Nghiên cứu phương pháp thu năng lượng sóng biển bằng hệ hấp thu tuyến tính

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA NGHIÊN C N NG SÓNG BI N B NG H H P THU TUY N TÍNH LU N ÁN TI TP H CHÍ MINH - I H C QU C GIA TP HCM I H C BÁCH KHOA NGHIÊN C NG SÓNG BI N B NG H H P THU TUY N TÍNH Chuyên ngành: K thu Mã s chuyên ngành: 62520103 Ph n bi c l p: PGS.TS Nguy n Ng Ph n bi c l p: PGS.TS Ngô Quang Hi u Ph n bi ng Sâm Ph n bi n: PGS.TS Lê Th Truy n Ph n bi NG D N: PGS.TS Tr c Thanh L iB Thu t Xây D i H c Bách Khoa t, Khoa K i h c Qu c gia TP.HCM Tôi xin u c a b n thân tác gi Các k t qu nghiên c u k t lu n lu n án trung th c, không chép t b t k m t ngu n i b t k hình th c Vi c tham kh o ngu n tài li d n ghi ngu n tài li u tham kh Ngày / nh /2021 Tác gi lu n án Ch ký i c th c hi n trích TĨM T T LU N ÁN Hi n nay, th gi i vi c s d gây ô nhi ng hóa th ch làm phát sinh khí th i CO2 ng, hi u ng nhà kính làm nh h ng tiêu c ng s ng c a chúng ta, nhu c u phát tri n c a kinh t làm ngu ngày c n ki t Vì v y, vi c tìm ngu n ng b n v ng thay th v ng tái t o có th ng tái t o khơng gây nhi m c p bách M t nh ng ngu ng sóng bi n (NLSB) sóng bi n khác t i t mc ng gi i, nên thi t b vùng bi n khác M c tiêu c a lu n án nghiên c ng sóng bi n b ng h h p thu n tính cho vùng bi n Vi t Nam Trong u chuy ng t nh ti n ng dây ng h p thu chuy n sau khai thác s c tích tr vào b K t qu th c nghi m cho th y hi u qu c a h th ra, lu u Ngoài bi n pháp nâng cao hi u su t khai thác NLSB d ki n ràng bu c c th gi i pháp công ngh iv vùng bi n Vi t Nam u ng l c h c c a h th c hi n bi n pháp nâng cao hi u su t khai thác NLSB th c t Cu i lu ng sóng phù h i xu ng h th cung c n cho tàu khai thác th y s n n y u t th y tri u ii ABSTRACT Currently, in the world, the usage of fossil energy generates CO2 emissions causing environmental pollution and the greenhouse effect which negatively affect our living environment, due to the development needs of the economy This energy source is increasingly exhausted Therefore, finding renewable and sustainable alternative energy sources that not pollute the environment is urgent One of the renewable energy sources we can use is wave energy The characteristics of ocean wave energy are different in different parts of the world, so the mining equipment is also different in different seas The objective of the thesis is to study the method of exploiting ocean wave energy with a linear generator for Vietnam's seas In this method, permanent magnets move in a translational way in the wire to absorb and convert wave energy into electricity The electric energy, after being exploited, will be stored into super capacitors The experimental results show the effectiveness of the system under study In addition, the