(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu hệ thống phát điện dùng năng lượng sóng biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HOÀNG CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HOÀNG CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP Hồ Chí Minh, tháng 09/2015 ii LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: PHẠM HOÀNG CHƢƠNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1987 Nơi sinh: Bình Định Q qn: Hồi Sơn, Hồi Nhơn, Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Dĩ An, Bình Dƣơng Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0985252344 Fax: E-mail: hchuong87@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/… đến ……/…… Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 7/2011 Nơi học: Trƣờng ĐH Kỹ thuật công nghệ HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho xƣởng dệt Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 7/2011- Trƣờng ĐH Kỹ thuật công nghệ HCM Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Phan Thị Thu Vân III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống phát điện dùng lượng sóng biển” cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015 Học viên thực Phạm Hoàng Chương iv LỜI CẢM TẠ Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Phương tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện cho hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật giảng dạy truyền đạt kiến thức cho thời gian học tập Cuối cùng, xin cảm ơn người thân bạn bè đồng nghiệp động viên giúp đỡ để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng chắn luận văn cịn nhiều thiếu sót hạn chế định Kính mong nhận ý kiến đóng góp, phê bình q thầy bạn bè ,đồng nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015 Học viên thực Phạm Hồng Chương v TĨM TẮT CƠNG NGHỆ CHUYỂN ĐỐI NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN PLAMIS Tóm tắt – Cơng nghệ chuyển đổi lượng sóng biển cơng nghệ hình thành từ thập niên 70, nhiên chưa xem hồn tồn nguồn lượng công nghiệp.Luận văn nghiên cứu lý thuyết khác công nghệ chuyển đổi lượng sóng biển với đầy đủ kiểu chủng loại Thiết bị chuyển đồi lượng sóng biển phân loại sau: + Thiết bị chuyển đổi lượng thông qua dao động cột nước + Thiết bị chuyển đổi lượng sóng biến ngập hoàn toàn nước +Thiết bị chuyển đổi lượng dao động thân máy Bộ chuyển đổi lượng sóng biển Pelamis khái niệm có tính chất đổi việc khai thác lượng từ sóng biển chuyển đổi thành sản phẩm hữu ích điện, áp suất thủy lực trực tiếp nước uống Hệ thống có phần chìm ngập nước biển, thiết bị có dạng hình trụ gồm nhiều đoạn ống nối với khớp nối Pittong thủy lực lấy lực đẩy từ đoạn ống bơm chất lỏng áp suất cao vào bình chứa sau nước đẩy qua làm quay tubin máy phát điện tạo điện Năng lượng từ tất khớp đưa vào đường cáp rốn đơn đến điểm nút đáy biển Các thiết bị kết nối với liên kết với bờ thông qua cáp đáy biển Pelamis thiết kế để neo đậu mực nước sâu khoảng 50 – 70m ( cách bờ khoảng – km), nơi có mức lượng cao Một Pelamis hồn chỉnh neo đậu cho đu đưa đề nhận sóng đến bắt đầu q trình chuyển hóa cúa tới từ đỉnh sóng liên tiếp kéo dài miên man sau Tứ khóa – Pelamis, cơng nghệ chuyển đổi lượng sóng