nón, 2 2 33 1 2 33 1 ( ) 2( ) 3 tru chopnon
m m m r h r h ; ρ là khối lượng riêng n c bi n, ướ ể 33 là h s khệ ố ối lượng kèm không th nguyên ph ứ ụ thuộc vào s sóng, bán ố kính phao, độ dài phao, và độ sâu của nước bi n. ể
Khi r c a phao c ủ ố định để xác định mchopnon l n nh t thì th tích c a kh i chóp ớ ấ ể ủ ố nón l n nhớ ất khi đó thể tích tích ph ụ thuộc vào góc vát c a chóp nón v iủ ớ h r.tan
c n có hầ max ( khi đó tanα = 1 → α = 450) thay các thông s tình toán v i m =270 (kg) ố ớ công suấ ạt đ t giá trị ớ l n nh ất.
V i c u tớ ấ ạo phao như đã nói ở trên, chương trình đã tính toán khả năng năng lượng và khảo sát đặc tính cơ bản của phao trong các trường hợp khác nhau làm cơ sở cho các tính toán thi t k . Các k t qu có th ế ế ế ả ể trình bày như sau:
Hình 4. 23. Biểu đồ công suất phụ thuộc vào của phao thum Pmax khi m =270(kg) Khảo sát quan h chi u dài thi t bịệ ề ế và công su t máy phát ấ
98
Thí nghiệm 3: Khảo sát thi t b chuyế ị ển đổi năng lượng sóng t i H Tây. Sau khi ạ ồ tiến hành lắp đặt h ống máy phát điệệ th n chuyển đổi năng lượng sóng H Tây (hình ồ 4.22; 4.23; 4.24), thu được biểu đồ điện áp và l c cự ủa phao như trên hình 4.25 và hình 4.26.
Công tác chuyển bị ồ g m thi t b ế ị đo các thông số ở ả c b n c a sóng g m (f, T,λ, Hủ ồ s), các thi t b ế ị đo cường độ dòng điện I(A), công su t P(kW), hiấ ệu điện th U(V) c a máy ế ủ phát, ngoài ra còn có máy tính xách và thi t b ế ị loadcell để đo lực tác d ng c a sóng lên ụ ủ phao s 1. ố
Hình 4.25. Thực hiện quá trình thí nghiệm thiết bị tại Hồ Tây.
99
Hình 4.27 . Chuẩn bị các thiết bị đo khảo sát hiện trường.
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Time, s Lo ad v ol ta ge , V
Hình 4.28. Đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian.
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 0 0.5 1 1.5 2 Time, s Fo rc e, K g Hình 4.29. Đồ thị lực phao tác dụng lên cuộn dây.
T k t qu ừ ế ả thực nghiệm thu được, chúng ta th y công suấ ất máy phát thu được nhỏ. Do môi trường sóng t i H Tây r t y u, t n s nh . Tuy nhiên, chúng ta th y kạ ồ ấ ế ầ ố ỏ ấ ết c u v mấ ề ặt cơ khí của mô hình là tương đối ổn định, máy phát đã hoạt động tốt ở môi trường nước trong thời gian dài. Điều này cung c p thêm kinh nghi m khi thi t k ch ấ ệ ế ế ế
t o và lạ ắp đặt thi t b ế ị thử nghiệm trong môi trường nước ph c v cho các l n th ụ ụ ầ ử nghiệm tiếp theo.
Các k t qu ế ả tính toán cho sóng biên độ 1m, chu k ỳ 7s được trình bày trong các hình sau:
100
Hình. 4.31. Chuyển động của phao tự do, không ma sát và không thu hồi
Hình 4.32. Chuyển động của phao trên mặt sóng, hệ số thu hồi Rbu=250Ns/m, hệ số ma sát Rbf=20Ns/m.
101
Hinh 4.33. Công suất và năng lượng của phao khi Rbu=250Ns/m, Rbf=20Ns/m.