thesis also proposes measures to improve the efficiency of exploiting ocean wave energy based on specific binding conditions for the kinetic equation of the energy-collecting buoy system, then propose technology solutions to take measures to improve efficiency when exploiting the actual offshore wave energy Finally, the thesis also proposes a suitable wave energy exploitation system to supply electric energy for fishing ships in Vietnam's seas iii L Trong su t trình h c t p, nghiên c u hoàn thi n lu cs ng d quý báu c a th y cô, anh, ch , em, b ng nghi p Tôi xin g i l i c i PGS.TS Tr i Th y kính m viên t o m n u ki n thu n l i cho nghiên c u, h c t p ng d n, ch b ng iH Khí, B Mơn Ch T o Máy c i H c Bách Khoa Thành Ph H Chí Minh u ki n thu n l i tơi q trình h c t p, nghiên c u hoàn thi n lu n án Xin g i l i c n b u Xin c hoàn thành lu n án Tôi xin chân tr ng c om ng ng nghi p th y cô B ng d n tơi q trình th c hi n lu n án a, m , em, v hai cô gái yêu quý bên tôi, h t yêu, quan tâm, s chia, ng h ng viên tinh th n, tình c m, giúp tơi có ngh l hoàn thành quy n lu n án iv t M CL C DANH M C CÁC HÌNH NH ix DANH M C B NG BI U xiii DANH M C CÁC T VI T T T xiv T NG QUAN V NG SÓNG BI N B NG H H P THU TUY N TÍNH ng sóng bi n th c tr ng khai thác ngu ng sóng bi n th gi i 1.1.1 ng sóng bi n 1.1.2 S ng v 1.2.1 1.2.2 Thơng s hình h c c a sóng bi n Vi t Nam .7 .9 1.3.1 d ng h n tính 1.3.2 d ng h không n tính .10 1.3.3 So sánh h thu NLSB dùng h n tính khơng n tính 12 1.3.4 Các nghiên c 1.3.5 Tình hình nghiên c u 1.3.6 Nh ng n i dung m i c n nghiên c u gi i quy t 26 c v h th ng thu NLSB n tính 13 Vi t Nam v khai thác NLSB 24 nh nhi m v nghiên c u 27 1.4.1 M c tiêu c tài nghiên c u 27 v 1.4.2 ng ph m vi nghiên c u 28 1.4.3 i dung nghiên c u 28 1.4.4 c th c ti n c a lu n án .28 B c c c a lu n án 29 K t lu 30 LÝ THUY T VÀ MÔ PH NG HI U SU T THU H I C A H TUY N TÍNH 32 lý thuy t v NLSB 32 2.1.1 m ct iv nh Sine 33 2.1.2 ng sóng 34 2.1.3 ng sóng 35 2.1.4 Cơng su t sóng: 35 c 36 2.2.1 Xây d 2.2.2 Mô ph ng ho K t lu ng l c h c c a h ng c a h c nghiên c u 36 ng 42 43 44 44 44 3.2.1 45 vi Xây d ng h th ng kênh t o sóng 49 Ch t o h ng n tính ph c v thí nghi m 56 3.4.1 Ch t o phao c u 56 3.4.2 Xây d ng b ph n chuy n .56 3.4.3 57 K t lu 59 NG V 60 Th c nghi m thu NLSB c a h th ng thu n tính 60 u su K t lu ng c a h th ng thu n tính 64 65 NGHIÊN C U GI I PHÁP NÂNG CAO HI U SU T THU H I N NG T SÓNG BI N 66 Xây d ng ràng bu Xây d ng bi c NL sóng t t s gi dao 66 ng c a sóng: 69 Tính tốn, mơ ph ng h phao 70 5.3.1 ng h p th 5.3.2 ng h p h phao b t k : 71 5.3.3 5.3.4 Hi u su u ki n: 70 c 74 ng h p h phao có c u ki n .75 Thí nghi m ki m ch ng hi u qu 76 vii 343 150 22 110,32 2,07 344 150 24 133,39 1,87 345 150 26 83,77 1,72 346 150 28 