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

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 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Mịch PGS.TS Đặng Thế Ba Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Ngày xã hội phát triển nhu cầu sử dụng lượng (NL) ngày cao Tuy nhiên, nguồn lượng hóa thạch có hạn cạn kiệt nhanh chóng Để giải vấn đề này, nhà khoa học giới hướng đến nguồn lượng mới, tái tạo, có lượng sóng biển (NLSB) Từ vài năm nay, giá dầu mỏ tăng triển vọng nguồn lượng cổ truyền bị cạn kiệt tạo đà tiến cho dự án khai thác lượng biển Năng lượng biển có hai đặc tính đáng ý, thu hút chuyên gia nghiên cứu khai thác nó, khả tái sinh khơng gây nhiễm mơi trường Có nghĩa là, nguồn lượng không cạn kiệt nguồn lượng Tuy nhiên có dự án thực dẫn tới việc khai thác có lợi nguồn lượng Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu luận án nhằm đóng góp cho chuyên ngành sở lý luận tính tốn lượng sóng biển, xây dựng sở liệu khu vực có tiềm năng lượng sóng biển Việt Nam, Nghiên cứu lý thuyết tính tốn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển nghiên cứu Thế giới Việt Nam Cung cấp sở khoa học công tác nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển ứng vời mức NLSB vùng biển khác phù hợp với đặc điểm sóng Việt Nam (VN) Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án lượng sóng biển loại thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển nghiên cứu phát triển giới dạng chuyển động tịnh tiến Luận án đề cập đến dạng lượng sóng biển vùng biển Việt Nam Trên sở nghiên cứu tiềm năng lượng sóng biển luận án nghiên cứu tính chọn vùng biển đảo Nam Trung Bộ Thiết bị thiết kế thử nghiệm phịng thí nghiệm thử nghiệm biển Thanh Hóa Ý nghĩa luận án: Luận án nghiên cứu ý nghĩa to lớn mặt lý thuyết thực tiễn Kết luận án nhằm nâng cao chât lượng nghiên cứu hiểu biết đặc trưng kỹ thuật lượng sóng biển Viêt Nam, phát triển phương pháp tính tốn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng - Nghiên cứu xác định khu vực vùng biển có tiềm vê lượng sóng biển, nghiên cứu dạng thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển phù hợp với điều kiện Việt Nam - Xây dựng phương trình tương tác phao sóng biển từ tính tón thiết kế thơng số hình học thiết bị chuyển đổi NLSB - Nghiên cứu thí nghiệm nguyên lý làm việc thiết bị nhằm minh chứng cho tính tốn lý thuyết nêu luận án Những điểm luận án: + Luận án tổng hợp thông tin tiềm NLSB việt nam đồng thời phân tích nguyên lý làm việc thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển để làm định hướng cho lựa chọn thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển áp dụng vào khai thác Việt Nam Đồng thời thiết lập hệ phương trình (3.13) mô tả chuyển động thiết bị chuyển đổi sóng biển + Thiết kế chế tạo loại thiết bị chuyển đổi lượng sóng – điện dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 50W, sử dụng nam châm không lõi sắt lần nghiên cứu Việt Nam Thiết bị không cố định đáy biển mà dùng giải pháp hai phao chuyển động chậm pha + Luận án đề xuất thiết kế khảo sát thông số thiết bị chuyển đổi lượng dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 5kW, làm sở cho nghiên cứu để mở rộng phát triển hướng nghiên cứu lĩnh vực khai thác lượng sóng biển cịn non trẻ Việt Nam Cấu trúc luận án: Luận án gồm 110 trang, phần phụ lục, kết cấu luận án gồm phần mở đầu, chương nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển, kết luận kiến nghị, danh mục cơng trình