Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển sản xuất điện dùng bộ chuyển đổi thủy lực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  LÝ THÁI BÌNH NGHIÊN CỨU , THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN SẢN XUẤT ĐIỆN DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI THỦY LỰC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS TRẦN DOÃN SƠN Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC -Tp HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÝ THÁI BÌNH Phái: Nam Ngày tháng năm sinh: Nơi sinh: ĐỒNG NAI 09/12/1985 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy 1- MSHV: 09040361 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN SẢN XUẤT ĐIỆN DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI THỦY LỰC” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Tìm hiểu thiết bị sản xuất điện dùng lượng sóng biển • Tìm hiểu chuyển đổi thủy lực dùng thiết bị sử dụng lượng sóng biển sản xuất điện • Tổng quan thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển sử dụng chuyển đổi thủy lực - Pelamis • Thiết kế mơ hình 1/7 thiết bị Pelamis • Mơ hoạt động dự đốn cơng suất thu cụm ống phần mềm Ansys CFX 14 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS TRẦN DỖN SƠN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy, Cơ giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại Học Bách khoa Tp.HCM, người tận tình dạy bảo truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Tiếp đến, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn - Thầy PGS.TS Trần Doãn Sơn trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài Vì thời gian thực đề tài khơng nhiều, kiến thức thân hạn chế, thời gian thực luận văn có nhiều khó khăn nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong q Thầy, Cơ đóng góp ý thiếu xót để luận văn hoàn thiện Học viên Lý Thái Bình TĨM TẮT: Năng lượng sóng biển nguồn lượng mới, sạch, có trữ lượng phong phú Ngày nay, nhiều nước ngày trọng vào việc khai thác nguồn lượng Thông qua nghiên cứu tổng quan số thiết bị giới chi tiết Pelamis, đề tài khái qt tình hình nghiên cứu thiết bị cơng nghệ chuyển đổi lượng sóng biển thành điện Bên cạnh đó, đề tài nghiên cứu cơng cụ hỗ trợ cho việc dự đoán hoạt động cơng suất mơ hình cách xây dựng mơ hình số phần mềm Ansys CFX 14 nhằm giảm chi phí giai đoạn đầu thiết kế khơng phải chế tạo thử mơ hình ABSTRACT: Wave energy is one among renewable energy, which is clean, pollution free and abundant Nowadays, many governments around the world have been paying more and more emphasis on exploiting the wave energy Thesis has researched in general kind of many wave energy converter Specifically, there are Pelamis wave energy converter and hydraulic Power Take off of it Additionally, in order design large-scale generation system like pelamis type in ocean, we need to study on floater motion, which was effected by the wave character In this study, we’ve realized wave generation by CFD(Computational Fluid Dynamic) in tank by Ansys CFX 14, to calculate the energy absorbed by floater also to analyze the effected variables of angle change, angular velocity and angular acceleration LỜI CAM ĐOAN Chúng cam đoan rằng, ngoại trừ kết tham khảo từ cơng trình khác ghi rõ luận văn, công việc trình bày luận văn chúng tơi thực chưa có phần nội dung luận văn nộp để lấy cấp trường trường khác MỤC LỤC: NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT: LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC: CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 11 1.3 Phương pháp nghiên cứu 11 1.4 Đối tượng nghiên cứu 11 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 12 1.6 Tính đề tài 12 CHƯƠNG ĐỊNH NGHĨA CÁC THƠNG SỐ CỦA SĨNG BIỂN VÀ PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 13 2.1 Các thông số sóng biển 13 2.2 Phân loại thiết bị 14 2.2.1 Phân loại theo vị trí lắp đặt so với bờ biển: 14 2.2.2 Phân loại theo đặc điểm hấp thụ lượng: 15 2.3 Các phương pháp chuyển đổi lượng 20 2.3.1 Dạng chuyển đổi tua bin: 21 2.3.2 Dạng chuyển đổi thủy lực: 21 2.3.3 Dùng động tuyến tính: 22 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI THỦY LỰC DÙNG TRONG THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 25 3.1 Ứng dụng hệ thống thủy lực thiết bị hấp thụ lượng theo đường Attenuators: 25 3.2 Ứng dụng hệ thống thủy lực cho dạng hấp thụ điểm: 26 3.3 Ứng dụng hệ thống thủy lực cho thiết bị kiểu chắn sóng - Terminators 27 3.4 Yêu cầu kĩ thuật hệ thống thủy lực: 28 CHƯƠNG THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI THỦY LỰC-THIẾT BỊ PELAMIS .30 4.1 Tổng quan 30 4.2 Bảng thiết kế mơ hình tỉ lệ 1/7 thiết bị Pelamis dùng cho thử nghiệm 35 4.2.1 Bảng thiết kế mơ hình 36 4.2.2 Tính tốn, thiết kế mạch thủy lực 40 CHƯƠNG 5: CÁC LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC THIẾT Bị CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 46 5.1 Điều khiển pha – Latching control 46 5.2 Reactive loading control: 48 5.3 Điều khiển mạch thủy lực thiết bị Pelamis: 48 CHƯƠNG TÍNH TỐN CÁC ĐẠI LƯỢNG KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ BẰNG PHẦN MỀM ANSYS CFX 14 52 6.1 Mục tiêu: 52 6.2 Thông số đầu vào: 52 6.3 Cơ sở tính tốn dự đốn cơng suất hấp thụ ống 53 6.4 Giới thiệu phần mềm Ansys CFX 14 54 6.5 Mô phần mềm Ansys CFX 14 54 6.5.1 Các bước tiến hành mơ tốn máy tính: 54 6.5.2 Cơ sở lý thuyết: 55 6.6 Mô phần mềm Ansys CFX 59 6.7 Kết quả: 75 CHƯƠNG KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 7.1 Kết luận 78 7.2 Hướng phát triển đề tài 78 - Tài liệu tham khảo 79 67 Hình 9: Xác định bậc tự khảo sát vec tơ gia tốc trọng trường - Thiết lập điều kiện biên – Boundary: 68 Hình 10: Thiết lập điều kiện biên cho mơ hình Cylinder Boundaries: Điều kiện biên cho cylinder (ống chính) Tab Basic Settings Boundary Details Setting Value Boundary Type Wall Location Cylinder Mesh Motion > Option Rigid Body Solution Mesh Motion > Rigid Body CylinderBody Mass and Momentum > Option No Slip Wall Wall Roughness > Option Smooth Wall Flapper boundary: điều kiện biên cho tường tạo sóng: Tab Setting Value 69 Basic Settings Boundary Boundary Type Wall Location Flapper Mesh Motion > Option Specified Details Displacement Mesh Motion > Displacement > Option Cartesian Components Mesh Motion > Displacement > X FlapPos[1] Component Mesh Motion > Displacement > Y 0.0 [m] Component Mesh Motion > Displacement > Z 0.0 [m] Component Mass and Momentum > Option No Slip Wall FlapPos biểu thức thể chuyển động Flapper FlapPos = L *0.5*0.1*(1-cos(Womega *t) ) L = 5.7[m] N = 2*pi/L Womega = sqrt(g*N *tanh(N *10[m] ) ) Điều kiện biên cho đáy miền tạo sóng-Floor Tab Basic Settings Boundary Details Setting Value Boundary Type Wall Location Floor Mesh Motion > Option Unspecified 70 Điều kiện biên cho đáy miền mô – Floor1 Tab Setting Basic Settings Boundary Details Value Boundary Type Wall Location Floor Mesh Motion > Option Stationary Điều kiện biên vùng outlet Tab Setting Value Basic Settings Boundary Type Opening Location Outlet Boundary Flow Regime > Option Subonic Details Mesh Motion > Option Stationary Mass and Momentum > Option Entrainment Mass and Momentum > Relative Pressure Hypres [1] Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume Zero Fraction > Volume Fraction Gradient Boundary Conditions > Water at 25 C > Volume Zero Fraction > Volume Fraction Gradient Fluid Values Hypres biểu thức thể áp suất lưu chất Hypres = max(0[Pa],(997[kg m^-3]-1.185[kg m^-3])*g*(-y)) Điều kiện biên vùng bên hơng miền tạo sóng: side Tab Basic Settings Setting Value Boundary Type Wall Location Side 71 Boundary Details Mesh Motion > Option Unspecified Mass And Momentum->option Free Slip Wall Điều kiện biên vùng bê hông miền mô phỏng: side1 Tab Setting Basic Settings Boundary Details Value Boundary Type Wall Location Side Mesh Motion > Option Stationary Mass And Momentum->option Free Slip Wall Điều kiện biên vùng phía miền tạo sóng – sky Tab Setting Basic Settings Boundary Details Value Boundary Type Wall Location Sky Mesh Motion > Option Unspecified Mass And Momentum->option Free Slip Wall Điều kiện biên vùng phía miền mơ – Sky1 Tab Basic Settings Setting Value Boundary Type Opening Location Sky1 Boundary Flow Regime > Option Subonic Details Mesh Motion > Option Stationary Mass and Momentum > Option Entrainment 72 Fluid Values Mass and Momentum > Relative Pressure Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume Value Fraction > Option Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume Fraction > Volume Fraction Boundary Conditions > Water at 25 C > Volume Value Fraction -> Option Boundary Conditions > Air at 25 C > Volume Fraction -> Volume Fraction Đièu kiện biên miền đối xứng – Symmetry Tab Basic Settings Boundary Details Setting Value Boundary Type Symmetry Location Sym Mesh Motion > Option Unspecified - Thiết lập biểu thức L : chiều dài sóng; N : số sóng (WaveNumber); Hypres: thể áp suất nước boundary Outlet FlapPos: thể hành trình dịch chuyển Flapper WaterIni : xác định mức nước mơ hình 73 AngularVy, AngularAy : vận tốc góc gia tơc góc CylinderBody (tính trục Y) Power : lượng CylinderBody Biểu thức quan hệ thông số: AngularAy = rbstate(Angular Acceleration Z )@CylinderBody AngularVy = rbstate(Angular Velocity Z )@CylinderBody FlapPos = L *0.5*0.1*(1-cos(Womega *t) ) Hypres = max(0[Pa],(997[kg m^-3]-1.185[kg m^-3])*g*(-y)) L = 5.7[m] N = 2*pi/L Power = 627.736 *AngularVy *AngularAy Womega = sqrt(g*N *tanh(N *10[m] ) ) waterIni = max(0,min(1,0.5-0.5*y/0.03[m])) - Thiết lập Solver Control Mục cần ý đến "Rigid body control" - Thiết lập "Output control" Mục bạn ý đến mục "Monitor Points and Expression", thiết lập thêm Monitor Point : Cylinder_AngularAz, Cylinder_AngularVz, PowerWz giá trị đầu cần tính tốn Chú ý đến mục Trn Results - Thiêt lập Initilisation Chú ý áp suất Hypres Fluid Settings, Volume Fraction nước biểu thức waterIni 74  Sau thiết lập xong Preprocessing, chuyển đến mục Solution, Quay trở lại môi trường Workbench, chạy Solution cách click chuột phải vào "solution" chọn edit, cửa sổ "define run" nhấn start run Hình 11: Thao tác tiến hành giải toán  Sau phần mềm chạy xong bạn ý User Point CFX-Solver Manager, muốn lấy đồ thị kết (cơng suất, gia tốc vận tốc góc) cần click chuột phải vào đồ thị, chọn save Picture, ghi lại dạng đồ thị thơng số chọn Export Plot data! 75 6.7 Kết quả: Với thơng số sóng biển: chu kỳ 5.2 s, chiều cao sóng 0.57 m thơng số hình học ống chính, kết mơ đạt sau: Vận tốc trung bình: 0.28 rad/s Gia tốc trung bình: 0.9 rad/s Cơng suất hấp thụ: 100 W Hình 12: Đồ thị vận tốc 76 Hình 13: - Đồ thị gia tốc theo thời gian 77 Hình 14 Đồ thị cơng suất Hình 15: Kết mơ chuyển động mơ hình 78 CHƯƠNG KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận Đề tài tổng quan trạng nghiên cứu thiết bị tạo lượng từ sóng biển Tìm hiểu mơ hình thiết bị nghiên cứu mạnh mẽ thiết bị Pelamis, phương pháp chuyển đổi thủy lực phương pháp điều khiển pha kiểu Latching Sử dụng phần mềm Ansys CFX 14, tác giả muốn nêu mộ cách tiếp cận phương pháp số để dự đoán khả hấp thụ lượng thiết bị khơng phải tốn nhiều chi phí cho việc chế tạo thử nghiệm mơ hình 7.2 Hướng phát triển đề tài Trong thời gian tới có điều kiện nghiên cứu sâu thiết bị Sẽ tiến hành chế tạo mơ hình thực nghiệm, hồn thiện việc tính tốn sơ đồ điều khiển chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất thiết bị 79 - Tài liệu tham khảo [1] Tập thể giảng viên Bộ mô Cơ lưu chất Trường ĐH BK TP HCM, Giáo trình Cơ lưu chất [2] Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Cơng Điền, Năng lượng sóng biển khu vực biển đông vùng biển Việt Nam , Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ [3] Tiềm năng lượng sóng khu vực quần đảo Trường Sa, Trang Web Viện khoa học công nghệ Việt Nam [4] Dư Văn Toán nnk, 2007 “Năng lượng biển: tiềm năng, cơng nghệ, sách” TT HNKH quốc gia 300 tr [5] Nguyễn Ngọc Phương, Huỳnh Nguyễn Hoàng, Hệ thống điều khiển thủy lực, Tái lần thứ 2, NXB Giáo Dục [6] B Drew ,A R Plummer, and M N Sahinkaya, A review of wave energy converter technology, Department of Mechanical Engineering, University of Bath, Bath, UK, 2009 [7] Mirko Previsic, System level design, performance and costs for San Francisco California Pelamis offshore wave power plant, E2I EPRI Global-006A-SF, 2004 [8] E Book, Full-Scale WECs, Springer [9] E Book, Power Take-Off Systems, Springer [10] Ross Henderson, 2006, Design, simulation, and testing of a novel hydraulic power take-off system for the Pelamis wave energy converter, Science Direct, Renewable Energy 31 (2006) 271–283 [11] Kui Ming Li , Nanjundan Parthasaraty, Young Kyu Park, Yoon Hwan Choi, Yeon Won Lee, The effect of motion of two floater bodies for optimization of wave energy generation system in ocean, The 11th Asian International Conference on Fluid Machinery and The 3rd Fluid Power Technology Exhibition, November 21-23, 2011, IIT Madras, Chennai, India [12] Kui Ming Li , Nanjundan Parthasaraty, Young Kyu Park, Yoon Hwan Choi, Yeon Won Lee, Study on energy absorption of a floater in regular waves by CFD, Internet 80 [13] Ansys CFX Workshop, 6-DOF Rigid Body Solver, Internet [14] Ansys CFX Workshop, Rigid Body FSI of a Moored Vessel, Internet [15] Dr PK Dyson, Sep 2004, Computational Fluid Dynamics Course Notes, Internet [16] ANSYS 14.0 Help [17] http://www.pelamiswave.com/ [18] http://www.wikipedia.org/ 81 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: LÝ THÁI BÌNH Ngày, tháng, năm sinh: 09.12.1985 Nơi sinh: Đồng Nai Địa liên lạc: 58/36 Tân Lập 1, Phường Hiệp Phú, Quận 9, Tp HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2003-2008: Sinh viên Đại học, Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Năm 2009-2013: Học viên Cao học, Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC Năm 2008-2013: Kỹ Sư Thiết kế, Cơng ty TNHH HLS Việt Nam, 1531-1532 Đường Vành Đai Đông, Phường An Phú – An Khánh, Quận 2, Tp.HCM ... TÀI: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN SẢN XUẤT ĐIỆN DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI THỦY LỰC” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Tìm hiểu thiết bị sản xuất điện dùng lượng sóng biển. .. hiểu chuyển đổi thủy lực dùng thiết bị sử dụng lượng sóng biển sản xuất điện • Tổng quan thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển sử dụng chuyển đổi thủy lực - Pelamis • Thiết kế mơ hình 1/7 thiết bị. .. nguồn lượng thay nguồn lượng truyền thống, tác giả tiến hành nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế mô thiết bị sử dụng lượng sóng biển sản xuất điện dùng chuyển đổi thủy lực? ?? 11 1.2 Mục tiêu nghiên