĐIỆN NĂNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU 4.1 Phân loại thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành điện năng? ??.… 37 4.2 Lựa chọn phương. .. VĂN Thiết bị chuyển hóa lượng sóng biển thành điện theo phương pháp dao động cột nước thiết bị ứng dụng nhiều nước giới Đây thiết bị lắp đặt gần bờ, cấu tạo gồm buồng khí phần buồng khí chìm biển