Hình 4.34. Biến thiên năng lượng thu được trong một chu kỳ theo hệ số thu hồi Khảo sát cho các tham s c u t o khác nhau cố ấ ạ ủa phao như kích thước, khối lượng phao, h s hao tán các kệ ố ết quả cho trong b ng 4.3 ả
102 STT KL Phao (Kg) ĐK Phao (m) H s ệ ố tiêu tán (N/m) Biên độ Phao (m) Năng lƣợng (J/chuk ) ỳ Công suất TB (w) 1 146 0.3 300 0.98 635.9 81.9 2 146 0.3 500 0.81 983.9 134.2 3 146 0.3 1000 0.66 925.3 129.0 4 404 0.5 1000 0.91 2434.0 338.5 5 404 0.5 2000 0.71 2796.5 394.5 6 404 0.5 4000 0.62 2158.7 308.0 7 1617 1.0 3000 0.97 8406.8 1174.6 8 1617 1.0 6000 0.80 11202.0 1582.6 9 1617 1.0 9000 0.69 11090.0 1574.9
T k t qu tính toán (hình 4.34) có th ừ ế ả ể thấ ằng khi tăng dầy r n h s h p th ệ ố ấ ụ năng lượng qua cơ cấu chuyển đổi thì hi u suệ ất thu được là cực đạ ại t i m t h s ộ ệ ố nào đó, trong trường h p tính toán ợ ở đây, ệ ố h s này kho ng 2000Ns/m. Vì v y khi tính toán ả ậ thiế ết k , các tham s ố liên quan đến h s chuyệ ố ển đổi phải được tính toán và ch n tọ ối ưu, các cơ cấu liên quan mât mát năng lượng do ma sát phải được gi m thiả ểu đến m c ứ thấp nhất. Khi đó để nng lượng thu đượ đạc t hiệu su t cao nhấ ất.
Sau khi ti n hành thi t k ế ế ế chế ạ t o th nghi m và kh o sát thi t b trong phòng thí ử ệ ả ế ị nghi m và ngoài hiệ ện trường. Tác gi ả đi tính toán thi t k ế ế máy phát điện chuyển động thẳng công su t 5kW dùng cho thi t b chuyấ ế ị ển đổi năng lượng sóng dạng phao để phát triển thi t b trên quy mô công nghi p, có th áp dế ị ệ ể ụng được cho vùng biển đảo Phú Quý.
4.3. Đề xuất mô hình chuyển đổi năng lƣợng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy mô thực tế
Qua quá trình thu th p tài li u, s u và phân tích s liậ ệ ố liệ ố ệu đặc trưng năng lượng sóng bi n Vi t Nam. Tác gi ể ệ ả đã xác định vùng biển để tiế n hành thi t k h ế ế ệ thống máy chuyển đổi năng lượng là vùng đảo Phú Quy, tại đó biến độ sóng trung bình kho ng ả 1,5m, chu k ỳ dao động 7s và công su t máy phù h p là 5kW. ấ ợ
Sơ đồ ấ ạ c u t o h th ng chuyệ ố ển đổi năng lượng sóng bi n 5kW s d ng máy phát ể ử ụ điện nam châm vĩnh cửu chuyển động thẳng được gi i thi u trong ớ ệ hình 4.35 Các thông s cố ủa máy phát được trình bày trong b ng 4.4ả . C u t o các b ấ ạ ộ phận chính c a h ủ ệ thống được miêu t c ể sau đây.ả ụth
Lõi của máy phát điện được c u t o t 180 mi ng ghép lõi làm t ấ ạ ừ ế ừ nhôm để ghép thành một ống hình tr . Trên mụ ặt của lõi máy phát ta thi t k các thanh sế ế ắt có độ dài là
103
3600(mm) để ắ g n nam châm và g ỗ ngăn cách giữa 2 nam châm (g i là mi ng lót ọ ế dưới). Theo thi t k m i miế ế ỗ ếng lót dưới gắn được 110 cục nam châm có kích thước 50x25x10 (mm) (chi u dài-ề chiều r ng- dày) và 109 thanh g t o kho ng cách cho ộ độ ỗ ạ ả các nam châm có kích thước là 50x7x10 (mm) (chi u dài-chi u r ng- dày). ề ề ộ độ
V ỏ máy được thi t k ế ế có đường kính ngoài là 792(mm) và đường kích trong là 772(mm),được ghép t các ng tr ừ ố ụ dài, côn thu, đai nối….bên trong củ ốa ng tr là ụ
ph n ng-piston và ph n c m stator. V cầ ứ ầ ả ỏ ủa máy được thi t k phù hế ế ợp để piston chuyển động tương đối v i stator và chớ ứa thêm được mộ ốt s thi t b ế ị như mạch, dây nối, ắc quy… Máy phát được n i v i phao b i h ố ớ ở ệ thống các ng l ng nhau lên cố ồ ần ph i thu nh dả ỏ ần từ thân máy phát cho đến kích c cỡ ủa ống nh ỏ hơn. Máy phát thiế ết k đã sử ụ d ng các côn thu có kích c ỡ khác nhau để gi t c p t ậ ấ ừ ống đường kính l n v ớ ề đường kính phù h p. ợ
Trên thành trong c a v máy hình tr ủ ỏ ụ được g n các thanh sắ ắt có hình đa giác đảm bảo độ ứng để đặ c t thêm 30 mặt nam châm đối x ng tứ ừng đôi một v i 30 mặt nam ớ châm của lõi nam châm hình lăng trụ, nhằm tăng công suấ ủt c a máy phát. Các thanh sắt được gá lên đĩa lắp và đỡ ằng các vòng đai xế b p liên tiếp để đả m b o không b ả ị võng (c n tr chuyả ở ển động của cuộn dây).
Sau khi th nghi m máy phát phiên bử ệ ản đầu tiên, nhóm nghiên c u nh n thứ ậ ấy
điểm y u khi không có v ế ỏ định hướng là máy phát d b u n cong do dòng ch y, ễ ị ố ả chuyển động tương đối gi a cu n dây và nam châm nh ữ ộ ỏ hơn nhiều so v i thông s ớ ố sóng th c. Chính vì v y, trong h ự ậ ệ thống chuyển đổi năng lượng sóng 5kW áp d ng ụ thự ếc t , nhóm nghiên cứu đã thiế ết k thêm v ỏ định hướng, điều này giúp tăng hệ ố s an toàn, tăng công suất chuyển đổi.
V ỏ định hướng được c nh v i phao chuyố đị ớ ển động cùng cu n dây. V máy phát ộ ỏ được c nh vố đị ới đĩa cản nước giúp tăng chuyển động tương đố ủi c a cu n dây và nam ộ châm khi ch u tác d ng c a sóng cùng vị ụ ủ ới đó đĩa cản nước có th chuyể ển động tương đố ớ ỏ định hưới v i v ng thông qua h thệ ống ray và con trượt.
104 Thông số đặ c trƣng Giá trị Kích thƣớc máy Đường kính máy 0.792m
Chiều dài máy 6m
Chiều dài ho t ạ động 0,972m Cuộn dây (rotor) S ố lượng khung dây cu n ố 81 Diện tích ti t ế di n dây ệ (m2) S vòng dây ố cuốn trên 1 cuộn dây 650(vòng) Kích thước khung dây tương đương trên 1 cặp c c ự 0.0203x0.25x0.016(m3) Điện tr su t ở ấ dây cu n ố ( m) S ố lượng pha 3 Nam châm vĩnh cửu (stator) Cường độ ừ t trường 0.7(T) S ố lượng nam châm trên chu vi tiết diện ngang c a giá ủ đỡ 60 (cục) Kích thước nam châm 50x25x10mm2 S ố lượng nam châm 7440
Hình 4.35. Sơ đồ cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 5kW.
