3.3.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một hệ thống bao gồm: Phao là một thiết bị hình trụ sử dụng vật liệu sắt có đường kính 3,5m và chiều dài 30m. Các phao được kết nối với nhau thông qua một hệ thống phao bằng khớp nối, nơi cho phép biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện. Thiết bị phao này có đường kính 3,5m và chiều dài 5m.
Toàn bộ hệ thống Pelamis này được lắp đặt ngoài khơi tại vị trí có mực nước sâu. Với một nữa nổi và một nữa chìm. Hệ thống Pelamis được cố định thông qua cáp neo ởđáy biển [3.1].
Hình 3.3 Phao của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Hình 3.5 Cấu tạo bên trong của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis thành năng lượng điện
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis được mô tả như sau:
Sóng biển tạo ra dao động làm cho các phao chuyển động lên hoặc xuống theo từng cơn sóng. Chính sự chuyển động này làm cho các xilanh thủy lực bên trong module biến đổi năng lượng chuyển động và tạo ra áp lực làm quay tuabin máy phát điện và cuối cùng là tạo ra năng lượng điện.
3.3.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Hệ thống này đã được lắp đặt và khai thác tại Bồ Đồ Nha đó là hệ thống Pelamis đầu tiên trên thế giới gồm 3 Pelamis có công suất 2,25MW.
Hình 3.7 Pelamis trên biển Stromeness, Scotland
Năm 2007, Scotland đã lắp đặt 4 thiết bị Pelamis, có tổng công suất đạt 3MW.
3.4 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
3.4.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column (OWC) được xây dựng trên dải đất ven bờ bằng bê tông và có cấu trúc rỗng. Hệ thống biến đổi OWC bao gồm:
Tuabin,
Máy phát điện,
Khối bê tông rỗng.
Hình 3.9 Tuabin và máy phát trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column (OWC)
3.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column được mô tả như sau: Để thu được năng lượng từ sóng, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước.
Sóng đánh vào bờ biển, nâng cột nước bên trong trụ bê tông rỗng nằm ngang áp suất khí bên trong được tạo ra làm quay turbin máy phát điện tạo ra điện năng.
Sóng rút xa bờ, cột nước hạ xuống áp suất khí đi qua turbine theo hướng ngược lại làm quay turbin tạo ra điện năng. Các turbine này có chiều quay theo cùng một hướng chuyển động của luồng khí [3.2].
Hình 3.11 Nguyên lý hoạt động của OWC khi sóng rút xa bờ
3.4.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
Hiện nay hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column đã được lắp đặt tại một số quốc gia như Scotland, Ấn Độ, Australia, BồĐào Nha và Nhật Bản.
3.5 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
3.5.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda là hệ thống có hình dạng nhỏ và dài, hai đầu được bịt kín, không có khớp nối và bản lề. Hệ thống này được làm bằng cao su nên trọng lượng nhẹ hơn so với các bộ biến đổi năng lượng khác được làm bằng kim loại. Cấu trúc bên trong hệ thống Anaconda có gắn turbin [2.3].
Hình 3.12 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
Hình 3.13 Tuabin hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
3.5.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda Anaconda
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda được mô tả như sau:
Sóng đập vào một đầu của Anaconda tạo ra một áp lực hình thành nên sóng phình bên trong Anaconda. Đợt sóng tạo ra sóng phìn sẽ chạy dọc phần ngoài của Anaconda với cùng một tốc độ sóng phình bên trong Anaconda, vì vậy áp lực trên Anaconda ngày càng tăng làm quay turbin tạo ra điện năng.
Hình 3.14 Sóng phình chạy dọc trên hệ thống Anaconda
3.5.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda được phát minh tại Anh, Anaconda mới chỉ ở giai đoạn phát triển ban đầu. Khái niệm này chỉ được chứng minh trong quy mô phòng thí nghiệm.
3.6 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing
3.6.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing là một hệ thống có hình dạng một chiếc phao tròn có đường kính 1,52 m và chiều cao 1,52 m, nổi trên bề mặt nước phía dưới phao là một ống tròn có chiều dài 7,62 m và đường kính 6 m được làm bằng vật liệu sắt. Phía trên phao có gắn các tấm pin mặt trời, turbin gió, nhằm tạo ra nguồn điện cung cấp cho các thiết bị chẩn đoán gắn trong hệ thống [3.4].
