CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
2.4. Xây dựng chương trình mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ học
2.4.3. Khảo sát tính phi tuyến và chuyển động của mô hình theo biên độ sóng biển …
Khảo sát tính phi tuyến của mô hình:
Để khảo sát sự ảnh hưởng phi tuyến của lò xo trong mô hình, tác giả xác định mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ và chu kỳ sóng biển. Trong tính toán hàm sóng biển tác dụng lên mô hình được xét theo hàm sóng bậc hai Stockes. Hình 2.19 đưa ra các đồ thị về mức công suất cơ hệ của thiết bị theo biên độ sóng biển tại các chu kỳ T1 = 3,5 giây, T2 = 4,0 giây và T3 = 4,5 giây, trong đó hệ số phi tuyến của lò xo được lấy kN = 630 N/m3.
Hình 2.19. Đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ sóng tại các chu kỳ sóng biển
Từ đồ thị ta thấy, mức công suất cơ hệ của thiết bị phụ thuộc đồng thời vào cả biên độ và chu kỳ của sóng biển. Ở sóng biển có chu kỳ nhỏ mức công suất nhận
được là lớn hơn ở sóng biển có chu kỳ lớn, giá trị công suất tăng dần khi biên độ sóng biển càng lớn. Ngoài ra, từ đồ thị đường cong công suất nhận được cho ta định lượng mức công suất điện phát ra của thiết bị khi hoạt động thực tế tại biển.
Hình 2.20 đưa ra các đồ thị về mức công suất cơ hệ của thiết bị theo biên độ sóng biển tại tần số sóng biển 1,47 rad/s (là tần số sóng biển xuất hiện liên tục khi thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển), trong đó hệ số phi tuyến kN được lấy tại các giá trị kN = 0 (xét hệ tuyến tính); kN = 630; kN = 1260 và kN = 1680.
Các kết quả nhận được cho thấy với biên độ sóng nhỏ, chẳng hạn ở biên độ sóng A = 0,3 m, giá trị công suất chênh lệch giữa hai trường hợp khi xét hệ tuyến tính và phi tuyến với kN = 1680 N/m3 là rất nhỏ. Với sóng biển có biên độ A = 0,5 m, giá trị công suất chênh lệch trong hai trường hợp là 4,4%. Tương tự với sóng có biên độ A = 1,5 m giá trị chênh lệch là 17,1%. Từ kết quả nhận được đã cho thấy khi thiết bị hoạt động ở sóng biển có biên độ từ 0,5 m trở lên, sự khác biệt khi xét mô hình có ảnh hưởng của sự phi tuyến lò xo và bỏ qua thành phần phi tuyến này là rõ rệt.
Hình 2.20. Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ nhận được theo biên độ sóng biển Do vậy, tác giả nhận thấy trong các nghiên cứu chế tạo thiết bị hoạt động ở các vùng biển với sóng biển lớn, các thông số mô hình cần được tính toán và xét đến sự ảnh hưởng của thành phần phi tuyến, để thiết bị sau khi chế tạo và đưa vào sử dụng đạt tốt nhất.
Khảo sát chuyển động của mô hình theo biên độ sóng biển:
Việc khảo sát chuyển động của mô hình nhằm xác định phạm vi chuyển động của hệ thiết bị theo biên độ sóng biển. Trong tính toán hàm sóng biển tác dụng lên mô hình được sử dụng là hàm sóng bậc hai Stockes ở tần số sóng biển 1,47 rad/s và biên độ sóng biển thay đổi từ 0,2÷1,5 m.
Hình 2.21. Chuyển động của phao theo biên độ sóng biển
Từ đồ thị trên cho thấy, khi sóng biển càng lớn biên độ dao động của hệ càng cao, chẳng hạn ở sóng biển 0,3 m, biên độ dao động của hệ đạt 0,131 m. Nếu sóng biển có biên độ 1,5 m, biên độ dao động của hệ đạt 0,836 m.
Với các kết quả nhận được về mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị và biên độ dao động của hệ theo biên độ sóng biển, cho phép ta lựa chọn chiều dài trục piston, chiều dài thanh răng, kích cỡ vỏ phần thiết bị phát điện sử dụng trong các tính toán thiết kế. Để thiết bị chế tạo được nhỏ gọn, hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển.
Kết luận chương 2
Trong chương này tác giả đã thực hiện các tính toán về mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, với các kết quả chính như sau:
Xây dựng được sơ đồ nguyên lý và mô hình cơ học của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển. Thiết lập được phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình. 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 vùng hoạt động ổn định, mất ổn định và lựa chọn vùng hoạt động của thiết bị.
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.
Đã khảo sát bài toán tuyến tính xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi của lò xo và kích thước phao của thiết bị theo số liệu sóng biển thực tế tại biển Hòn Dấu – Hải Phòng. Từ giá trị hệ số cản của mô tơ phát điện đã nhận được, trong luận án đã lựa chọn loại mô tơ phát điện công nghiệp của hãng Windbluepower với công suất phát điện ổn định đến 1500 W, trong đó điện áp phát ra đạt 12 V và cường độ dòng điện 1 A ngay tại tốc độ chuyển động quay 130 vòng/phút.
Đã xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số, tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị được xét đến với ảnh hưởng của phi tuyến lò xo. Trong các tính toán đã sử dụng phương pháp Runge – Kutta bậc 4 để giải phương trình chuyển động phi tuyến và tính tích phân số theo phương pháp Simpson. Xác định được quỹ đạo chuyển động của phao, mức công suất cơ hệ thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển. Khảo sát tính phi tuyến của hệ và biên độ dao động của mô hình theo biên độ sóng biển.
Từ các thông số mô hình về kích thước phao thiết bị, hệ số đàn hồi của lò xo, mức công suất cơ hệ của thiết bị và biên độ dao động của mô hình theo biên độ sóng biển đã nhận được. Các thông số này sẽ được sử dụng làm cơ sở để tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị như: chiều dài của thanh răng, chiều dài trục piston, kích cỡ vỏ thiết bị và tỷ lệ chuyển đổi của bộ tăng tốc chuyển động quay sẽ được thực hiện ở chương 3 của luận án.
Kết quả chương 2 được công bố trong 03 công trình [3], [4] và [5] trong Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của tác giả.