b. Kh ảo sát khi sóng biển hụp xuống
4.4 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống AWS
- Mật độ dao động của sóng biển - Chiều dài của sóng biển
- Đường kính phao - Độ cao của sóng biển
4.4.1 Mật độ dao động của sóng biển
Mật độ dao động của sóng biển được biểu diễn như sau:
32 2 2TH g J (4.47) Trong đó: T: là chu kỳ H: là độ cao của sóng biển
: là mật độ của nước biển g: là gia tốc, J: là mật độ dao động của sóng biển 4.4.2 Chiều dài của sóng biển 2 gT Lsong (4.48) Trong đó: T: là chu kỳ g: là gia tốc
Lsong: là chiều dài của sóng biển
4.4.3 Đường kính phao Công suất của hệ thống AWS D J Pphao 50% (4.49) Trong đó: J: là mật độ dao động của sóng biển D: là đường kính phao
50%: là năng lượng sóng biển mà bộ biến đổi hệ thống AWS tiêu chuẩn thu được tương ứng với đường kính phao, 10m.
4.4.4 Độ cao của sóng biển
Khi độ cao của sóng biển thay đổi thì công suất ngõ ra cũng thay đổi một cách tương ứng. Sự thay đổi công suất theo từng độ cao của sóng biển giả sửđược mô tả
như sau : 3.1 63 141 250 400 550 750 3 4 5 6 7 2 1 0.5 15 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Hình 4.9 Công suất tỉ lệ với độ cao sóng biển
4.5 Đánh giá khả năng khai thác của hệ thống AWS
AWS là hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển mà được nhấn chìm hoàn toàn. Đây có thể xem là đặc điểm quan trọng, vì điều này có thể làm cho hệ thống ít bị tấn công bởi các cơn bão mà cũng có nghĩa là ít chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường xung quanh. Hệ thống này cũng có khả năng được bảo trì tốt ngay tại vị
trí hoạt động ở biển.
Độ cao sóng (m) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 Công suất ngõ ra (kW) 3,1 15 63 141 250 400 550 750
H (m) P (kW)
Do chưa thể chế tạo được các máy phát điện có công suất đủ lớn để có thể
khai thác toàn bộ lực do sóng biển tạo ra, vì thế thông thường, hệ thống AWS được thiết kế có những bộ chống rung để kìm hãm các lực tác động cực mạnh do sóng biển tạo ra, đặc biệt trong những trường hợp điều kiện sóng biển quá mạnh.
Với một sốưu điểm của hệ thống AWS, hệ thống này đã được xây dựng và lắp đặt tại các vùng biển của một số quốc gia trên thế giới để khai thác năng lượng sóng biển chuyển đổi thành năng lượng điện như Scotland, BồĐào Nha và Tây Ban Nha.
Việt Nam sở hữu một nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào với bờ biển rất dài, hơn 3200 km. Vì vậy, việc khai thác nguồn năng lượng sóng biển từ hệ thống AWS để chuyển đổi thành năng lượng điện là rất thuận lợi và hiệu quả để góp phần giảm bớt áp lực và gánh nặng của việc sản xuất và cung cấp điện đáp ứng nhu cầu về năng lượng điện như hiện nay.
4.6 Kết luận
AWS là một hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng
điện. Hệ thống này sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính để chuyển
đổi cơ năng được hình thành bởi sóng biển thành năng lượng điện. Các nghiên cứu và phân tích đã được thực hiện trong chương này.
HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
BIỂN WAVE DRAGON
Chương này sẽ giới thiệu bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon (WD). Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi WD sẽ được trình bày. Bên cạnh đó, các phân tích cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng cũng sẽđược giới thiệu.
5.1 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon [5.1]
Wave Dragon là một bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện nổi và được neo. Nó thuộc loại đập tràn mà có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc được kết hợp để hình thành một nhà máy điện với công suất tương đương với các nhà máy điện truyền thống dựa trên các nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Hệ thống đầu tiên được kết nối với lưới điện hiện đang được triển khai ở Nissum Bredning, Đan Mạch. Một quá trình thử nghiệm dài đã được thực hiện để xác định hiệu suất của hệ thống dưới các điều kiện biển khác nhau. Khái niệm WD kết hợp các công nghệ của các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển xa bờ hiện có, đang phát triển và công nghệ tuabin thủy điện theo một cách mới.