cơng bố tài liệu tham khảo ngồi c n có 25 trang phụ lục gồm phụ lục Chƣơng TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nguồn lượng từ biển Năng lượng tái tạo (NLTT) xu phát triển mang tính tồn cầu giới từ năm 70, kỷ XX khủng hoảng lượng khiến cho nhân loại lo lắng thiếu hụt nguồn nhiên liệu Theo dự báo, nhu cầu tiêu thụ lượng v ng 50 năm tới so với năm 1995 tăng từ 50% đến 250% (nếu tăng trưởng kinh tế cao) 1.1.2 Năng lƣợng sóng biển Năng lượng tổng sóng biển phần lượng gió Đánh giá chung công suất chúng đại dương khoảng 2,5 - 3TW Công thức đơn giản, tiếng thường sử dụng để đánh giá công suất là: P=0,25..g.H.u.L Hình 1 Mức phân bố lượng sóng tồn giới [19] 1.2.1 Các đặc trƣng sóng biển Hình 1.2 Các thơng số sóng biển Các thơng số sóng: Dạng sóng biểu thị hình dạng mặt nước có sóng Trên thực tế, phụ thuộc vào điều kiện khác (ví dụ vùng nước sâu, nước nơng, vùng gió thổi, ) sóng có dạng khác tính chất sóng khác (sóng điều hồ khơng điều hồ) 1.2.2 Năng lƣợng vùng hình thành sóng Sóng hình thành qua bước từ phân chia vùng hình thành sóng bản: Sóng ban đầu hình thành ngồi khơi đại dương xa bờ đợt sóng gợn sóng với chiều dài thân sóng (wavelength) gắn chiều cao (wave height) thấp (vùng sóng gợn (wave crowding)) Như vậy, ban đầu sóng hình thành với bước sóng (chiều dài thân sóng) ngắn tốc độ dịch chuyển đỉnh sóng cao Sau đợt sóng dao động phía gần bờ bắt đầu gia tăng bước sóng, đồng thời chiều cao sóng gia tăng (vùng gia tăng chiều cao sóng (wave height increases))[38] Ở vùng này, tốc độ dịch chuyển đỉnh sóng giảm xuống lượng sóng với chiều tác động dẩy sóng nhơ lên gia tăng lực đẩy làm gia tăng chiều cao sóng 1.2.3 Đặc trƣng lƣợng sóng biển Năng lượng sóng thể hai dạng hạt nước mặt sóng so với mặt nước tĩnh động hạt nước chuyển động dạng sóng Hình 1.5 Các dạng lượng đặc trưng sóng biển [1] Phương trình chuyển động nước mặt sóng có dạng: H   coskx  t  Khi chuyển động, phân tố nước có bề dài dx đơn vị chiều rộng sóng phía mặt nước tĩnh có khối lượng bằng: dm  dx Hình 1.6 Chuyển động sóng tịnh tiến [5] Thế chứa bước sóng đơn vị bề rộng xác định  Ep    ga  dmg g  dx  2 (1.4) Động phân tử nước phía mặt sóng đơn vị bề rộng tính : dEk   (u  w2 )dxdz (1.5) Tổng động cột nước bước sóng đơn vị bề rộng  a  ga  2 tính : (1.6) E   (v x  v z )dxdz  a Hình 1.7 Biểu đồ quan hệ lượng với chiều cao sóng chu kỳ sóng theo đơn vị độ dài Biểu thức biến thiên thu tích phân (3) từ -1/2 đến 1/2 (m) phương trình (6) Biến thiên 1m2 mặt sóng hình 1.8 ga2 (sin( k  2t )  2k  sin( k  2t )) (1.7) E  p 8k Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ lượng với chiều cao sóng chu kỳ sóng theo đơn vị diện tích Từ kết đồ thị, nhận thấy gần 80% động sóng (2000J) nằm độ sâu từ đến 10m khoảng 56% (1400J) nằm độ sâu từ 05m Đối với tồn nằm vị trí 1m 1.3 Tiềm năng lượng sóng biển Việt Nam Việt nam có 3260 km bờ biến kéo dài từ Bắc tới Nam có tiềm lượng sóng biển, qua số kết nghiên cứu đo đạc số liệu sóng thấy khu vực Nam Trung Bộ có mức lượng lớn sóng có chiều cao từ 1,2 – 2m tương đối chiếm từ 60% - 75% thời gian năm Hình 1.11 Bản đồ phân vùng lượng sóng biển Việt nam [1] Theo kết nghiên cứu [6] nước ta vùng có tiềm vùng biển Nam trung Những vùng cịn lại có tiềm mức trung bình Biểu đồ biến thiên thơng lượng lượng sóng điểm theo tháng thể hình 1.12, trung bình năm thể hình 1.13 Thơng lƣợng NL sóng theo tháng Vun vùng 150 g1 Vun g2 Vùn g3 kW/m 100 50 Tháng 10 11 12 Hình 1.12 Thơng lượng lượng sóng theo