Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

2.1. Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

2.1.1. Phân tích xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Từ các kết quả phân tích về ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động theo phương thẳng đứng, với mục tiêu chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động hiệu quả và phù hợp theo các điều kiện sóng biển thực tế Việt Nam. Mô hình thiết bị được nghiên cứu xây dựng hoạt động theo phương thẳng đứng, phần phát điện của thiết bị được gắn cố định ở đáy biển kết nối với phao thả nổi trên mặt biển bởi dây cáp. Ngoài ra, từ các số liệu khảo sát và quan trắc về biển cho thấy mô hình thiết bị chuyển động dưới tác dụng của sóng biển là rất chậm. Trên cơ sở về khả năng gia công chế tạo thiết bị ở trong nước, mô hình thiết bị được tính toán sử dụng với mô tơ phát điện công nghiệp loại chuyển động quay tròn hiệu suất cao. Từ đặc trưng hoạt động của mô tơ phát điện thường làm việc hiệu quả ở tốc độ chuyển động quay lớn, để điện năng thiết bị phát ra đạt lớn nhất trong mô hình thiết bị cần tính toán tăng tốc chuyển động quay, từ các chuyển động quay chậm ban đầu nhận được của sóng biển sang chuyển động quay nhanh tại mô tơ phát điện với hiệu suất chuyển đổi đạt lớn nhất.

Hình 2.1 đưa ra sơ đồ cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, trong đó hình 2.1a là sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình truyền năng lượng của phao đã

hấp thụ được từ sóng biển đến mô tơ phát điện qua dây cáp và một hệ thống các cơ cấu truyền động trong mô hình thiết bị. Các bộ phận chính trong mô hình thiết bị gồm: phao dạng trụ tròn; dây cáp; cơ cấu ghép nối thanh răng – piston; bộ tăng tốc chuyển động quay một đầu ghép nối với thanh răng và đầu còn lại ghép nối với mô tơ phát điện; mô tơ phát điện xoay chiều ba pha; các khối board mạch ổn định điện áp 12 VDC từ điện áp xoay chiều ba pha của mô tơ phát ra và bộ chuyển đổi DC-AC chuyển đổi điện áp từ 12 VDC sang điện áp 220 VAC tần số 50 Hz thực sine; lò xo chuyển động một đầu được ghép nối với thanh răng, đầu còn lại gắn xuống chân đế thiết bị, chức năng của lò xo được thiết kế để kéo trục thanh răng - piston chuyển động đi xuống và mô tơ phát điện hoạt động khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng. Từ sơ đồ nguyên lý của thiết bị được xây dựng, mô hình cơ học của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển được quy về một vật khối lượng m chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của sóng biển được đưa ra ở hình 2.1b.

a. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị [33]

b. Mô hình cơ học của thiết bị [33,42,43]

Hình 2.1. Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển 2.1.2. Thiết lập phương trình chuyển động

Trong một số nghiên cứu, các tác giả thường xây dựng phương trình chuyển động của mô hình được xét ở dạng hàm tuyến tính [18,19,31,39-41], thành phần lực cản của mô tơ phát điện được xác định dạng

dt

 dz với γ là hệ số cản và dt

dz là vận tốc chuyển động theo phương thẳng đứng. Trong luận án, phương trình chuyển động của mô hình thiết bị được thiết lập quy về một vật là phao dạng trụ tròn được ghép nối gắn chặt với trục thanh răng - piston chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng z, gốc tọa độ được lấy ở đáy biển với hướng dương là hướng từ dưới lên.