biển, lượng tái tạo PELAMIS WAVE ENERGY CONVERTER Abstract – Wave Power is a technology that was founded in the 70’s, but which still not has reached full industrial recognition as a energy source In this thesis there is a vi literature study on different concepts of Wave Energy Converters(WEC) which has been build in full scale, and there is a great variety in the concepts Wave energy converter devices can be classified in numerous ways: + Oscillating water column devices + Overtopping devices + Oscillating bodies, or wave activated devices The Pelamis Wave Energy Converter is an innovative new concept for extracting energy from ocean waves and converting it into a useful product such as electricity, direct hydraulic pressure or potable water The system is a semi-submerged, articulated structure composed of cylindrical sections linked by hinged joints The wave-induced motion of these joints is resisted by hydraulic rams that pump high-pressure oil through hydraulic motors via smoothing accumulators The hydraulic motors drive electrical generators to produce electricity Power from all the joints is fed down a single umbilical cable to a junction on the sea bed Several devices can be connected together and linked to shore through a single seabed cable The Pelamis is designed to be moored in waters approximately 50-70m (typically 510km from shore) where the high energy levels found in deep swell waves can be accessed The complete machine is flexibly moored so as to swing head-on to the incoming waves and derives its 'reference' from spanning successive wave crests Keywords – Pelamis, Wave Energy Converter, Renewable Energy vii MỤC LỤC TRANG Trang tựa i Lý lịch cá nhân ii Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt xi Danh sách bảng xi Danh sách hình xii MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.1.1 Một số dự án nhà máy điện sóng biển ngồi nước 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2 Mục đích đề tài Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Lý thuyết trường sóng vùng biển sâu ven bờ 10 2.1.1 Dạng sóng biển 10 2.1.2 Phân loại sóng biển 11 2.1.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân, tượng 12 2.1.2.2 Phân loại sóng theo độ cao 12 viii 2.1.2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh 12 2.1.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số độ cao, độ dài độ sâu -số Ursel (Ur) 13 2.2 Các lý thuyết mơ mặt biển có sóng: 13 2.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính 13 2.2.2 Lý thuyết sóng có biên độ hữu hạn 15 2.2.2.1 Lý thuyết sóng ngắn 15 2.2.2.2 Lý thuyết sóng dài 16 2.2.3 Lý thuyết sóng solitary 17 2.2.4 Lý thuyết sóng cnoidal 20 2.3 Năng lượng sóng: 22 2.3.1 Cơ sở lý thuyết lượng sóng, mật độ lượng sóng 22 2.3.2 Thơng lượng lượng sóng 23 Chương PHÂN TÍCH CÁC CƠNG NGHỆ TRÊN THẾ GIỚI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 26 3.1 Các vấn đề cần giải 26 3.2 Nguyên lý chuyển đồi lượng sóng biển thành điện hữu nhà máy điện xây dựng giới 26 3.2.1 Các cơng nghệ chuyển đồi lượng sóng giới 26 3.2.1.1 Nguyên lý sử dụng dao động sóng biển để tạo dao động hệ phao 26 3.2.1.2 Nguyên lý biến đổi điện