88,41 1,62 347 150 30 120,78 1,50 348 150 32 138,19 1,40 349 150 34 155,35 1,32 350 150 36 141,38 1,25 351 150 38 131,13 1,18 352 150 40 135,10 1,11 353 150 42 134,65 1,07 354 150 44 130,93 1,02 355 150 46 145,77 0,97 356 150 48 149,33 0,94 357 150 50 180,49 0,90 358 150 52 190,53 0,86 359 150 54 202,54 0,83 360 150 56 199,11 0,80 361 155 15 81,57 3,00 362 155 17,5 40,55 2,61 363 155 20 47,22 2,22 364 155 22 111,92 2,07 365 155 24 131,42 1,87 366 155 26 81,15 1,71 367 155 28 88,36 1,62 368 155 30 120,92 1,50 369 155 32 135,43 1,39 370 155 34 161,95 1,31 371 155 36 161,38 1,31 106 48,339 63,818 23,049 24,312 42,014 51,065 60,809 47,846 38,874 38,791 37,225 33,427 39,395 40,242 55,906 59,589 65,324 60,761 38,221 8,221 9,481 49,565 61,914 21,586 24,174 41,994 48,973 65,785 65,330 372 155 38 141,78 1,17 373 155 40 139,19 1,11 374 155 42 140,97 1,07 375 155 44 135,36 1,02 376 155 46 147,79 0,96 377 155 48 149,43 0,94 378 155 50 180,02 0,89 379 155 52 193,91 0,86 380 155 54 205,11 0,83 381 155 56 201,99 0,80 (Ghi chú: ô màu vàng s li 45,214 41,295 40,718 35,643 40,303 40,067 55,499 61,866 67,093 62,379 ng d ng v i thơng s sóng bi n th c t Phan Thi t, ô màu xanh giá tr trung bình c a màu vàng) 107 Ph l c 2: Mơ ph ng kênh t o sóng Tác gi s d ng ph n m mô ph ng kênh t o sóng a Gi i thi u ph n m m mô ph ng Ansys c thành l i John Swanson Ansys phát tri n d a phân tích ph n t h u h cs d mô ph ng v k thu t Ph n m m t o mơ hình máy tính mơ ph ng c u trúc, mơ ph ng ng su phân b nhi i nt ng ch t l m t mơ hình máy tính ho c n làm mơ hình th d i, cs d mô ph ng cách ng v i thông s k thu t khác nhau, mà không th nghi m ho c ti n hành th nghi m va ch m th c t nh m ti t ki m chi phí mơ ph ng tác gi dùng module CFX Ansys mơ ph ng kênh sóng Ansys CFX Trong Ansys CFX s d chuy oc ng c o tồn kh c ch t l n mơ t nh lu t Newton, ng; - stokes T - Newton, mô ph ng cho ch t l ng ng: (2.1) t (m/s), p áp su t (N/m2), g gia t c tr nt nh t ng h c (pa.s), t th i gian (s), ng (m/s2), vector Laplacian d Mơ hình r i k-epsilon (kMơ hình r i k- t mơ hình r i ph bi n nh mơ t dịng ch y r nh ng r ch y r i xác 108 nh qui mơ r i Mơ hình phù h p v i gradient áp su t nh , nên phù h p v i kênh t o sóng có s thích h i áp su t khơng nhi u (kho ng 3.9 Kpa) mơ hình khơng gi i tốn có s Mơ hình r i k- i áp su t l xác q trình v n t dịng r n s m t mát ma sát nh t, m giá qua h s ng (k) t h nh cao h i t d dàng có d v i nhi u dòng ch i - y r i k: (2.2) Tiêu tán r (2.3) th hi n t l bi n d ng, th hi nh t xoáy: (2.4) V i h s hi u ch nh c áp d nh v trí c a m s d (2.5) l th tích c a ch t l ng, v i x giá tr c a hi u s ,m c b m t c a mơ hình u mi n ch t l q ph n th tích c ng v c Nh i ch cx p t lý c a hàm c chi m ch b c Các giá tr b ng c a hàm q c, giá tr c i