tháng vùng 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển 1.4.1 Sơ lƣợc số nguyên lý thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng Từ tìm hiểu, nghiên cứu tổng quan trên, thiết bị thống kê theo nguyên lý sơ đồ hình 1.12 [30] 1.4.2 Tổng quan thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng Thế giới Hiện giới số nước có khoa học kỹ thuật phát triển họ tiến hành nghiên cứu phương pháp thu lượng sóng biển phục vụ nhu cầu cho sống, chí có nước phát triển thiết bị phát điện mang tính thương mại với hiệu cao Hà Lan; Anh, Bồ Đào Nha, Nhật Bản… Hình 1.24 Đồ thị biểu thị tốc độ phát triển điện sóng gió 1.4.3 Thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng xa bờ gián tiếp + Thiết bị rắn Pelamis: Là thiết bị chuyển đổi lượng sóng công suất lớn đặt cách xa bờ, thiết bị Pelamis có chuyển đổi có cơng suất khoảng 750kW Hình 1.27 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Pelamis [19] 1.4.4 Các thiết bị chuyển đổi lƣợng sóng gần bờ Trạm biến đổi OWC (Oscillating Water Column): Cấu tạo trạm OWC (miêu tả hình 1.35) bao gồm: buồng chứa khơng khí nén(3), van xả an tồn(4), van điều chỉnh(5), van tác động nhanh (6), cánh quạt tuabin (7), máy phát khơng đồng Hình 1.35 Hệ thống kênh hẹp nhìn từ xuống [48] 1.5 Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng nước Tại Việt Nam, việc nghiên cứu thiết bị thu lượng sóng giai đoạn sơ khai, có nghiên cứu sơ có vài tài liệu mật độ dạng lượng biển chủ yếu: xạ mặt trời vùng biển, gió biển, sóng biển thủy triều mà chưa có thiết bị ứng dụng cụ thể phát điện biển Hình 1.36 Cấu tạo thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển [10] Qua kết nghiên cứu Viện nghiên cứu Cơ Khí tiến hành chế tạo thử nghiệm thiết bị với thông số: - Chiều dài phao L = 14m; Đường kính phao D = 1.2m; Chiều dài phao nhận l = 3.5m Công suất tổng P = 10 KW Có thể thấy tình hình nghiên cứu nước cịn hạn chế mức thử nghiệm chưa có nghiên cứu tồn thể ứng dụng với dạng sóng vùng cụ thể Chưa có trung tâm nghiên cứu đủ mạnh để phát triển thiết bị thị trường, tiềm năng lượng sóng vùng biển Việt Nam tương đối lớn Mơ hình hóa thiết bị Mơ hình học nghiên cứu thiết bị Hình 2.8 Thiết kế mơ hình phần mềm SolidWork 2.6.3 Ngun lý hoạt động mơ hình Dao động sóng theo phương thẳng đứng kéo theo chuyển động lên xuống phao Khung dây gắn cố định bên phao nên có đặc tính chuyển động tương tự với sóng 2.7 Kết luận chương Qua nghiên cứu phân tích đánh giá nghiên cứu áp dụng khai thác lượng sóng biển + Nghiên cứu đánh giá tương tác sóng vào cơng trình sở áp dụng vào tính tốn thiết bị nội dụng + Nghiên cứu đặc điểm hình dạng kết cấu phao chuyển động thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển dạng chuyển động tịnh tiến + Xây dựng mơ hình ngun lý làm việc dạng thiết bị chuyển đổi lượng sóng dạng tịnh tiến Chƣơng NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CÁC PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SĨNG BIỂN 3.1 Xây dựng mơ hình tính tốn thiết bị Để tính tốn mơ phỏng, tiến tới tính tốn thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị chuyển đổi lượng sóng đề xuất, cần xây dựng hệ phương trình mơ tả chuyển động thiết bị 3.1.1 Các phƣơng trình học thiết bị + Phương trình sóng tuyến tính: Phương trình sóng có dạng:  (t )  a cos(t  kx) (3.1) Quá trình chuyển động phao mơ dạng hình sau: Hình 3.1 Mô tả chuyển động phao tác dụng sóng 3.1.2 Phƣơng trình chuyển động phao Phương trình mơ tả chuyển động dứng phao