để tạo điện 27 3.2.1.3 Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động thuỷ lực để biến đổi điện cách tạo áp suất khơng khí 28 ix 3.2.1.4 Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động lắc có sơng suất lớn biến đổi lượng sóng sang - điện 30 3.2.1.5 Nguyên lý tạo điện từ sóng với cơng suất nhỏ qua tua bin thủy lực 31 3.2.1.6 Nguyên lý tạo điện guồng quay 31 3.2.1.7 Phương pháp tích tụ lượng sóng biển để chuyển sang điện với công suất lớn 32 3.2.2 Các kiểu nhà máy điện xây dựng thực tế 33 3.2.2.1 Nhà máy điện Pelamis 33 3.2.2.2 Thiết bị chuyển đổi lượng CETO 38 3.2.2.3 Nhà máy điện Oyster 42 3.2.2.4 Nhà máy điện SDE 45 3.2.2.5 Nhà máy điện OWC 48 3.3 Đánh giá tiềm năng lượng sóng biển Việt Nam 52 3.3.1 Đánh giá thực tế từ nghiên cứu 59 3.3.2 Chọn lựa công nghệ ứng dụng Việt Nam 60 3.3.3 Thiết kế hệ thống phát điện dùng cơng nghệ chuyển đổi lượng sóng biển Pelamis 61 3.3.3.1 Chọn lựa thông số thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển Pelamis 61 3.3.3.2 Phương án thi công hệ thống 62 Chương SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐÁP ỨNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN 67 4.1 Tổng quan MATLAB 67 4.1.1 Khái niệm MATLAB 67 4.1.2 Cấu trúc liệu MATLAB ứng dụng 67 Hoặc -2π /3 ≤  < - π/3 5π/3 ≤  < 2π Hoặc -π /3 ≤  < Tùy vào vị trí vector điện áp tham khảo nằm sector nào, hai vector điện áp chuẩn liền kề chọn để thực vector điện áp Để chuyển từ vector sang vector khác nên thay đổi trạng thái khóa, điều tránh đóng ngắt nhiều khóa, từ giảm tổn hao đóng ngắt đặc biệt giảm tổn hao sóng hài bậc cao tạo q trình đóng ngắt tần số cao Xét vector điện áp Vref nằm sector Hình 4.16: Vector Vref nằm sector Với V ref  V a  V b (39) Bằng cách chuyển đổi vector điện áp dạng thời gian đóng ngắt chu kỳ lấy mẫu Ts, ta thời gian thực vector V1 T1 thời gian thực vector V2 - 83 - T2 Ngoài thời gian thực V1, V2; thời gian lại (T0) biến tần thực vector V0 V7 Ts V ref  T1 V1  T2 V  T0 V0 (40) T0  Ts  T1  T2   (41) Xét riêng trạng thái V1, V2, V0, V7 ta được: Bảng 4.4: Trạng thái V1, V2, V0, V7 Vector Trạng thái đóng ngắt điện áp S1 S3 S5 V0 0 V1 0 V2 1 V7 1 Từ bảng trên,ta thấy trình tự đóng ngắt có lợi nhất: V1  V2  V7 V2  V1  V0 Điều chế độ rộng xung theo vector khơng gian thực theo bước sau: Bƣớc 1: Xác định vector điện áp đặt Vref góc  Từ hình 3.5, Vref góc  xác định sau: - 84 - β B Vs_ref Vsβ α Vsα A,α C Hình 4.17: Vector khơng gian Vs-ref Với : V s _ ref  Vs2  Vs2 (42)  Vs    t  2ft   tan 1  V  s  (43) Vs , Vs chuyển đổi từ Vsa ,b,c phép chuyển trục abc  Vs  Vsa  0.5Vsb  0.5Vsc      Vs   Vsb  Vsc     3 2  (44) Dựa vào góc  để xác định sector vector không gian điện áp Bƣớc 2: Xác định T1,T2, T0 Tính cho sector 1: - 85 - Tz T1 T1  T2 Tz 0 T1 T1  T2  V ref   V1dt   V 2dt   V0dt (45)  Ts V ref  T1 V1  T2 V (46) cos  1  cos / 3 2  Ts V ref   T1 Vdc    T2 Vdc    3 sin   0 sin  / 3  (47)  T  T s       T2  Ts   T  T s     (48) V ref sin  /    V ref  Ts sin  /    sin  / 3 Vdc Vdc V ref V ref sin    Ts sin   sin  / 3 Vdc Vdc  T1  T2  Với: n: sector (1-6) ≤ α ≤ π/3 Các sector khác tính tương tự cơng thức (48) Bƣớc 3: Xác định thời gian đóng ngắt khóa S1-S6 Thời