WD là một công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển duy nhất đang được phát triển theo quy mô tự do.
Do kích thước tương đối lớn vì vậy việc bảo trì và ngay cả các công tác sửa chữa lớn cũng có thểđược thực hiện trên biển dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn so với các bộ biến đổi khác.
Hình 5.1 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Hình 5.2 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon đang được xây dựng và khai thác tại Nissum Bredning, Đan Mạch
Hình 5.3 Vùng biển Nissum Bredning, Đan Mạch
Về cơ bản, WD bao gồm hai bộ phận mà có thể được xem như là hai cánh tay được sử dụng để tập trung sóng biển hướng đến một đoạn đường. Sau đoạn đường là một hồ chứa lớn, nơi mà nước được tập hợp và lưu trữ tạm thời. Nước này sẽ rời khỏi hồ chứa thông qua các tuabin thủy điện.
Tóm lại, các thành phần chính của một hệ thống WD sẽ bao gồm: - Đoạn đường với bê-tông cốt thép và/hoặc thép xây dựng;
- Hai cánh tay tập hợp sóng bằng thép và/hoặc bê-tông cốt thép; - Hệ thống neo;
Hình 5.4 Các bộ phận cơ bản của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Các kích thước vật lý của một WD sẽđược tối ưu hóa tương ứng với các dạng sóng tại vị trí khai thác khác nhau bao gồm chiều rộng của đoạn đường tập hợp sóng, chiều dài của các cánh tay, trọng lượng, số lượng và kích thước của các tuabin.
WD được thử nghiệm tại Nissum Bredning, Đan Mạch được xây dựng để phù hợp với điều kiện sóng tương đối thấp, khoảng 0,4 kW/m với các thông số chính như Bảng 5.1: Hướng sóng Máy phát điện Hồ chứa Tuabin Kaplan (Đáy biển) Phao nổi Hệ thống xà lan tập hợp sóng Hệ thống neo
sóng khác nhau
Thông số chính của WD 0,4 kW/m 24 kW/m 36 kW/m 48 kW/m Tổng trọng lượng (tấn) 237 22000 33000 54000
Tổng chiều ngang và dài (m) 58 33 260 150 300 170 390 220
Chiều dài của cánh tay (m) 28 126 145 190
Chiều cao (m) 3,6 16 17,5 19
Thể tích hồ chứa (m3) 55 5000 8000 14000
Số tuabin đầu thấp 7 16 16-20 16-24
Máy phát nam châm vĩnh cửu (kW) 7 2,3 16 250 16 – 20 350 – 440 16 – 24 460 – 700 Công suất định mức (kW) 20 4000 7000 11000 Điện năng sản xuất hàng năm (GWh/năm) - 12 20 35 Độ cao của mực nước (m) 6 > 20 > 25 > 30
Hình 5.5 Hệ thống Wave Dragon với các kích thước tương ứng trong điều kiện sóng biển 24kW/m Hai cánh tay của hệ thống WD Bờdốc của WD Các tuabin của hệ thống WD Hồchứa
nổi lớn. Để giảm xoay, lắc và để đảm bảo sản xuất kinh tế của việc sản xuất điện từ sóng biển, WD cần phải lớn và nặng. Hệ thống WD được thử nghiệm tại Bredning Nissum là một tấm thép xây dựng truyền thống, giống như một xà lan với thép tấm dày khoảng 8 mm. Tổng trọng lượng thép của xà lan, cộng với đoạn đường nối là 150 tấn. Để đạt được tổng trọng lượng mong muốn là 237 tấn, 87 tấn nước dằn xà lan được thêm vào.
Trong điều kiện sóng biển 36 kW/m, hệ thống xà lan này sẽ có kích thước là 140 95 m mà được hình thành bởi thép và bê-tông cốt thép. Phần trên của WD là hồ chứa nước. Tại Bredning Nissum, thể tích hồ chứa thử nghiệm nguyên mẫu là 55 m3, trong khi đó, với điều kiện sóng 36 kW/m thể tích hồ chứa sẽ tương ứng vào khoảng 8000 m3.