có dạng: mb1sb (t )  Fe,b (t )  Fr ,b (t )  Fb,b (t )  Fb,v (t )  Fb, f (t )  Fb,u (t ) (3.2) Lực kích thích theo chiều đứng sóng tới: 12 Fe,b (t )  exp( kl) 33 gS wb a cos(t ) (3.3) Lực sóng tán xạ Fr,b có dạng: Fr ,b  m33sb (t )  R33sb (t ) (3.4) Lực thuỷ tĩnh có dạng: Fb ,b   Sb ,b sb (t ) (3.5) Lực cản nước lên phao viết sau: Fb, f  Fb,  ( Rb , f  Rb , ) sb (t )  0.5CB AB | sb (t ) | sb (t ) (3.6) Lực nâng thực tác dụng lên phao thời điểm cân hiệu lực nâng lên phao trọng lượng phao: Fm,b  g ( Vb  mb1 ) (3.7) 3.1.3 Phƣơng trình chuyển động phao Lực kích thích theo chiều đứng sóng tới: Fe,d (t )  exp( kld ) d 33 gSdwa cos(t ) Lực tán xạ sóng Fr,d có dạng Fr ,d  md 33sd (t )  Rd 33sd (t ) - Lực thuỷ tĩnh có dạng Fd ,b   Sd ,b sd (t ) - Lực ma sát cấu khí gắn với đĩa Ff ,d  ( R f ,db  R f , g )( sd (t )  sb (t )) - Lực cản nhớt nước lên đĩa có dạng [11] Fd ,drag  (0.5CD  AD | sd (t ) |  Rd , )sd (t ) Cuối phương trình chuyển động phao viết đuợc dạng: md 1sd (t )   Rd sd (t )  Sd sd (t )  Fd ,e (t )  Rbd sb (t )  Fu (t ) Trong đó, md1 = md + md33 tổng khối lượng phao chứa máy phát, khối lượng kèm phao 2, Rd=Rd33+Rd,v+Rd,s+Rdb tổng hệ số lực cản lên phao chứa máy phát; Rb,d = Rf,bd + Rf,g tổng lực cản sinh cấu liên kết đĩa với phao đĩa chuyển động tương phao gây Phương trình chuyển động thành phần thẳng đứng có dạng hệ phao theo cơng thức (3.2) (3.12) ta có hệ  mb s (t )  Sb s (t )  Fw ,b (t )  Ff ,b (t )  Fu (t )  Fc (t )  Fm   mb s (t )  Fw , p (t )  Ff , p (t )  Fu (t )  Fc (t )  Fm  Fdrag (t ) (3.13) Hệ phương trình thu gọn sau:  mb  mr ,11 ())ub (t )  mr ,12 ()u p (t )  g1 (t )    mr ,21 ()ub (t )  (m p  mr ,22 ())u p (t )  g (t ) Trong thành phần g(t) xác định: 13 (3.14)   g1 (t )  Fe,b (t )  k11 (t )ub (t )  k12 (t )u p (t )  R f ,bub (t )  Sb sb (t )  Fu (t )  Fc (t )  Fm    g (t )  Fe, p (t )  k21 (t )ub (t )  k22 (t )u p (t )  R f , pu p (t )  Fu (t )  Fc (t )  Fm  Fdrag (t ) (3.15) 3.2 Phương trình cho hệ thống máy phát 3.2.1 Mơ hình điện từ trƣờng máy phát + Hệ phương trình Maxwell + Phương trình định luật Gauss: .E  P (3.18) 0 + Phương trình định luật Gauss cho từ trường: .B  (3.19) + Phương trình Maxwell-Faraday: B .B  t  Phương trình Maxwell – Ampere: .B  0 J  0 (3.20) E t (3.21) 3.2.2 Áp dụng cấu hình máy phát nam châm chuyển động thẳng a Tính phân bố từ trường Sau ta dùng phương pháp giải số phần mềm FlexPDE để giải   R R  dz  d d dz d  d       2  Bz (  , z )  d      2  Bz (  , z )  d   v dt dz dt dz  dz   dt  L T   N d  R   dz  2  B  L  z (  ,z ) L  d R     d   v dl  2 Nv     Bz (  , z )  d   dl dz L   0     (3.30) (3.32) Khi đó, cuộn dây xuất d ng điện, thân cuộn dây lại trở thành nam châm điện có từ trường Bcz tính sau: l (3.33) B   nI z cz a2  l 3.3 Phương trình lực điện từ máy phát Do phao nối với khung dây, trình chuyển động phao, Xét hệ tọa độ trụ, đoạn nhỏ I dl khung dây ta có dF  r   I dl  B r   I dl  ( B  Bz )  I dl  B  I dl  Bz Hình 3.5 Lực Ampere sinh vòng dây s dF z  I dl  B  Fz   I B (  , z ) dl  I B (  , z ) (2 R) 14 Vậy lực Lorentz: Fb,u (t )  Fz  Fb,u (t )  L   N  L   2 RvB  d  R    2 Bz  d   Re  Ri  dz  0     2 RvB  d  R    2  Bz  d    dz Re  Ri  dz     2 NRv Fb,u (t )  Re  Ri (3.33) L  d  R  B L    dz  2 0 Bz  d  dz    (3.34) Kết hợp phương trình chuyển động phao với phương trình tính cường độ d ng điện đóng mạch, ta có hệ phương trình vi phân mơ tả hoạt động thiết bị: mb sb (t )  Rb sb (t )  S b sb (t )  Fe ,b (t )  Fb,u (t ) ( 3.35) Tới