3.6.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimede Wave Swing được mô tả như sau:
Sóng biển tạo dao động, phao chuyển động trồi lên, lặn xuống theo từng đợt sóng làm hệ thống xilanh bên trong phao chuyển động tạo ra áp lực quay tuabin máy phát điện tạo ra điện năng.
3.6.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing
Năm 2006, dự án 800 kw ở Makar Bay đã được triển khai, Wahington đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la dự án này để cung cấp điện cho 150 hộ gia đình.
3.7 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing 3.7.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing là một hệ thống bao gồm:
Một xi lanh dài 35 m và rộng 10 m. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing giống như những quả ngư lôi.
3.7.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing được mô tả như sau:
Sóng tạo dao động, sự tăng khối lượng nước làm gia tăng áp suất cột nước, phần trên hệ thống bị đẩy xuống dưới. Giữa hai đợt sóng, cột nước hạ xuống, áp suất giảm theo làm nổi lên phần trên của hệ thống. Chuyển động của xilanh tạo ra áp lực làm quay tuabin máy phát điện tạo ra điện năng [3.5].
3.7.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing
Năm 2008, công ty AWS Ocean Eneny của Scotland đã thành công khi phát minh ra hệ thống phao chìm AWS dưới đáy biển không bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu trên mặt biển.
3.8 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
3.8.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon được thiết kế là một chiếc sà lan lớn nổi trên mặt biển, có hình dáng như 2 cánh tay dang rộng.
3.8.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon hoạt động bằng cách duỗi thẳng cánh tay thu về phía con sóng đang tới. Sóng tràn qua thiết bị nâng cao sóng biển vào một bể chứa ngoài trên mực nước biển, tại bể chứa này nước chảy qua các tuabin và làm quay các tuabin để phát điện năng [2.6].
Hình 3.18 Các tuabin trên hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
3.8.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Tại Nissum Bredning, ngoài khơi bờ biển của Đan Mạch hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon đã được triển khai.
3.9 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser
3.9.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Searaser là một hệ thống bao gồm: 2 phao, một trên bề mặt nước, một dưới nước và một pít-tông thẳng đứng giữa hai phao [3.7].
Hình 3.19 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser
3.9.2 Nguyên lý họat động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser được mô tả như sau:
Sóng biển tạo dao động và hệ thống phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng của pít-tông, tạo áp suất cao để bơm nước biển lên đường ống vào một bể chứa trên bờ. Nước trên bể chứa được xả qua đường ống với áp lực cao làm quay tuabin máy phát điện tạo ra điện năng.
3.9.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser
Tại Anh, hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser được bố trí tại hơn 200 điểm trên bờđể cung cấp điện năng tiêu thụ cho các hộ gia đình.
3.10 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave oyster
3.10.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave oyster
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster là một tấm chắn sóng lớn đặt dưới biển ởđộ sâu từ 10-16m gắn với một pít-tông [3.8].
3.10.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave oyster
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave oyster được mô tả hoạt động như sau:
Một tấm chắn sóng lớn được cốđịnh dưới đáy đại dương ở độ sâu khoảng 10 m. Khi tấm chắn sóng dao động theo sóng biển, pít-tông thủy lực chuyển động đẩy mạnh luồng nước cao áp về phía bờ biển làm vận hành một tuabin tạo ra điện năng.
3.10.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave oyster
Tại Scotland, hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster đã được triển khai và ứng dụng phát điện, đạt công suất 60 GW.
3.11 Kết luận
Tiềm năng năng lượng sóng biển là rất lớn. Có nhiều phương pháp và các hệ thống khác nhau để biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng. Điều quan trọng là phải khảo sát để có dữ liệu đầy đủ về các thông số kỹ thuật của các nguồn năng lượng này. Khi ấy, sẽ làm cơ sở để phân tích lựa chọn một hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển phù hợp với điều kiện địa lý, tự nhiên trên vùng biển của mỗi quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng. Từ đó, có thể khai thác nguồn năng lượng này một cách ổn định góp phần vào việc giải quyết sự thiếu hụt năng lượng điện hiện nay.