khơng ch a i có giá tr c a hàm q n m kho ng t 109 n ph i ch a b m t c - khí (hay m t t y, a hàm q ta có th , vi n th ng c nh b i d a vào thông tin c a c tính l i hay ti n tri n thơng qua vi c bi theo th c phân b c: cx px b hàmcVOF 2: B m t t m n u bi c v trí c a m m t t ti n tri n s bao g c 1: M t t m i th i c a hàm VOF ng v n t c c thi t l p mô ph ng c 1: Th c hi n xây d ng mơ hình 3D c a kênh t o sóng có kích th c (hình 2.1 c gi m th c co h p i b dày ch cịn 10mm (chi u dày th i Hình 2.1 Xây d ng mơ hình 3D cho kênh t mô ph ng c 2: Ta ti n hành chia mơ hình thành nhi u ph n t nh i i vng kích c 50250 ph n t c 3: Thi t l u ki u ki n h n ch c a cm i 2cm, sau chia i u, ng c ng h p hai phase, phase phase khí (air), gán tính ch t v t lý c a khơng khí vào pha này, pha ch t khí 25oC, có kh nhi (water liquid) nhi 25oC, có kh ng riêng 1.185kg/m3 ng riêng 997 kg/m3 ch t v t lý c 110 c ta gán tính u ki n biên cho mô ph ng: v t chuy ng (wall) ng t nh ti ng v i chu k 0.1m v n t c 0.2m/s b ng ngôn ng bi u th c CEL (Expression Language) CFX (hình 2.3) Hai bên thành kênh i x ng (symmetry) nh m gi m t gi thành b v u ki n biên l m c ti p xúc v i khí tr i, chi u cao m c 5: Thi t l p ph ng c ma sát nh Phía c 0.9 mét tính t ng cho mơ ph ng: Trong q trình thi t l p mô ph ng dùng ngôn ng bi u th t l th im nt cl cài giá tr nh v i m nh t 1, có c l i bên m n t ch c th c y b m t t s gi i thu t cho t l c c, khí kênh mơ ph Hình 2.2 Nêm t gi i thu t cho t l t cho chuy ng là: ng t nh ti ydis= Asin(n.t) 111 c, khí ng v i (2.6) i the v nt ng, n c th i gian mô ph ng Các thông s u: xác l p v n t thoáng ti p xúc v i khí tr i u b ng khơng, b m t Openning Openning Wall Symmetry Hình 2.3 i u ki n biên cho mơ ph ng kênh t o sóng c 6: Ti n hành cho máy ch y tính tốn mơ ph ng, q trình có th m t vài gi l nc dùng ch y mô ph m nh c a máy tính (máy ng h p máy I7, ram 16 Gb) c 7: Phân tích x lý k t qu sau tính toán, c n thi t cho nghiên c u c a (v n t c, áp su rút nh ng k t qu cao m c t ng v g K t qu mô ph ng ng c c thi t l p 0.1m ng v i t n s ng c a nêm c k t qu mô ph ng v i chi u cao sóng 0.144m, chu k sóng i Hình 2.4 K t qu mơ ph ng T hình 2.4 ta truy xu c s li u k t qu mô ph 112 i B ng 2.1 S li u k t qu mô ph ng T m1 mét) m2 m3 m4 X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z -6.953 0.855 0.005 -7.8 0.995 0.005 -8.754 0.852 0.005 -9.63 0.005 mô ph ng tác gi có th ng c ng c a hình nêm t n s có thơng s sóng khác 113 Ph l Thí ng n p t n e=100, w =26 vòng/phút e=100, w =30 vòng/phút e=100, w =34 vòng/phút STT (J) (J) (J) 0,430 0,924 0,527 1,391 0,447 0,999 0,537 1,443 0,352 0,618 0,447 0,999 0,430 0,924 0,527 1,391 0,447 0,999 0,430 0,924 0,527 1,391 0,596 1,775 0,430 0,924 0,703 2,473 0,596 1,775 0,537 1,443 0,527 1,391 0,894 