Trong nghiên cứu của luận án, thành phần lực sóng biển tác dụng lên phao được giới hạn chỉ xét ở lực đẩy Acsimet và bỏ qua khối lượng nước kèm tác động lên mô hình. Do vậy, phương trình chuyển động được xây dựng trên cơ sở phương trình cân bằng các lực tác dụng lên mô hình, theo định luật Niutơn II được viết dưới dạng:

lx,

c p

q F F F

F    (2.1)

trong đó: Fq là lực quán tính, Fp là lực đẩy Acsimet và trọng lực của phao, Fc là lực cản và Flx là lực đàn hồi của lò xo. Các thành phần lực này được xác định như sau:

- Lực quán tính:

z(t)

γ k

m

zS(t)

2 ,

2

dt z md

Fq  (2.2)

với m là khối lượng phao và thanh răng – piston (giá trị khối lượng này được tác giả tính toán đồng thời trên cơ sở lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị và được trình bày ở chương 3 của luận án), z là dao động của phao và thanh răng - piston theo phương thẳng đứng (là khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao).

- Lực đẩy Acsimet và trọng lực của phao:

, ) (z z mg gS

F b s

p    (2.3)

trong đó ρ là khối lượng riêng nước biển, g là gia tốc trọng trường, thiết diện phao Sb = πa2 với a là bán kính phao, zs là khoảng cách từ đáy biển đến bề mặt sóng biển.

- Lực cản:

),

( 0

dt z z F d

c

 

  (2.4)

với γ là hệ số cản và z0 là khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao khi mặt biển tĩnh.

- Lực tác dụng của lò xo, được xây dựng gồm các thành phần lực tuyến tính và phi tuyến.

, ) ( )

(z z0 k z z0 3 k

F L N

lx     (2.5)

với kL là hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo và kN là hệ số phi tuyến của lò xo.

Thay các biểu thức (2.2) - (2.5) vào biểu thức (2.1), trong đó z0 là hằng số nên đại lượng

dt dz dt

z z

d(  0)

, do vậy phương trình chuyển động của mô hình viết được như sau:

. ) ( ) ( )

( 0 0 3

2

2 k z z k z z

dt mg dz z z dt gS

z

md  b s     L   N  (2.6)

Trong phương trình (2.6) hệ số cản γ được xác định: γ = γf + γem, với γf là hệ số cản nhớt của nước biển, γem là hệ số cản điện của mô tơ phát điện để chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện. Theo các tài liệu đã công bố về độ cản nhớt

của nước biển [44,45], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt γf của nước biển sẽ là rất nhỏ so với hệ số cản điện γem của mô tơ phát điện nên được bỏ qua. Việc bỏ qua hệ số cản nhớt của nước biển cũng tương đồng theo các nghiên cứu ở các công trình [15,18,19,22], trong tính toán các tác giả đều không đề cập đến hệ số cản nhớt của nước biển và chỉ xét đến hệ số cản điện. Do vậy, phương trình (2.6) được viết lại có dạng:

. ) ( ) ( )

( 0 0 3

2

2 k z z k z z

dt mg dz

z z dt gS

z

md L N

s em

b       

  (2.7)

Công suất trung bình cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển tại thanh răng - piston được xác định từ công thức [15,20,38-41]:

 

10 ( )2 , dt t z

Pgm em  (2.8)

với τ là khoảng thời gian được xét.

Trong phương trình chuyển động (2.7), thành phần lực kNzz03được xét đến do tính phi tuyến của lò xo. Trong mục tiếp theo 2.2, tác giả khảo sát phương trình chuyển động phi tuyến (2.7) để đánh giá sự ổn định của mô hình, khi thiết bị hoạt động tại các vùng biển có độ cao sóng ở mức vừa và lớn, với giả thiết ở sóng biển có độ cao từ 1 m trở lên. Trong mục 2.3, xét thiết bị hoạt động ở sóng biển có độ cao từ 1 m trở xuống, với giả thiết sự phi tuyến của lò xo trong mô hình là không đánh kể. Do vậy, tác giả khảo sát bài toán tuyến tính (xét phương trình (2.7) với kN

= 0) để xác định hệ số cản tối ưu của mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi của lò xo và kích thước phao thiết bị. Trong mục 2.4 thực hiện xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số, khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện thực tế của sóng biển được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo.