1.7. Kết cấu luận văn.
Luận văn gồm 6 chƣơng:
- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
- CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ - CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ - CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ
- CHƢƠNG 5: THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ - CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở tính tốn năng lƣợng sóng.
2.1.1. Những thơng số của sóng
Dƣới tác dụng của những lực khác nhau, trên mặt phân cách nƣớc - khơng khí ở biển ln ln tồn tại các sóng. Nếu cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo một hƣớng nào đó (thƣờng theo hƣớng truyền sóng chính), thì giao tuyến của mặt biển với mặt phẳng đó có dạng đƣờng cong phức tạp gồm nhiều sóng gọi là profin sóng (hình 1.1). Nếu quan trắc dao động của mặt biển tại một điểm cố định nào đó (ghi bằng máy ghi sóng), thì biến đổi của vị trí mặt nƣớc theo thời gian cũng có hình dạng phức tạp. Trên profin sóng, mỗi một sóng bao gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn mực sóng trung bình gọi là đáy sóng. Điểm cao nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng. Điểm thấp nhất của đáy sóng là chân sóng. [10]
Hình 2.1: Các thơng số của sóng.
Mực sóng trung bình là đƣờng thẳng cắt profin sóng sao cho diện tích tổng cộng phần trên và phần dƣới của profin sóng bằng nhau.
Độ cao sóng h là khoảng cách giữa đỉnh sóng và chân sóng xác định trên
profin sóng dọc hƣớng truyền của sóng.
Bƣớc sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau trên profin sóng dọc theo hƣớng truyền của sóng.
Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một
đƣờng thẳng đứng cố định.
Vận tốc truyền sóng hay vận tốc pha là vận tốc di chuyển ngọn sóng theo hƣớng truyền. Khái niệm về vận tốc truyền sóng chỉ áp dụng với sóng tiến.
Tỷ số độ cao sóng và bƣớc sóng h/λ gọi là độ dốc của sóng.
Phần sóng từ chân sóng đến đỉnh sóng hƣớng về phía gió thổi tới tạo thành sƣờn đón gió của sóng, phần ngƣợc lại từ đỉnh đến chân sóng khuất gió gọi là sƣờn khuất gió của sóng.
Hƣớng truyền sóng trong biển đƣợc tính từ hƣớng bắc đến hƣớng chuyển động của sóng.
Frơn sóng là đƣờng nối các đỉnh sóng xác định trên nhiều profin sóng hƣớng theo hƣớng truyền chính của sóng. Tia sóng - đƣờng thẳng vng góc với frơn sóng tại điểm đang xét.
2.1.2. Tính tốn năng lƣợng sóng
Cơng suất trung bình của sóng đƣợc xác định theo lý thuyết tuyến tính và đƣợc tính theo cơng thức sau [11]:
( ) (2.1) Trong đó H: chiều cao sóng (m) A: biên độ sóng (m)
E là mật độ năng lƣợng trung bình trên mộ đơn vị diện tích, và đƣợc tính bằng
tổng của động năng Ek và thế năng Ep. Mật độ năng lƣợng đƣợc tính theo cơng thức:
( ) (2.2) C: vận tốc nhóm và phụ thuộc vào chiều sâu h. Để đơn giản hóa việc xác định
sâu ta có vùng xa bờ, gần bờ và bờ biển. Và cách tính vận tốc này cho mỗi vùng khác nhau sẽ đƣợc áp dụng các công thức tƣơng đƣơng.
Xa bờ Gần bờ bờ biển
sâu sâu
Hình 2.2: Phân loại chiều sâu mực nƣớc
Ở đây ta chỉ xét với vùng bờ biển hay cịn gọi là vùng nƣớc cạn thì vận tốc nhóm bằng vận tốc pha và đƣợc tính:
2.2. Cơ sở tính tốn thiết kế mơ hình phao.
Với cùng nguyên lý chuyển động tịnh tiến nhƣng hình dạng và kích thƣớc của phao thu nhận khác nhau sẽ thu đƣợc những kết quả khác nhau về công suất của nhƣ hiệu quả của thiết bị.
Phao sẽ chịu tác dụng của lực đẩy Acsimet:
(2.4) Trong đó:
g=9.81 (m/s2) là gia tốc trọng trƣờng.
=1020 (kg/m3) là khối lƣợng riêng của nƣớc biển.
(m3) là thể tích nƣớc bị phao chiếm chỗ.
Theo điều kiện nổi của các vật thì điều kiện để phao nổi cân bằng trên mặt nƣớc:
G = Fa - Với G là trọng lƣợng của phao
2.3. Cơ sở tính tốn thiết kế đối trọng
Đối trọng có nhiệm vụ giữ cho phao ở vị cân bằng khi nổi trên mặt nƣớc cũng nhƣ có tác dụng làm tăng qn tính trong q trình thu hồi năng lƣợng sóng.