Một trong những đặc điểm chính của WD là nó sẽ liên tục được điều chỉnh để thay đổi và thích nghi với chiều cao của sóng bằng cách thay đổi chiều cao phao nổi. Điều này đạt được bằng cách thay đổi áp suất không khí trong các buồng không khí. Một hệ thống phao nổi và xà lan được cố định để đảm bảo hệ thống WD ổn định và đặc biệt là để giảm các dao động lớn do sóng biển gây ra.
Để tối đa hóa hiệu quả nước tràn, một sự kết hợp giữa hai cánh tay và hệ thống đường dẫn được nghiên cứu và thiết kế. Trong đó, có thể nhận thấy rằng, hai cánh tay tập hợp sóng sẽảnh hưởng lớn đến các chi phí xây dựng của một bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thuộc dạng đập tràn. Mỗi cánh tay thử nghiệm của hệ thống WD tại Bredning Nissum có chiều dài 27 m, chiều cao 3,5 m và nặng 25 tấn. Trong trường hợp WD được xây dựng cho điều kiện sóng 36 kW/m thì mỗi cánh tay sẽ có chiều dài là 145 m và chiều cao là 19 m. Các cánh tay này sẽđược giữ cố bởi hệ thống neo và dây.
tròn sao cho có thể tăng được hiệu quả kết hợp với các cánh tay tập hợp sóng biển.
Hình 5.6 Đoạn đường dốc thực tế của hệ thống Wave Dragon
Hệ thống neo là một phần quan trọng của hệ thống WD. Nó không chỉ được sử dụng để neo hệ thống WD xuống đáy biển mà còn được thiết kế để tương tác và làm suy giảm các ảnh hưởng đến hệ thống WD sao cho giảm bớt các lực ở hệ thống neo đậu và sửa chữa các hệ thống tập hợp sóng.
Hình 5.8 Hệ thống neo của một tập hợp các hệ thống Wave Dragon Tuabin cánh quạt được sử dụng trong hệ thống WD mà thông thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện truyền thống. Chúng được đặc trưng bởi độ tin cậy cao và chi phí bảo trì thấp. Tuabin này có đường kính 34 cm được thiết kế bởi VeteranKaft AB và sản xuất bởi Đại học Kỹ thuật Munich. Các tuabin thử nghiệm và 6 tuabin mới được thiết kế đã được lắp đặt thử nghiệm tại Bredning Nissum. Các tuabin mới có các cổng xilanh để điều chỉnh đầu nước (hoặc mở hoặc đóng). Mỗi tuabin phải được vận hành ở một tốc độ định mức để đạt được hiệu suất cao nhất. Để có thểđiều chỉnh tổng lượng nước ngõ ra và việc sản xuất điện năng một cách hiệu quả, các tuabin sẽ bắt đầu quay khi cổng xilanh mở ra và ngừng lại khi cổng xilanh đóng. Hệ thống được lắp đặt bổ sung 3 van giả để tăng tính linh hoạt và độ chính xác trong các mô phỏng. Các tuabin mới cũng được thiết kế bởi VeteranKraft AB và sẽđược sản xuất bởi nhà sản xuất tuabin thủy điện người Áo, Kössler GES. M. B. H.
Neo sau Neo trước
Hình 5.9 Hệ thống tuabin của hệ thống Wave Dragon
Hình 5.10 Tuabin của hệ thống Wave Dragon
Ngoài các thành phần cấu tạo nên hệ thống WD đã được giới thiệu, để có thể sản xuất được năng lượng điện, hệ thống WD cần phải sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu và đây được xem là một phương án hiệu quả nhất đã được chứng minh [4.1]. Các tuabin của hệ thống WD sẽ quay với tốc độ thay đổi và tương đối thấp. Trong hệ thống WD này, hộp số không cần được sử dụng, điều này dẫn đến các tổn thất công suất cũng như các chi phí bảo trì sẽ được giảm đi một cách đáng kể.
Dragon
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống là sử dụng các nguyên lý nổi tiếng, phổ biến và cũng đã được chứng minh từ các nhà máy điện thủy điện truyền thống với một tảng nước nổi ngoài khơi. Có thể nhận thấy rằng nguyên lý hoạt động này rất đơn giản. Hệ thống sóng tràn WD nâng cao sóng biển vào một hồ chứa trên mực nước biển. Tại hồ chứa này, nước được cho phép đi qua các tuabin và theo cách này biến đổi năng lượng sóng biến thành năng lượng điện. Quá trình chuyển đổi này bao gồm 3 bước như sau, hình 4.11 và 4.12: Tràn (hấp thụ) Lưu trữ (hồ chứa) sản xuất năng lượng điện (tuabin thủy điện đầu thấp).