3,994 0,430 0,924 0,703 2,473 0,596 1,775 0,430 0,924 0,527 1,391 0,745 2,774 0,430 0,924 0,703 2,473 0,745 2,774 10 0,430 0,924 0,703 2,473 0,894 3,994 11 0,430 0,924 0,879 3,864 1,192 7,101 12 0,430 0,924 0,703 2,473 0,745 2,774 13 0,430 0,924 0,703 2,473 0,894 3,994 14 0,430 0,924 0,879 3,864 0,894 3,994 15 0,430 0,924 1,055 5,565 1,043 5,436 16 0,430 0,924 0,879 3,864 1,192 7,101 17 0,430 0,924 0,879 3,864 1,192 7,101 114 18 0,537 1,443 0,703 2,473 1,341 8,987 19 0,322 0,520 0,879 3,864 1,192 7,101 20 0,537 1,443 0,879 3,864 1,192 7,101 21 0,430 0,924 1,055 5,565 1,192 7,101 22 0,537 1,443 0,879 3,864 1,341 8,987 23 0,537 1,443 1,231 7,574 1,490 11,095 24 0,430 0,924 1,055 5,565 1,341 8,987 25 0,537 1,443 1,231 7,574 1,490 11,095 26 0,537 1,443 1,231 7,574 1,490 11,095 27 0,537 1,443 1,231 7,574 1,788 15,977 28 0,430 0,924 1,055 5,565 1,937 18,750 29 0,537 1,443 1,231 7,574 1,639 13,425 30 0,752 2,829 1,231 7,574 1,639 13,425 31 0,430 0,924 1,231 7,574 1,639 13,425 32 0,645 2,078 1,407 9,893 1,639 13,425 33 0,537 1,443 1,407 9,893 1,937 18,750 34 0,537 1,443 1,407 9,893 1,788 15,977 35 0,645 2,078 1,582 12,520 1,937 18,750 36 0,537 1,443 1,407 9,893 1,937 18,750 37 0,645 2,078 1,407 9,893 1,937 18,750 38 0,752 2,829 1,407 9,893 2,085 21,746 115 39 0,752 2,829 1,407 9,893 2,085 21,746 40 0,860 3,694 1,582 12,520 2,234 24,963 41 0,645 2,078 1,582 12,520 2,234 24,963 42 0,752 2,829 1,582 12,520 2,234 24,963 43 0,752 2,829 1,582 12,520 2,234 24,963 44 0,967 4,676 1,758 15,457 2,234 24,963 45 0,752 2,829 1,582 12,520 2,681 35,947 46 0,752 2,829 1,758 15,457 2,383 28,403 47 0,967 4,676 1,758 15,457 2,383 28,403 48 0,752 2,829 1,758 15,457 2,383 28,403 49 0,860 3,694 1,758 15,457 2,532 32,064 50 0,752 2,829 1,758 15,457 2,681 35,947 51 0,860 3,694 1,758 15,457 2,532 32,064 52 0,860 3,694 1,934 18,703 2,681 35,947 53 0,860 3,694 1,758 15,457 2,681 35,947 54 0,860 3,694 1,934 18,703 2,681 35,947 55 0,752 2,829 1,934 18,703 2,830 40,052 56 0,860 3,694 1,934 18,703 2,830 40,052 57 0,860 3,694 2,110 22,258 2,979 44,379 58 0,860 3,694 1,934 18,703 2,830 40,052 59 0,967 4,676 2,110 22,258 2,830 40,052 116 60 0,860 3,694 2,110 22,258 2,979 44,379 61 1,074 5,773 2,110 22,258 2,979 44,379 62 1,289 8,312 2,110 22,258 3,426 58,692 63 1,074 5,773 2,110 22,258 3,128 48,928 64 1,182 6,985 2,286 26,122 3,128 48,928 65 0,967 4,676 2,110 22,258 3,128 48,928 66 1,074 5,773 2,286 26,122 3,277 53,699 67 0,967 4,676 2,286 26,122 3,575 63,906 68 1,074 5,773 2,286 26,122 3,277 53,699 69 1,074 5,773 2,462 30,296 3,575 63,906 70 1,074 5,773 2,286 26,122 3,426 58,692 71 1,289 8,312 2,286 26,122 3,426 58,692 72 1,074 5,773 2,462 30,296 3,426 58,692 73 1,182 6,985 2,462 30,296 3,575 63,906 74 1,074 5,773 2,462 30,296 3,873 