Ta có các lực tác dụng lên phao: : lực acsimet
: trọng lực của đối trọng : trọng lực của phao
Phƣơng trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí cân bằng:
(2.5) -
- Trong đó:
g=9.81 (m/s2) là gia tốc trọng trƣờng.
=1020 (kg/m3) là khối lƣợng riêng của nƣớc biển. mp là tổng khối lƣợng của phao
mđt là tổng khối lƣợng của đối trọng
2.4. Động lực học của thiết bị Phao Tạ Phao Tạ A-A A Z x X x Bánh đà M x x A Xí c h Hình 2.5: Sơ đồ động lực học thiết bị.
Theo sơ đồ phân tích lực động lực học của thiết bị đƣợc phân tích thành hai phần chính là chuyển động lên xuống của phao khối lƣợng Mb và chuyển động quay của bánh đà, máy phát có mơmen qn tính .
Đối với sóng dao động điều hịa, các thơng số cơ bản của đặc tính sóng đƣợc thể hiện trên hình 2.7: Các thơng số đặc trƣng bao gồm chiều cao sóng H, bƣớc sóng và chiều sâu h.
Hình 2.6: Đặc tính sóng điều hịa
Đối với sóng hình sin, biên dạng sóng có dạng nhƣ phƣơng trình sau: (2.6)
Trong đó:
: biên độ dao động của sóng.
Phƣơng trình chuyển động của phao trên mặt sóng đƣợc xác định theo định luật 2 Newton kết hợp giữa lực thủy động học của sóng và phản lực từ hệ thống thu hồi. Và đƣợc tính ở phƣơng trình sau:
̈ (2.7) Trong đó:
: hợp lực do thủy động học tƣơng tác của sóng tác động lên phao. : phản lực từ hệ thống trong thiết bị tác động lên phao.
: khối lƣợng của phao.
Hợp lực tác động lên phao gồm các thành phần thể hiện ở phƣơng trình (2.8) (2.8)
Trong đó:
: lực tác động của sóng vào phao và đƣợc xác định bởi phƣơng trình (2.4) [12]. Lực sóng là hàm của hệ số thủy động học bao gồm hệ số lực và lệch
pha giữa lực và sóng. Các hệ số này phụ thuộc vào thơng số, hình dáng phao và điều kiện sóng và thƣờng đƣợc tính tốn bởi phần mềm WAMIT [13].
(2.9) : lực nhiễu xạ, gây ra bởi sự dao động của phao trên mặt nƣớc. Lực này cũng phụ thuộc thông số thủy động học là khối lƣợng thêm vào và giảm chấn và đƣợc tính theo phƣơng trình (2.10).
̈ ̇ (2.10)
Trong đó:
: là khối lƣợng thủy động tiếp xúc xung quanh phao làm ảnh hƣởng đến động lực học. Và giảm chấn là trở lực của phao khi di chuyển trong nƣớc. Các hệ số thủy động học này cũng đƣợc xác định từ phần mềm WAMIT.
: lực ma sát nhớt giữa phao tƣơng tác trong nƣớc.
̇ ̇ | ̇ ̇| (2.11)
Trong đó:
: hệ số ma sát nhớt.
: diện tích mặt cắt ngang của phao tiếp xúc với nƣớc.
: lực thủy tĩnh, gây ra do sự chênh lệch vị trí của phao với vị trí cân bằng và đƣợc tính theo định luật Acsimet ở phƣơng trình (2.9)
(2.12)
(2.13)
: là độ cứng thủy tĩnh hay khả năng chống lại sự thay đổi vị trí phao khỏi vị trí cân bằng.
Phản lực từ hệ thống trong thiết bị đƣợc sinh ra từ hai thành phần chính là phản lực dẫn động máy phát và phản lực do ma sát: (2.14) Trong đó: : phản lực từ máy phát. : phản lực từ đối trọng. : lực ma sát.
Ta có phƣơng trình chuyển động của phao:
̈ ̇ ̇ ̇ | ̇ ̇|
(2.15) Phƣơng trình chuyển động quay của bánh đà và máy phát đƣợc xác định thông qua mômen dẫn động từ hợp lực của phao và mômen sinh ra từ máy phát với bánh đà, kết quả tính tốn thể hiện ở phƣơng trình (2.11)
̈ (2.16)
Mômen dẫn động từ hợp lực thủy động đƣợc tính theo phƣơng trình (2.14) | | ⁄ (2.17)
Trong đó:
: bán kính đĩa xích 1, 2 : tỉ số truyền của hộp số.