Hình 5.11 Mô tả hoạt động của hệ thống Wave Dragon với mặt cắt ngang
Hình 5.12 Mô tả hoạt động của hệ thống Wave Dragon với mặt bằng
Hệ thống WD được neo xuống đáy biển
Nước biển trong hồ chứa cung cấp cho tuabin của
hệ thống WD Hướng của sóng biển đi vào hệ thống WD Cấu trúc nổi bằng thép của hệ thống WD Hai cánh tay tập hợp sóng biển Tràn vào hồ chứa
Hình 5.13 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Wave Dragon
Hình 5.14 Quá trình sản xuất năng lượng điện của hệ thống Wave Dragon Dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống WD đã được trình bày, có thể nhận thấy rằng đây là một trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện đơn giản. Hầu hết, các hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện khác sẽ sử dụng các chuyển động cơ khí hoặc áp suất chất lỏng với các kỹ thuật như dao động cột nước hoặc không khí, bản lề bè, con quay hoặc thủy lực. Hệ thống chuyển đổi WD sẽ không sử dụng các kỹ thuật như trên mà thay vào đó sẽ sử dụng năng lượng của dòng chảy một cách trực tiếp. Vì vậy, hệ thống WD sẽ có cấu trúc khá đơn giản và (Hồ chứa) (Sóng bihồ chển tràn vào ứa) (Ngõ ra của tuabin hệ thống WD) Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Tuabin của hệ thống WD
quan trọng đối với bất kỳ hệ thống nào đang với làm việc ngoài biển khơi, nơi mà các vấn đề về bào mòn và ô nhiễm có thểảnh hưởng nghiêm trọng đến các bộ phận chuyển động của hệ thống chuyển đổi.
Bên cạnh các ưu điểm đã được trình bày, các hệ thống WD cũng đang tồn tại các vấn đề mà yêu cầu các nhà khoa học cần phải nghiên cứu:
- Tối ưu hóa quá trình đập tràn.
- Cải thiện các đáp ứng thủy lực: chống nhồi lên hụp xuống, chống các ảnh hưởng.
- Giảm các ảnh hưởng của các lực lên các cánh tay thu sóng cũng như hệ thống neo của hệ thống WD.
- Giảm các chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì.
- Hiệu quả sản xuất năng lượng điện cao với chi phí sản xuất thấp, thân thiện với môi trường và chi phí thấp.
Một hệ thống WD bao gồm một phần đứng yên và phần còn lại nổi.
Phần đứng yên được hình dung như một con tàu được neo đậu sao cho đứng yên với mực nước tương đối sâu, hơn 25 m và tốt hơn là 40 m để khai thác các ưu điểm của sóng biển trước khi chúng mất năng lượng khi đến bờ. Điều này trái ngược với nhiều bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển khác được biết đến mà hoặc là được xây dựng hướng vào bờ biển hoặc được cốđịnh ởđáy biển tại các vùng nước cạn.
Phần còn lại được hình dung là phần nổi mà được thiết kếđể càng đứng yên càng tốt. Nó không chuyển đổi sóng thành năng lượng bằng cách nhồi lên hụp xuống hoặc một số bộ phận được di chuyển bởi sự chuyển động của các sóng. Nó đơn giản chỉ sử dụng thế năng của nước mà được tràn vào trong hồ chứa.
Nước tràn qua hệ thống WD được lưu trữ tạm thời trong một hồ chứa lớn mà sẽ tạo ra một sự sai lệch giữa bề mặt nước biển và bề mặt nước trong hồ chứa. Nước trong hồ chứa sẽ thoát ra ngoài thông qua các tuabin và phát điện với nguyên tắc làm việc giống như các nhà máy thủy điện.
thống WD bao gồm:
* Các thông số liên quan đến quá trình tràn - Kích thước của boong xà lan - Chiều cao sóng thực
- Kích thước của bờ dốc và các cánh tay