Bảng 4.4. Thông số đặc trưng chủa máy phát điện LPM
105 Hình 4.36. Mặt cắt ngang máy phát
điện LPM. Hình 4.37. Mặt cắt dọc máy phát điện LPM
Với sơ đồ ấ ạo máy phát như miêu tả ở c u t trên, nhóm nghiên cứu đã tính toán mô ph ng h ỏ ệ thống trong điều ki n biên sóng 1m, chu k 5 giây, k t qu tính toán mô ệ độ ỳ ế ả phỏng điện áp và công suất máy phát trên 1 pha được bi u diể ễn như trên hình 4.38, 4.39. Chúng ta nh n th y công suậ ấ ất trung bình thu được trên 1 pha là 3286, như vậy công suất của cả 3 pha của hệ ố th ng s ẽlà khoảng 5kW.
Hình 4. 38. Điện áp máy phát trên 1 pha Hình 4. 39. Công suất máy phát trên 1 pha
4.4. Khảo sát một số đặc tính cơ bản
Để có th ể đưa ra các thông số hi u qu cho vi c thi t k , ch t o th nghi m, ệ ả ệ ế ế ế ạ ử ệ công vi c kh o sát s ph ệ ả ự ụ thuộc gi a công su t mát phát vào các thông s cữ ấ ố ủa ống dây đóng vai trò quan trọng.
106 Giữ nguyên các thông s ố , , , , , , ,
d e n
l r R B a bnhư đã trình bày ở m c 4.3, thay ụ
đổ ối s vòng dây qu n trên mấ ột đơn vị dài, coi như độ ừ ẩ t th m c a lõi sủ ắt không đổi khi s ố vòng dây thay đổi, ta thu được s ph ự ụ thuộc gi a công su t trung bình vào s vòng ữ ấ ố dây qu n trên mấ ột đơn vị dài.
K t qu ế ả khảo sát s ph ự ụ thuộc gi a Pữ tb vào s ố lượng vòng dây qu n trên mấ ột đơn v ị dài n được chỉ ra trên hình 4.40, k t qu ho th y công suế ảc ấ ất trung bình đạt giá tr cị ực đạ ại t i n 4500(vòng/mét) giá tr ịcông suất trung bình đạt đư c là ợ Ptb m_ ax 4( W)K .
Hình 4. 40. Sự phụ thuộc giữa Ptbvào n ứng với các thông số của thiết bị. K t qu ế ả đồ thị trên cho th ycông su t c a thi t b s ấ ấ ủ ế ị ẽ đạt cực đại tại n=4500(vòng/mét), nhưng liệ ằu r ng v i n=4500, công suớ ất có còn đạ ực đạt c i khi thay đổ ỷ ệ đội t l dài các c nh ti t di n ng dâyạ ế ệ ố . Để làm rõ điều này, ta cho a=0.0833(m) và b=0.12(m) và kh o sát công su t c a máy phát khi s vòng dây trên mả ấ ủ ố ột đơn vị dài
thay đổi. Ta được k t qu ế ả như hình sau. Kết qu ch ra r ng, ng vả ỉ ằ ứ ới trường h p ợ
a=0.0833(m) và b=0.12(m), số vòng dây qu n trên m i mét ng dây kho ng 6500 ấ ỗ ố ả vòng s cho công suẽ ất lớn nhất Ptb_max=3,119(KW).
107
Hình 4. 41. Sự phụ thuộc giữa Ptbvào n ứng với a=0.083(m),b=0.12(m).
Như vậy, có th th y r ng, ng vể ấ ằ ứ ới trường h p c nh b c a ng dây l n, thi t b s ợ ạ ủ ố ớ ế ị ẽ có th cho công su t cao hể ấ ơn, công suấ ực đạ ủt c i c a máy phát không ch ph ỉ ụ thuộc vào s vòng dây mà còn ph ố ụ thuộc vào t l các c nh tiỷ ệ ạ ết diện ống dây.