ta giải v, ghép với hệ phương trình phần 2.2.1 ta có hệ phương trình đạo hàm riêng đầy đủ, giải số FlexPDE Matlab 3.4 Tính tốn mơ hoạt động hệ thống chuyển đổi lƣợng sóng sang điện 3.4.1 Giới thiệu phầm mềm mơ 3.4.2 Tính phân bố từ trường nam châm vĩnh cửu FlexPDE 3.4.2.1 Phần mềm FlexPDE 3.4.2.2 Hệ phương trình tính từ trường sử dụng FlexPDE Trong toán này, máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu, phương trình xác dịnh từ trường nam châm gồm: B    A H Như ta có  B  M Và    A   MJ       H  J với  max  C  A x   min ( C = 0.05 số vật liệu sắt từ ) - A=0 dọc theo hai biên y, z 3.4.2.3 Tính phân bố từ trường số cấu hình nam châm FlexPDE Sơ đồ áp dụng tính tốn mơ hình có thơng số chung sau : 15 Ta có kết phân bố từ trường khơng gian xung quanh nam châm sau: Hình Hình ảnh từ vector Hình 3 Phân bố từ trường khơng gian quanh nam châm Hình Các đường đồng mức độ lớn từ trường Hình Hình ảnh từ vector Ta có kết phân bố từ trường khơng gian xung quanh nam châm sau: Mơ hình hóa thiết bị thí nghiệm bể thí nghiệm: 16 Hình 3.16 Mơ hình thí nghiệm thiết bị Hình 17 Mơ hình thí nghiệm thiết bị làm việc bể sóng VKHTLVN Tác giả đả tiến hành tính tốn với thơng số sóng trên: Hình 3.18 Sức điện động ống dây Hình 194 Cơng suất máy phát Với kết tính tốn với thơng số thiết kế thiết bị có cơng suất máy phát thu lớn Ptt = 196(W) theo công suất lý thuyết Plt =500(W) Hiệu suất thu được: P 196   tt 100%  100  31, 20% Plt 500 Với thông số đặc trưng sóng thơng số thiết kế thiết bị thu hiệu suất tương đối khả quan hiệu suất chuyển đổi thiết bị, việc nghiên cứu áp dụng tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm để có kết thực tiễn sát 3.5 Kết luận chương Tác giả nghiên cứu đặc trưng nguyên lý làm việc thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển dạng chuyển động tịnh tiến, từ xây đựng phương trình thiết bị Phương trình tương tác phao sơ cấp, phao thứ cấp với lượng sóng Tiến hành tính tốn thơng số từ bể thí nghiệm áp dụng tính tốn mơ q trình làm việc hoạt động thiết bị, khảo sát thông số kết đầu máy phát để so sánh kết lý thuyết kết thu nhằm tính hiệu suất làm việc thiết bị Để minh chứng có kết nghiên cứu cần có thí nghiệm thiêt bị thực tế, cần thiết kế chế tạo thiết bị công suất 50W 17 Chƣơng THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SĨNG BIỂN 4.1 Tính tốn khảo sát đặc tính, tính tốn thiết kế cho thiết bị có cơng suất 50W Để tiến tới chế tạo thử nghiệm thiết bị chuyển đổi lượng sóng sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu chuyển động tuyến tính Hệ thống thiết bị mơ hình hóa thành hệ học hình 4.1 C1 sb R1 Fb mb C2 -fu R2 fu a) Sơ đồ sd md b) Mơ hình hệ học Giải hệ phương trình phương trình vi phân bậc tính dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển phao cường độ d ng điện tải thiết bị Hệ giải phương pháp số Matlab Chương trình sau kiểm tra tính tốn mơ hoạt động thiết bị với thông số thiết kế Bảng 4.1 Điều kiện sóng tính tốn có độ cao 1m, chu kỳ sóng 5s Bảng Các thông số thiết kế ban đầu thiết bị Đại lƣợng Giá trị Đại lƣợng Giá trị Mật độ nước,kg/m3 1030 Bán kính thân máy phát, m 0.1 Khối lượng phao, kg 70.0 Độ dài máy, m 2.0 Bán kính lồng, m 0.40 Kích thước nam châm, cm 5x2.5x1 Độ dài lồng, m 1.0 Độ từ dư TB đỉnh, T 0.2 Khối lượng lồng, kg 100.0 Số cạnh lắp nam châm Bán kinh phao 2, m 0.024 Số cuộn dây Độ dài phao 2, m 5.0 Bán kính dây quấn, mm 0.3 Khối lượng phao 30.0 Bán kính vịng dây, m 0.12 Trên hình 4.5 hiệu điện