Mômen sinh ra từ máy phát thƣờng đƣợc xác định theo đƣờng đặc tính riêng của từng loại khác nhau và thay đổi theo điều kiện làm việc của tải, tốc độ máy phát… Trong luận văn này chỉ khảo sát đến năng lƣợng dẫn động chung cho các máy phát, và chƣa xây dựng mơ hình riêng cho loại nào cụ thể. Xét mômen dẫn động máy phát theo hàm bậc nhất của vận tốc và hệ số tải đƣợc tính theo phƣơng trình (2.13) [12].
̇ (2.18)
Công suất cung cấp cho máy phát đƣợc xác định theo momen và vận tốc sinh ra của máy phát.
̇ (2.19)
Chƣơng 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ
HÌNH THIẾT BỊ
3.1. Tính tốn năng lƣợng sóng
Thiết bị thử nghiệm với mực nƣớc 800 ÷ 1000 mm, biên độ sóng 50 ÷ 75 mm, tần số góc =3rad/s
Ta có mật độ năng lƣợng của sóng: [13]
(3.1) Cơng suất trên 1 đơn vị bề rộng sóng [13]
= ( ) (3.2) Trong đó: H: chiều cao sóng (m) A: biên độ sóng (m) E: Mật độ năng lƣợng sóng (N.m)
: cơng suất sóng trên 1 đơn vị bề rộng sóng ( : tần số góc (rad/s)
c: Vận tốc sóng (ft/s hoặc m/s)
h: Độ sâu của mực nƣớc biển (ft hoặc m)
3.2. Tính tốn, thiết kế, chế tạo phao
Từ các điều kiện dựa trên cơ sở lý thuyết để thiết kế phao ta thấy phao có hình khối nón kết hợp khối trụ là tối ƣu nhất. phần khối nón chìm dƣới biển sẽ giảm tối đa lực cản gây ra bởi nƣớc biển, với chiều cao của mực nƣớc ngập so với chiều cao
phao từ 500 – 520 mm là đủ điều kiện cân bằng và tiết diện tiếp nhận đƣợc năng lƣợng sóng là lớn nhất.
Hình 3.1: Bản vẽ tổng thể của phao.
Thông số Ký hiệu Giá trị
Đƣờng kính phao Φ (mm) 650
Chiều cao phao L2 (mm) 800
Khối lƣợng phao mp (kg) 30
Bảng 3.1: Các thông số của phao.
Đối trọng có nhiệm vụ đảm bảo cho phao ln trở về vị trí cân bằng trên mặt biển cũng nhƣ giúp cơ cấu hoạt động một cách liên tục trong quá trình thu hồi năng lƣợng.
Hình 3.2: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng.
Phƣơng trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí cân bằng với chiều cao phần ngập nƣớc là 500mm:
Suy ra =50kg
Trong đó: g=9.81 (m/s2) là gia tốc trọng trƣờng.
=1020 (kg/m3) là khối lƣợng riêng của nƣớc biển.
mp là khối lƣợng của phao.
Hình 3.3: Bản vẽ tổng thể đối trong
3.4. Thiết kế, chế tạo khung.
Các bộ khung chịu tác động trực tiếp từ sóng biển đƣợc thiết kế theo dạng chữ nhật dài 1200mm, rộng 1000mm với cạnh chiều dài đặt song song với chiều va đập của sóng. Mục đích để tăng độ cứng vững cho bộ khung khi chịu tác động.
Để đáp ứng đƣợc yêu cầu về mực nƣớc biển lấy chiều cao tổng của các khung chịu va đập của sóng là 2900mm.
Hình 3.4: Bản vẽ tổng thể thiết bị.
Khung đóng xuống cát
Bộ khung làm nền móng cho tồn bộ cơ cấu đƣợc cứng vững khi chịu tác động trực tiếp của sóng biển, độ lún của cát với phƣơng pháp đƣợc sử dụng là đóng trực tiếp bộ khung xuống cát. Ngoài ra khi có vấn đề về bề mặt của cát không phẳng ta khắc phục bằng cách sử dụng mặt bích chống lún có thể điều khiển cao độ.
Với yêu cầu để đảm bảo độ cứng vững thì chiều sâu đƣợc đóng xuống tối thiểu là 500mm tuy nhiên việc gia cố thêm cũng nhƣ để đáp ứng đƣợc nhiều vị trí lắp đặt khác nhau khoảng cách tối đa có thể đóng đƣợc xuống cát cũng nhƣ để hiệu chỉnh mặt bích chống lún đƣợc thiết kế là 900mm.
Hình 3.5: Bản vẽ tổng thể khung đóng xuống cát.
Khung thang đỡ:
Dựa theo kết cấu của giàn giáo trong xây dựng tuy nhiên để phục vụ cho mục đích khi leo trèo, cũng nhƣ đỡ phần trên của cơ cấu mà vẫn đủ độ bền, độ cứng vững, khả năng chịu va đập của sóng cũng nhƣ việc ngâm dƣới nƣớc biển mà giàn giáo thực tế không đáp ứng đƣợc.
