Phân tích hiệu suất của thiết bị hoạt động thực tế tại biển

CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN

4.3. Phân tích hiệu suất của thiết bị hoạt động thực tế tại biển

Để đánh giá hiệu suất của thiết bị chế tạo hoạt động thực tế tại biển, hiệu suất của thiết bị được phân tích và tính toán trên cơ sở các khối chức năng được đưa ra ở hình 4.8, để chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng điện. Với năng lượng cơ của phao đã hấp thụ được từ năng lượng sóng biển được truyền qua một hệ thống cơ cấu truyền động đến mô tơ phát điện để phát ra điện năng. Hiệu suất hoạt động của thiết bị được xác định trên cơ sở so sánh giữa công suất điện Pe thực tế của thiết bị phát ra khi thử nghiệm tại biển với công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ các kết quả tính mô phỏng số [33,38,72].

Hình 4.8. Cấu trúc sơ đồ khối hiệu suất hoạt động của thiết bị Phân tích hiệu suất hoạt động của thiết bị:

Hiệu suất chuyển đổi điện áp từ 12 VDC sang 220 VAC tần số 50 Hz được xác định từ các số liệu đo thử nghiệm trên bảng 4.2 như sau:

Sóng biển

Phao ghép nối thanh răng - piston

Cơ cấu truyền thanh răng-bánh răng và tăng tốc chuyển động

Pgm

Chuyển đổi DC-AC

Pe

Ổn áp 12 VDC Mô tơ

phát

Điện áp 220 VAC

ηg ηdc-ac

ηe

ηm

.

% 3 , 4 84

27 , 84 09 , 84 15 , 84 67 ,

84    

ac 

dc (4.2)

Với công suất điện của thiết bị đã phát ra và hoạt động ổn định trong thời gian thử nghiệm thực tế tại biển là 200 W, giá trị công suất tính mô phỏng số thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển ở chương 2 là 295,8 W. Hiệu suất chuyển đổi η của thiết bị được xác định bởi biểu thức:

.

% 67

% 8100 , 295

% 200

100  



gm e

P

 P (4.3)

Trong đó hiệu suất η của thiết bị được phân tích gồm các thành phần:

m e



 , (4.4)

với: ηm là hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng do phao đã nhận được từ năng lượng sóng biển đến mô tơ phát điện; ηe là hiệu suất phần điện của thiết bị bao gồm mô tơ phát điện, bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC và bộ chuyển đổi DC-AC.

Giá trị hiệu suất phần điện ηe được xác định như sau:

,

ac dc g e   

 (4.5)

trong đó: ηdc-ac = 84,3% được xác định từ biểu thức (4.2), ηg = 90% là hiệu suất của mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC từ nhà chế tạo đưa ra. Do vậy, hiệu suất phần điện của thiết bị nhận được là ηe = 75,8%.

Sử dụng công thức (4.4), hiệu suất phần cơ hệ ηm của thiết bị tính được như sau:

.

% 88

% 8100 , 75

% 67

100  



m e

 (4.6)

Từ các kết quả tính toán và phân tích đã nhận được cho thấy, hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng sóng biển do phao đã hấp thụ được sang năng lượng điện của thiết bị đạt 67%. Trong đó hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng mà phao đã nhận được từ năng lượng sóng biển đến mô tơ phát điện là 88%, giá trị tổn hao này gồm các tổn hao trên cơ cấu truyền động giữa thanh răng và bánh răng, tổn hao thực tế do phao ghép nối với thanh răng - piston bởi dây cáp được mô hình hóa là một hệ vật được ghép nối gắn chặt chỉ chuyển động lên xuống theo phương

thẳng đứng. Do vậy, với công suất điện của thiết bị đã phát ra và cấp điện cho tải 200 W hoạt động ổn định trong suốt thời gian thử nghiệm ở biển, tác giả nhận thấy thiết bị có thể đáp ứng được trong các mục đích sử dụng như làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng hay làm phao báo dẫn đường biển.

Nhận xét:

Từ các kết quả đã nhận được trong các tính toán lý thuyết ở chương 2 và kết quả thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển, các kết quả cho thấy sự phù hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Trong đó, nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC và 220 VAC tần số 50 Hz thực sine, mức công suất phát điện ổn định với tải 200 W và hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng sóng biển của thiết bị đã nhận được sang điện năng đạt 67%. Tác giả nhận thấy mô hình thiết bị phát điện của luận án được tính toán, thiết kế và chế tạo đã hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam.

Kết luận chương 4

Trong chương này, tác giả đã tiến hành thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động thực tế tại biển Hòn Dấu – Hải Phòng. Thiết bị gồm phao thả nổi trên mặt biển, phần phát điện được gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng. Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết bị được tính toán thông qua so sánh giữa công suất điện của thiết bị thực tế phát ra khi thử nghiệm tại biển với công suất tính toán lý thuyết, mức hiệu suất chuyển đổi của thiết bị đạt 67%.

Trong quá trình thử nghiệm, công suất điện của thiết bị phát ra lớn nhất đạt 300 W và hoạt động ổn định ở tải 200 W trong suốt thời gian thử nghiệm tại biển.

Do vậy, tác giả nhận thấy mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển của luận án nghiên cứu chế tạo có khả năng đáp ứng được trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng.