mạch ngồi cơng suất tải Với thơng số cho trên, cơng suất trung bình đạt 49.4W 18 Hình 4.3 Dịch chuyển vân tốc phao Hình 4.4 Lực sóng kích thích lên phao lực điện từ Hình 4.5 Điện công suất tải Kết mô tính tốn mơ với thử nghiệm phịng thí nghiệm cho trường hợp dịch chuyển máy phát chủ động qua thiết bị tạo chuyển động tuần hoàn cho cuộn dây Kết so sánh thể hình 4.6 Trong điện tải đo với cuộn dây, dao động cuộn dây có biên độ 0.2m chu kỳ 2s Hình 4.6 Thiết bị thí nghiệm kết so sánh với mô 19 Từ kết so sánh, thấy mơ hình mơ cho kết phù hợp với kết thí nghiệm Để tăng hiệu thu hồi NLS thiết bị cần tính tốn tối ưu hóa thành phần cấu tạo phao máy phát 4.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi lượng sóng thử nghiệm 4.2.1 Thiết kế, chế tạo máy phát điện Hình 4.13 Hình ảnh tổng thể thiết bị chuyển đổi lượng sóng dạng phao hồn thiện Hình 4.27 Thực q trình thí nghiệm thiết bị Hồ Tây Hinh 4.33 Công suất lượng phao Rbu=250Ns/m, Rbf=20Ns/m Hình 4.34 Biến thiên E thu chu kỳ theo hệ số thu hồi Sau tiến hành thiết kế chế tạo thử nghiệm khảo sát thiết bị phịng thí nghiệm ngồi trường Tác giả tính tốn thiết kế máy phát 20 điện chuyển động thẳng công suất 5kW dùng cho thiết bị chuyển đổi lượng sóng dạng phao để phát triển thiết bị quy mơ cơng nghiệp, áp dụng cho vùng biển đảo Phú Quý 4.3 Đề xuất mô hình chuyển đổi lượng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy mơ thực tế Qua q trình thu thập tài liệu, số liệu phân tích số liệu đặc trưng lượng sóng biển Việt Nam Tác giả xác định vùng biển để tiến hành thiết kế hệ thống máy chuyển đổi lượng vùng đảo Phú Quy, biến độ sóng trung bình khoảng 1,5m, chu kỳ dao động 7s công suất máy phù hợp 5kW Thông số đặc trƣng Giá trị Kích thƣớc máy Đường kính máy 0.792m Chiều dài máy 6m Chiều dài hoạt động 0,972m Cuộn dây (rotor) Số lượng khung dây 81 Diện tích tiết diện dây Rd = 6x10-4(m2) Số vòng dây 650(vòng) cuộn dây Kích thước khung dây 0.0203x0.25x0.016(m3) tương đương cặp cực Điện trở suất dây   = 1.72x10-8 (m) Số lượng pha Nam châm vĩnh cửu (stator) Cường độ từ trường 0.7(T) Số lượng nam châm 60 (cục) chu vi tiết diện ngang giá đỡ Kích thước nam châm 50x25x10mm2 Số lượng nam châm 7440 4.4 Khảo sát số đặc tính Để đưa thơng số hiệu cho việc thiết kế, chế tạo thử nghiệm Kết khảo sát phụ thuộc Ptb vào số lượng vòng dây quấn đơn vị dài n hình 4.40, kết cho thấy cơng suất trung bình đạt giá trị cực đại n  4500 (vịng/mét) giá trị cơng suất trung bình đạt P  4(KW) tb _ max 21 Hình 41 Sự phụ thuộc Ptb Hình 4.40 Sự phụ thuộc Ptb vào vào n ứng với a=0.083(m),b=0.12(m) n ứng với thông số thiết bị + Khảo sát cụ thể phụ thuộc cơng suất trung bình vào tỷ lệ chiều dài cạnh tiết diện ống dây Hình 42 Sự phụ thuộc Ptrung bình vào độ dài cạnh b Hình 43 Sự phụ thuộc L vào b Từ nghiên cứu trình bày trên, thấy d ng điện sinh ống dây biến đổi có đặc trưng dao động theo loại chu kỳ, chu kỳ thứ phụ thuộc vào kích thước khoảng cách nam châm Các kết khảo sát thu cho thấy, với thơng số thiết bị tính tốn nơi có độ cao sóng khoảng mét, ống dây cho ta cơng suất trung bình lên tới xấp xỉ 2,2 (KW) Hình 46 Biểu đồ quan hệ đường kính, điện trở cơng suất Hình 4.47 Biểu đồ quan hệ đường kính cơng suất 22 Hình 48 Biểu đồ quan hệ công suất P ω 4.5 Kết luận chương Luận án tính tốn thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển với cơng suất 50(W), thực thí nghiệm thu kết tích cực tương đối phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết Kết làm sở cho việc nghiên cứu thiết kế thiết bị có cơng suất 5kW áp dụng vùng biển đảo Phú Quý – Bình Thuận Từ kết nghiên cứu thực nghiệm tác giả khảo sát thông số sóng thơng số kỹ thuật thiết bị ảnh hưởng tới công suất P thiết bị, đồng thời đưa vị trí tối ưu nhằm đạt kết tốt công suất thiết bị KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ a) Kết luận chung Luận án tổng hợp tình hình nghiên cứu chủng loại thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển nói chung thiết bị chuyển đổi sóng biển dạng phao chuyển động tịnh tiến nói riêng nghiên cứu, thử nghiệm lắp đặt giới Việt Nam Trên sở tác giả xác định cấp thiết đề tài nghiên cứu, đồng thời đề xuất phạm vi, đối tượng nghiên cứu, mục tiêu phương pháp nghiên cứu luận án Luận án thu thập liệu tiềm năng lượng sóng biển vùng biển Việt nam, sở lý thuyết lượng sóng tác giả tổng hợp tiềm vùng biển từ xác định vùng biển có mức lượng lớn để khai thác hiệu dạng lượng Luận án phân tích đánh giá ưu nhược điểm thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển lựa chọn thiết bị chuyển đổi lượng dạng chuyển động tịnh tiến, lựa chọn hình dạng kiểu dáng phao tương tác thu nhận lượng với sóng biển Luận án xây dựng phương trình chuyển động tương tác phao sơ cấp, phao thứ cấp với sóng biển từ xác định cơng thức tính tốn cơng suất phát điện tiết bị kích thước hình học tổng thể thiết bị Đã tiến hành tính tốn thiết kế xây dựng mơ hình mơ thiết bị để đánh giá tương tác sóng biển phao thu nhận phầm mềm Flexd để 23 xác định ảnh hưởng đặc trưng kích thước hình học thiết bị sở mơ lình vật lý mơ hình tốn Đồng thời xây dựng đường đặc tính quan hệ bề rộng máy phát với đường kính phao thứ cấp chứa máy phát So sánh kết mô với kết thực nghiệm để đánh giá sai số hai phương pháp thực Đã tiến hành thiết kế chế tạo thiết bị có cơng suất P=50(W) thực thí nghiệm nguyên lý làm việc đo đạc công suất đầu thiết bị, thơng số đặc trưng sóng lần thực thí nghiệm để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết b) Khuyến nghị Những kết đạt luận án kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ban đầu lĩnh vực khai thác lượng sóng biển cịn non trẻ Việt nam Do thời gian tới cần có nghiên cứu chuyên sâu cho loại thiết bị ứng dụng phù hợp với đặc trưng sóng tiềm lượng sóng khu vực vùng biển Việt Nam Nhằm đánh giá xác đầy đủ sở khai thác lượng sóng biển khả làm việc loại thiết bị chuyển đổi lượng điều kiện làm việc khắc nghiệt ảnh hưởng bão gió, thời tiết, độ mặn nước biển… Nhu cầu khai thác lượng tái tạo nói chung khai thác lượng sóng biển nói riêng có ý nghĩa vô quan trọng việc phát triển đại hóa Việt Nam Vì kết nghiên cứu luận án có đóng góp nhỏ cho ngành Còn nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp thiết bị chuyển đổi lượng tái tạo nói chung thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển nói riêng cần đầu tư quan tâm nghiên cứu đầy đủ thời gian tới Việc nghiên cứu thử nghiệm thiết bị mở việc áp dụng vào hệ thống phao tín hiệu hàng hải nước ta nhập thiết bị với già khoảng 7500 USD từ Nhật Bản, việc lắp đặt thiết bị cơng suất nhỏ có giả thành rẻ mà dễ lắp đặt, không phụ thuộc vào độ sâu biển… 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba (2013), Khảo sát tính tốn số đặc tính thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển, Tạp chí Thủy lợi Mơi Trường, ISSN: 1859 – 3941, số 41 tháng năm 2013 Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba (2014), Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển thành lượng điện dạng phao nổi, Tạp chí Thủy lợi Môi Trường, ISSN: 1859 – 3941, số 21 tháng năm 2014 Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba (2014), Thiết lập phương trình máy phát điện sử dụng thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển, Tuyển tập HN Cơ học thủy khí tồn quốc, ISSN: 1859- 4182 Phung Van Ngoc, Nguyen The Mich, Dang The Ba, Nguyen Thanh Tung (2014), Research of wave enaergy convertor using linear permanent magnet generator, AUN\SEED-NET - RCMME 2014- 9th & 10th October 2014, ISBN: 978 – 604 – 911 – 942 – 2, Hanoi, Vietnam Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba (2014), Nghiên cứu tinh toán thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển dạng phao sử dụng máy phát điện chuyển động thẳng, Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên Đại học Thủy lợi ISBN: 978-604-82-1388-6, tháng 11/2014 Dang The Ba, Nguyen Dong Anh, Phung Van Ngoc (2015), Numerical Simulation and Experimental Analysis for a Linear Trigonal Double-Face Permanent Magnet Generator Used in Direct Driven Wave Energy Conversion, Procedia Chemistry ISSN: 1876 – 6169 Volume 14, 2015, paper 130-137 Published by Elsevier, (Scopus) Dang The Ba, Phung Van Ngoc, Doan Van Tien (2015), Simulation model of a slack-moored direct driven heaving-buoy wave-energy converter, Proceedings of the 3rd Internatinal Conference on Engineering Mechanics and Automation ICEMA 2014 – October 15 – 16 ISBN: 978-604-913-367-1, 2014, Ha Noi, Viet Nam Phung Van Ngoc, Nguyen The Mich, Dang The Ba, Dao Van Hung (2016), Study wave energy converter using a heave motion buoys, Proceeding The 8th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics in Naval Architecture, Ocean Technology and Constructions, APHydro 2016 ISBN: 978-604-913-486-9 Nguyen Hoang Quan, Phung Van Ngoc, Dang The Ba and Nguyen Van Duc (2017), Modelling and testing of a two-body heaving wave energy converter, Proceedings of the 4th Internatinal Conference on Engineering Mechanics and Automation ICEMA4, ISBN: 978-604-62 - 8730-8 , 2017, Ha Noi, Viet Nam 10 Quyết định chấp nhận đơn hợp lệ Cục sở hữu trí tuệ tên sáng chế (2017), Thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển sâu, Số 15193/QĐ-SHTT 11 Phung Van Ngoc, Nguyen The Mich, Dang The Ba (2018), Numerical simulation and testing of a Two-boby heaving wave energy converter, Proceeding International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems ICFMAS2018, IBSN 978-604-95-0609-3 Published by Bach Khoa publishing house 12 Phung Van Ngoc, Nguyen The Mich, Dang The Ba, Phan Dinh Tuan (2018), Numerical simulation of a wave energy converter using linear generator, Proceedings of the 1st Vietnam Symposium on Advances in Offshore Engineering (VSOE) 2018, ISSN 2366-2557 Published by Springer (Scopus) ... tốn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng - Nghiên cứu xác định khu vực vùng biển có tiềm vê lượng sóng biển, nghiên cứu dạng thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển phù hợp với điều kiện Việt Nam. .. tốn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển nghiên cứu Thế giới Việt Nam Cung cấp sở khoa học công tác nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển ứng vời mức NLSB vùng. .. Luận án đề cập đến dạng lượng sóng biển vùng biển Việt Nam Trên sở nghiên cứu tiềm năng lượng sóng biển luận án nghiên cứu tính chọn vùng biển đảo Nam Trung Bộ Thiết bị thiết kế thử nghiệm phịng