Để đảm bảo độ cao của bộ khung đáp ứng cho độ sâu từ 1300 mm đến 1500 mm của mực nƣớc biển nơi thực nhiệm tại Vũng Tàu từ cũng nhƣ giữ khoảng cách an toàn với nƣớc biển cho những phần quan trọng phía bên trên. Bộ khung thang đỡ đƣợc thiết kế với chiều cao là 1500mm.
Hình 3.6: Bản vẽ tổng thể khung thang đỡ.
Khung lắp cần:
Khung lắp cần mục đích để đỡ và lắp ráp các cơ cấu quan trọng nhƣ bàn đặt hộp số - máy phát, bàn đặt máy tính cũng nhƣ điều chỉnh và cố định cần theo mực nƣớc. Ngoài ra cịn có thể chịu đƣợc trọng lƣợng của một đến hai ngƣời.
Thiết kế khung lắp cần phải đảm bảo gọn nhẹ, tính linh động, có khả năng chịu tải tốt. Với kích thƣớc phụ thuộc vào các cụm bên trên đồng thời phải cịn chỗ trống để thuận tiện cho q trình lắp ráp, hiệu chỉnh và đo đạc.
Hình 3.7: Bản vẽ tổng thể khung lắp cần.
Khung lắp hộp số, máy phát:
Khung lắp hộp số, máy phát dùng để gắn, cố định các phần của cơ cấu nhƣ hộp số một chiều, cảm biến và máy phát.
Thiết kế khung lắp hộp số máy phát phải đảm bảo việc đồng trục giữa 3 phần: hộp số, cảm biến và máy phát. Có khả năng hiệu chỉnh giữa các phần thông qua việc làm rãnh hiệu chỉnh.
Hình 3.8: Bản vẽ tổng thể khung lắp hộp số, máy phát.
Bàn đặt máy tính:
Bàn đặt máy tính cần có khả năng đặt đƣợc một cụm máy tính để bàn phục vụ cho nhu cầu lấy số liệu.
Hình 3.9: Bản vẽ tổng thể bàn đặt máy tính.
3.5. Thiết kế chế tạo cần đỡ.
Cần có nhiệm vụ chính là để dẫn hƣớng cáp, đảm bảo trong quá trình truyền động đƣợc ổn định bằng việc gắn các puly dẫn hƣớng.
Hình 3.10: Bản vẽ tổng thể cần.
3.6. Thiết kế chế tạo hộp số
Hộp số gồm 2 bánh xích và 3 bánh răng: 2 bánh xích phía ngồi (R1, R2) ăn khớp với xích tải và đƣợc lắp với 2 trục truyền động, 2 trục đƣợc lắp 2 bánh răng phía trong (R3, R4) và ổ bi một chiều. 2 bánh răng phía trong ăn khớp với cùng một bánh răng R5. Bánh răng R5 đƣợc lắp cố định với trục đầu ra. Hộp số kết hợp với bộ truyền xích có hai nhiệm vụ chính:
Hộp số kết hợp với bộ truyền xích là để chuyển từ chuyển động thẳng lên xuống thành chuyển động quay một chiều.
Thông qua hộp số tốc độ của trục máy phát đƣợc tăng tốc. Hệ số tăng tốc quyết định bởi tần số của sóng biển, tần số và số cực của máy phát.
Hình 3.11: Bản vẽ tổng thể hộp số.
Thơng số Ký hiệu Giá trị
Moment quán tính bánh đà ( ) 0,25
Bán kính đĩa xích 1,2 R1, R2 (m) 0,03
Bán kính bánh răng 3, 4 R3, R4 (m) 0,12
Bán kính bánh răng 5 R5 (m) 0,03
Tỉ số truyền của hộp số K 114/31
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của hộp số.
Thông số Ký hiệu Giá trị Điện áp định mức VDC 12-24 Công suất W 60 Tốc độ rpm 900 Trọng lƣợng 0,9 Đƣờng kính trục mm 10
Chƣơng 4: MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ
4.1. Mô phỏng trên Matlab/Simulink
4.1.1. Chƣơng trình đo
Để xây dựng chƣơng trình tính tốn mơ phỏng hoạt động thiết bị, hình 5.4 trình bày sơ đồ khối để tính tốn động lực học. Sơ đồ có hai khối chính là tính tốn chuyển của phao và cụm máy phát.
Khối tính chuyển động của phao. Với điều kiện sóng cho trƣớc và thông số thiết bị đƣợc thiết kế, các hệ số thủy động học đƣợc tính tốn và đƣa vào chƣơng trình tính tốn tổng hợp lực để xác định chuyển động của phao thông qua phản lực