Kết quả chương 4 được công bố trong 04 công trình [1], [2], [3] và [4] trong Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của tác giả.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận của luận án

Kết luận chung

Luận án này trình bày kết quả nghiên cứu của tác giả về xây dựng mô hình và tính toán thiết kế thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển. Trong luận án đã đưa ra phương pháp nghiên cứu được tiếp cận từ việc khảo sát các điều kiện thực tế của sóng biển, sau đó xây dựng mô hình cơ học, tiếp theo tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển. Với kết quả chính của luận án là:

- Đã thu thập và phân tích được đặc trưng năng lượng sóng biển Việt Nam, trong đó độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ 0,5÷1,2 m với chu kỳ sóng 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng trung bình từ 1,2÷2 m với chu kỳ sóng 6÷8 giây.

- Đã xây dựng được một mô hình cơ học và thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến của thiết bị. Đã áp dụng phương pháp trung bình hóa của cơ học phi tuyến, khảo sát hiện tượng cộng hưởng để thu được đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ - tần số, chỉ ra được vùng hoạt động ổn định và mất ổn định của mô hình.

Đưa ra khả năng chế tạo thiết bị hoạt động trong miền phi tuyến sử dụng tại các vùng biển có biên độ sóng lớn, với năng lượng thiết bị nhận được là lớn nhất. Trong tính toán, tác giả sử dụng phương pháp giải tích đối với bài toán tuyến tính, phương pháp Runge-Kutta bậc 4 và phương pháp Simpson đối với bài toán phi tuyến để tính toán nghiệm và khảo sát sự hoạt động của thiết bị. Xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện, mức công suất thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển theo các thông số mô hình và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam.

- Đã tính toán thiết kế và chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, ưu điểm của thiết bị đã đưa vào sử dụng với mô tơ phát điện loại công nghiệp hiệu suất cao chuyển động quay tròn sẵn có trên thị trường. Đã thực hiện thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng, nguồn điện của thiết bị phát ra đã cấp điện cho tải 200 W hoạt động ổn định trong suốt thời gian thử nghiệm tại biển, với hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng sóng biển của thiết bị đã nhận được sang điện năng đạt 67%.

Những đóng góp mới của luận án

Những đóng góp mới của luận án có thể tóm lược như sau:

- Tác giả đã đề xuất và xây dựng được một mô hình thiết bị phát điện hiệu năng cao từ năng lượng sóng biển, phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam, cũng như khả năng gia công chế tạo ở trong nước.

- Đã thiết lập được phương trình chuyển động phi tuyến của thiết bị, tính toán xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện, mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển theo các thông số mô hình và điều kiện thực tế của sóng biển.

- Đã tính toán thiết kế và chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, thiết bị phát điện của tác giả không trùng lặp với các thiết bị đã có ở trong nước và trên thế giới. Nguồn điện của thiết bị phát ra đã cấp điện cho tải 200 W hoạt động ổn định trong suốt thời gian thử nghiệm thực tế tại biển.

- Chất lượng điện áp xoay chiều của thiết bị phát ra đạt 220 VAC ± 1,52%

tần số 50 Hz ± 0,06% thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam. Thiết bị có khả năng sử dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng.

2. Kiến nghị

Với các kết quả bước đầu của luận án đã đạt được, tác giả nhận thấy cần tiếp tục thực hiện các nghiên cứu tiếp theo, nhằm tạo ra một thiết bị có khả năng ứng dụng và đáp ứng được trong thực tế:

- Nghiên cứu về vật liệu chế tạo vỏ thiết bị, đảm bảo thiết bị hoạt động lâu dài và ổn định trong điều kiện thực tế biển Việt Nam.

- Nghiên cứu mở rộng bài toán tương tác nhiều bậc tự do giữa mô hình hệ thiết bị phát điện – phao dưới tác dụng của sóng biển.

- Tiếp tục nghiên cứu cải tiến mô hình thiết bị nhằm nâng cao hiệu suất và tăng công suất điện phát ra.

- Tiếp tục triển khai thử nghiệm thiết bị hoạt động tại biển trong thời gian dài để đánh giá đầy đủ về sự hoạt động của thiết bị, cũng như khả năng chuyển giao thiết bị đến các đơn vị sử dụng.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1. Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh, Phân tích hiệu suất của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển, Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội (8- 9/12/2017), Tập 1. Động lực học và Điều khiển; Cơ học Máy, 2018, 102-109.

2. Nguyen Van Hai, Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Fabrication and experiment of an electrical generator for sea wave energy, Vietnam Journal of Science and Technology, 2017, 55 (6), 780-792.

3. Nguyen Van Hai, Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Numerical simulation of an electrical generator for sea wave energy, Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology (JMEST), 2017, 4 (9), 8104-8110.

4. Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải, Nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển, 2017, 17 (1), 44-54.

5. Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Như Hiếu, Nghiên cứu, tính toán thiết bị phát điện công suất nhỏ từ năng lượng sóng biển, Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, Hà Nội (7-8/10/2016), 2017, 216-219.

6. Nguyễn Văn Hải, Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị chuyển đổi điện thông minh DC-AC đáp ứng hệ thống thiết bị nạp tích điện năng lượng tái sinh. Kỷ yếu hội thảo Điện tử - Truyền thông - An toàn thông tin ATC/REV 2012, 125- 129.