75,001 75 1,074 5,773 2,462 30,296 3,724 69,343 76 1,182 6,985 2,462 30,296 3,724 69,343 77 1,074 5,773 2,462 30,296 3,724 69,343 78 1,289 8,312 2,462 30,296 4,022 80,882 79 1,182 6,985 2,637 34,778 3,873 75,001 80 1,289 8,312 2,637 34,778 3,873 75,001 117 81 1,289 8,312 2,637 34,778 3,873 75,001 82 1,182 6,985 2,637 34,778 4,022 80,882 83 1,289 8,312 2,637 34,778 3,873 75,001 84 1,182 6,985 2,637 34,778 4,171 86,984 85 1,289 8,312 2,813 39,570 4,022 80,882 86 1,289 8,312 2,637 34,778 4,171 86,984 87 1,289 8,312 2,813 39,570 4,171 86,984 88 1,289 8,312 2,813 39,570 4,171 86,984 89 1,289 8,312 2,813 39,570 4,171 86,984 90 1,289 8,312 2,813 39,570 4,320 93,308 91 1,397 9,756 2,813 39,570 4,469 99,854 92 1,397 9,756 2,989 44,671 4,171 86,984 93 1,397 9,756 2,813 39,570 4,469 99,854 94 1,397 9,756 2,989 44,671 4,469 99,854 95 1,397 9,756 2,989 44,671 4,469 99,854 96 1,397 9,756 2,989 44,671 4,767 113,611 97 1,504 11,314 2,989 44,671 4,618 106,622 98 1,397 9,756 2,989 44,671 4,618 106,622 99 1,397 9,756 2,989 44,671 4,618 106,622 100 1,504 11,314 3,165 50,081 4,618 106,622 101 1,397 9,756 3,165 50,081 4,767 113,611 118 102 1,504 11,314 3,165 50,081 4,767 113,611 103 1,504 11,314 3,165 50,081 4,916 120,823 104 1,504 11,314 3,165 50,081 4,767 113,611 105 1,397 9,756 3,165 50,081 4,916 120,823 106 1,504 11,314 3,504 61,389 4,916 120,823 107 1,612 12,988 3,341 55,800 5,065 128,257 108 1,504 11,314 3,341 55,800 5,363 143,789 109 1,504 11,314 3,341 55,800 5,065 128,257 110 1,612 12,988 3,341 55,800 5,214 135,912 111 1,504 11,314 3,341 55,800 5,065 128,257 112 1,612 12,988 3,341 55,800 5,363 143,789 113 1,612 12,988 3,516 61,828 5,512 151,889 114 1,504 11,314 3,341 55,800 5,363 143,789 115 1,612 12,988 3,341 55,800 5,363 143,789 116 1,719 14,778 3,516 61,828 5,363 143,789 117 1,719 14,778 3,516 61,828 5,363 143,789 118 1,612 12,988 3,516 61,828 5,512 151,889 119 1,719 14,778 3,516 61,828 5,512 151,889 120 1,719 14,778 3,516 61,828 5,512 151,889 121 1,719 14,778 3,516 61,828 5,512 151,889 122 1,719 14,778 3,516 61,828 5,661 160,210 119 123 1,719 14,778 3,516 61,828 5,661 160,210 124 1,719 14,778 3,692 68,166 5,810 168,753 1,827 16,683 3,516 61,828 6,256 195,713 125 120 ... V 60 Th c nghi m thu NLSB c a h th ng thu n tính 60 u su K t lu ng c a h th ng thu n tính 64 65 NGHIÊN C U GI I PHÁP NÂNG CAO HI U SU T THU H I N NG T SÓNG BI N 66... a sóng bi n Vi t Nam .7 .9 1.3.1 d ng h n tính 1.3.2 d ng h khơng n tính .10 1.3.3 So sánh h thu NLSB dùng h n tính khơng n tính 12 1.3.4 Các nghiên c 1.3.5 Tình hình nghiên. .. phịng thí nghi m, làm thí nghi n u su ng Nghiên c u gi i pháp nâng cao hi u su t thu h tác gi ng t sóng bi n gi i pháp k thu t nâng cao hi u su t thu h sóng bi n b ng vi c xây d ng ràng bu c phù