gian đóng ngắt khóa chu kì xác định bảng sau: Bảng 4.5: Thời gian đóng ngắt khóa Sector Upper Switch (S1, S3, S5) Lower Switch (S2, S4, S6) S1 = T1 + T2 + T0/2 S4 = T0/2 S3 = T2 + T0/2 S6 = T1 + T0/2 - 86 - S5 = T0/2 S2 = T1 + T2 + T0/2 S1 = T1 + T0/2 S4 = T2 + T0/2 S3 = T1 + T2 + T0/2 S6 = T0/2 S5 = T0/2 S2 = T1 + T2 + T0/2 S1 = T0/2 S4 = T1 + T2 + T0/2 S3 = T1 + T2 + T0/2 S6 = T0/2 S5 = T2 + T0/2 S2 = T1 + T0/2 S1 = T0/2 S4 = T1 + T2 + T0/2 S3 = T1 + T0/2 S6 = T2 + T0/2 S5 = T1 + T2 + T0/2 S2 = T0/2 S1 = T2 + T0/2 S4 = T1 + T0/2 S3 = T0/2 S6 = T1 + T2 + T0/2 S5 = T1 + T2 + T0/2 S2 = T0/2 S1 = T1 + T2 + T0/2 S4 = T0/2 S3 = T0/2 S6 = T1 + T2 + T0/2 S5 = T1 + T0/2 S2 = T2 + T0/2 - 87 - Hình 4.18: Giản đồ đóng ngắt khóa 4.3.2.3 Bộ điều khiển hịa lƣới Hình 4.19: Mơ hình điều khiển hịa lưới - 88 - Bộ điều khiển hòa lưới gồm:  Bộ PLL (phase loop lock): cịn gọi vịng khóa pha, có chức phân tích điện áp xoay chiều dạng phức ( V  Vm ), với Vm giá trị biên độ điện áp,  góc pha tức thời để điều khiển Bộ PLL dùng để tính tốn góc quay θr hệ tọa độ đứng yên dq β B Us Usβ Usα=Usa A,α C Hình 4.20: Chuyển đổi hệ tọa độ quay abc sang hệ vng góc α,β Từ giá trị điện áp Va, Vb, Vc biến đổi hệ tọa độ abc sang αβ ta Vα, Vβ Từ tính tốn góc điện áp θr số điều chế cách lấy artan tỷ số  u s  u sa  0.5u sb  0.5u sc      u s   u sb  u sc     2   𝑉𝛽 𝑉𝛼 (49)  Bộ điều chế xung: thu nhận tín hiệu dịng điện, góc pha ngõ để điều khiển xung phát đến nghịch lưu 4.3.2.4 Bộ điều chế độ rộng xung PWM - 89 - Bộ điều chế xung gồm:  Bộ biến đổi trục tọa độ abc sang dq: biến đổi giá trị xoay chiều dòng điện ba pha abc sang hệ tọa độ dq, lúc dòng điện giá trị chiều ta dễ dàng điều khiển  Bộ điều khiển vịng kín PI: điều khiển giá trị biên độ dòng điện hòa lưới, với giá trị đặt giá trị mong muốn Vì áp lưới coi khơng thay đổi nhiều, ta cài đặt dòng điện I d _ ref  P   I d _ ref U   I d _ ref  Bộ biến đổi trục tọa độ dq sang abc: biến đổi giá trị xoay chiều dòng điện hệ tọa độ dq sang ba pha abc để cấp cho cho điều chế xung  SVPWM: điều chế xung vector không gian, nhận điện áp yêu cầu Vabc tính tốn điều chế độ rộng xung tương ứng Hình 4.21: Mơ hình điều chế độ rộng xung PWM 4.3.3 Kết mô - 90 - Chúng ta khảo sát mơ hình hệ thống mơ thơng qua cơng cụ matlab để có số liệu cụ thể mơ hình nghiên cứu Nhà máy điện Pelamis có cơng suất 2,4 MVA hịa vào HTĐ có điện áp 220 KV Mơ hình mơ thời gian 4s, tính từ lúc khởi động hệ thống Hình 4.22: Dịng stator từ thời điểm: t = 0s đến t = 4s Hình 4.23: Quá trình độ từ thời điểm: t = 0s đến t = 0,2s - 91 - Hình 4.24: Cơng suất thực đầu máy phát Hình 4.25: Điện áp đầu hịa lưới Hình 4.26: Dịng điện đầu hòa lưới - 92 - Chƣơng : KẾT LUẬN Mơ hình lượng sóng biển Pelamis mơ hình nhà máy điện có cơng suất nhỏ thuộc diện lượng tái tạo, nguồn lượng mà giới tiến hành phát triển để thay nguồn lượng truyền thống : thủy điện, than đá, dầu mỏ thấy vấn đề quan tâm + Trong nghiên cứu tơi phần lượng sóng biển giải số vấn đề : - Các lý thuyết nghiên cứu , tính tốn lượng sóng biển Dựa vào để làm sở cho nghiên cứu - Một số công nghệ chuyển đổi lượng sóng biển tiên tiến phát triển giới - Đánh giá khách quan tình hình lượng sóng