+ Kh o sát c ả ụ thể sự ph thu c c a công suụ ộ ủ ất trung bình vào tỷ lệ chiều dài các cạnh tiết diệ ốn ng dây
Để khảo sát c ụ thể ự s phụ huộ t c c a công suủ ất trung bình vào tỷ lệ chi u dài các ề cạnh tiết diện ống dây, ta cố định số vòng dây quấn trên một đơn vị dài n 5000(vòng)
cùng các thông s ố đã nêu, cho b và a thay đổi sao cho a.b=0.01 (m2) và tìm quy lu t thay ậ đổi của Ptrung bình.
Hình 4. 42 Sự phụ thuộc của Ptrung bìnhvào độ dài cạnh b.
Hình 4.42 là k t quế ả sự thay đổi c a Pủ trung bình khi chiều dài b thay đổi từ 0.1 - .5(m). Kết quả cho thấy, ng v i cùng s dây quứ ớ ố ấn trên đơn vị chi u dài n, thiề ế ịt b s ẽ đạt công suất lớn nh t Pấ max = 4.09(kW) khi b = 0.24(m). Như vậy, không phải cứ ạ c nh b lớn thì cho công suất cao.
108
Điều này có th lý giể ải như sau: Khi vị trí tương đố ủ ối c a ng dây và các nam châm thay đổi, độ dài c nh b c a ti t di n ng dây ạ ủ ế ệ ố ảnh hưởng đế ốc độ ến t bi n thiên t ừ thông qua ng dây, b càng l n thì tố ớ ốc độ biến thiên càng cao; độ dài c nh a ch nh ạ ỉ ả hưởng đến chu k biỳ ến đổ ủa dòng điệi c n, không ảnh hưởng đến tốc độ ế bi n thiên t ừ thông qua ng dây, t ố ừ đó, tăng b sẽ làm cho suất điện động sinh ra lớn hơn. Vậy nhưng khi cho b tăng lên thì độ ự ả t c m c a ủ ống dây cũng tăng lên (hình 4.43), dòng điệ ựn t cảm cũng theo đó lớn hơn, do đó để đạ t công su t cấ ực đại, ch có th ỉ ể tăng b đến một giá tr ị nào đấy (như trường h p trên là 0.24 mét). ợ
Hình 4. 43. Sự phụ thuộc giữa L vào b.
Từ những nghiên cứu đã trình bày ở trên, có thể thấ ằng dòng điện sinh ra trên các y r ống dây biến đổi có đặc trưng dao động theo 2 loại chu kỳ, chu kỳ thứ nhất phụ thu c vào ộ kích thước và khoảng cách các nam châm, chu kỳ thứ 2 là chu k chuyỳ ển động c a phao ủ theo chuyển động c a sóng và k t quủ ế ả công suất l i phạ ụ thuộc vào các thông số cấu tạo của máy.
Tiếp theo, khi c nh các thông s c u t o( ố đị ố ấ ạ l r R B , , , , , , , d e n a b) c a máy phát ủ Chương trình đã được sử dụng để kh o sát khả năng công suất theo các điều kiện sóng ả phù h p vợ ới điều ki n sóng c a vùng bi n Nam Trung B (Hình 4.43) ệ ủ ể ộ .Phao được coi là chuyển động phù h p v i chuyợ ớ ển động c a sóng và có d ng hình sin vủ ạ ới các đặc trưng trung bình của sóng th c. ự
Các k t qu ế ả tính toán được đưa ra như bảng 4.5, s ph thu c c a công suự ụ ộ ủ ất trung bình vào độ cao sóng được ch ỉ ra trên đồ th hình 4.44. K t qu cho th y công ị ế ả ấ suất trung bình ph thuụ ộc gần như tuyến tính vào độ cao sóng.
109 4 5 6 7