Chương 4
HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
BIỂN CHÌM ASCHIMEDES WAVE SWING
Sóng biển và độ dao động của từng cơn sóng biển là không ổn định. Sóng biển lúc cao, lúc thấp, lúc mạnh, lúc yếu. Chu kỳ và khoảng cách giữa 2 làn sóng biển cũng khó xác định. Mực nước biển lên cao, xuống thấp theo thủy triều. Khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển thường liên tục mạnh trong nhiều ngày.
Nhưng việc tạo ra điện năng từ các bộ biến đổi năng lượng sóng biển là đòi hỏi phải ổn định, liên tục và lâu dài. Chính vì vậy, việc phân tích bộ biến đổi năng lượng sóng biển cần phải được thực hiện với các thông số kỹ thuật để từđó có thể
lựa chọn các giải pháp phục vụ cho việc điều khiển các bộ biến đổi năng lượng sóng biển hoạt động tốt đáp ứng được các điều kiện sóng biển tạo ra. Chương này sẽ thực hiện phân tích một trong các bộ biến đổi năng lượng sóng biển. Đó là bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS).
4.1 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS là một hệ thống bao gồm:
- Một khối hình trụ rỗng được lấp đầy khí, gắn cốđịnh dưới đáy biển; và - Một phao di chuyển theo chiều dọc.
Khi sóng ở trên AWS, khối lượng AWS giảm do áp lực nước cao và khi vùng lõm sóng ở trên AWS, khối lượng AWS gia tăng vì áp lực khí bên trong.
AWS là hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng duy nhất được nhấn chìm hoàn toàn.
Đây là điểm quan trọng, vì điều này làm cho hệ thống ít bị tấn công trong những cơn bão [4.1].
Hệ thống AWS sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính để
Hình 4.1Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS
4.2 Mô hình toán học cho sự chuyển động của hệ thống AWS 4.2.1 Trong điều kiện sóng dao động bình thường
v dt dx (4.1) x k v v dt dv m Fsong tot g w s (4.2) Trong đó:
x: là khoảng cách di chuyển của phao và bộ phận chuyển đổi
v: là tốc độ di chuyển của phao và bộ phận chuyển đổi
mtot: là tổng khối lượng của phao
βg: là hệ số sụt giảm của AWS w: là hệ số thủy lực của AWS
ks: là hệ sốđàn hồi của AWS
Fsong: là tổng lực tác động lên nắp có được từ sóng biển
4.2.2 Trong điều kiện sóng dao động bất thường
) sin( ) sin( 1 2 2 1 F t F t Fsóng (4.3) Thế (3.3) và (3.2), khi ấy: ) sin( ) sin( 1 2 2 1 k x F t F t dt dv mtot g w s (4.4)
4.3 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tínhtrong hệ thống AWS
4.3.1 Cấu tạo
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính có cấu tạo bao gồm: phần chuyển đổi với các nam châm được lắp vào các cực chuyển đổi. Bộ phận chuyển
đổi di chuyển tuyến tính.
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính với stator là phần tĩnh chứa các cuộn dây dẫn, cuộn dây phần ứng. Giữa bộ phận chuyển đổi và stator là khoảng trống không khí. Điện thế được cảm ứng trong các cuộn dây vì từ trường thay đổi do bộ chuyển đổi chuyển động [4.2].
Hình 4.3 Cấu tạo máy phát tuyến tính
4.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính
Hình 4.4 Các thành phần của hệ thống AWS
Khi nam châm vĩnh cửu trên bộ chuyển đổi di chuyển tương đối với stator thì một lực điện động EMF được cảm ứng trong cuộn dây phần ứng. Lực điện động EMF sẽđược tạo ra, nếu cuộn dây phần ứng được nối với tải thì sẽđiều khiển dòng
điện trong cuộn dây phần ứng. Dòng điện này lần lượt tạo ra từ thông tương tác với Phao
Bộ chuyển đổi
Lò xo Stator
Dây neo
từ thông của nam châm vĩnh cửu và tạo ra một lực trong phần chuyển đổi. Cơ năng
được điều chỉnh bởi bộ phận chuyển đổi, có thểđược chuyển đổi thành điện năng. Vì chuyển động của phao là tuyến tính, nên máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuyến tính được chọn lựa để chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện.
Sự chọn lựa này là vì máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuyến tính là máy phát có chi phí và tổn thất là thấp nhất. Bên cạnh đó, tỷ trọng và hiệu suất cao