biển Việt Nam Mơ hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển Pelamis Matlab để nghiên cứu tính khà thi Sau nghiên cứu, sử dụng số liệu khảo sát lượng sóng biển thực tế áp dụng mơ Dựa kết đạt được, tơi thấy áp dụng cơng nghệ chuyển đổi lượng sóng biển cho khu vực miền Nam Trung Bộ + Một số hạn chế : - Mơ hình lượng sóng biển cịn có nhiều khó khăn việc đưa vào khai thác sử dụng với đất nước phát triển đất nước chúng ta, có nhu cầu sử dụng điện cao phục cho cho công hiên đại hóa đất nước lại phải có giá thành hợp lý Vì vậy, mặt tính khả thi cơng trình chuyển đồi lượng sóng biển sang lượng điện phục vụ cho phát triển đất nước không cao - 93 - - Việc thi cơng lắp đặt cơng trình kỹ thuật, nhà máy điện biển địi hỏi phài có đội ngũ thi cơng lắp đặt trình độ cao, có kinh nghiệm kiểu nhà máy điện Việc vận hành bảo dưỡng có khó khăn định so với công việc tương tự thực bờ Tuy nhiên, lượng tái tạo tương lai nhân loại nên tơi hy vọng tương lai cơng trình lượng tái tạo phát triển ứng dụng rộng rãi quê hương ta - 94 - TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1].Nguyễn Chí Cường, Nguyễn Hoàng Giang,Một số kết nghiên cứu phát triển lượng (năng lượng biển) , Trung tâm nghiên cứu thủy khí, viện khí [2].Phùng Văn Ngọc, Phạm Văn Mịch, Đặng Thế Ba, Khảo sát tính tốn số đặc tính thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển, tạp chí khoa học kĩ thuật môi trường [3].Đặng Ngọc Dinh, Hệ thống điện, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [4].Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [5].Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Cơng Điển người khác, Năng lượng sóng biển khu vực Biển Đông ven bờ biển Việt Nam, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ TIẾNG NƢỚC NGOÀI [6].B Drew, A R Plummer and M N Sahinkaya, A review of wave energy converter technology, Department ofMechanical Engineering, University of Bath, Bath, UK [7].Ocean Power Delivery Ltd, Pelamis WEC – Conclusion of primary R&D [8].Andrei Tanase Zanopol, Florin Onea, Coastal ifluence of a Pelamis wave farm operating in the nearshore of MaMaia,University of Galati, Department of Mechanical Engineering, ROMANIA [9].Richard Yemm, David Pizer, Chris Retlzer and Ross Henderson, Pelamisexperience from concept to connection, Pelamis Wave Power Ltd, 31 Bath Road, Edinburgh, UK [10].Global Energy Partners, System level design, performance and costs for San Francisco California Pelamis offshore wave power plant - 95 - [11].Leao Rodrigues, Wave power conversion systems for electrical energy production, Department of Electrical Engineering,Faculty of Science and Technology,Nova University of Lisbon - 96 - ... SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HOÀNG CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN... nhiệm iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn ? ?Nghiên cứu hệ thống phát điện dùng lượng sóng biển? ?? cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác... đặt điện chạy lượng sóng biển chưa phát triển ứng dụng rộng rãi giới ? Phải việc nghiên cứu sử dụng lượng sóng biển để chạy máy phát điện nhà khoa học giới nhiều vấn đề hay giá thành phát điện