1.3. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại Việt Nam và định hướng nghiên cứu của luận án
1.3.2. Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án
Việt Nam có bờ biển dài trên 3260 km, cùng hơn 3000 hòn đảo và trên 1 triệu km2 mặt biển cho thấy việc truyền tải điện nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng ở ngoài biển, hải đảo là rất khó và không thể thực hiện được. Với định hướng phát triển kinh tế của Chính phủ đến năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50%
GDP. Dẫn đến yêu cầu về năng lượng điện đối với kinh tế biển nói chung, điện năng sử dụng trên các nhà dàn DKI hay các đảo ngoài khơi, cũng như điện năng đảm bảo an ninh quốc phòng biển đảo là vô cùng quan trọng.
Định hướng nghiên cứu của luận án:
Qua các nghiên cứu, phân tích đánh giá về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới, cũng như tại Việt Nam đã, đang nghiên cứu và chế tạo. Cùng với sự biến đổi khí hậu và điều kiện thời tiết ngày càng bất thường, các thống kê cho thấy Việt Nam trung bình hàng năm phải hứng chịu khoảng 10 cơn bão và thậm chí sóng thần có thể xảy ra. Từ các phân tích đã cho thấy loại mô hình thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển là phù hợp. Hiện nay, các mô hình thiết bị đã có đều được nghiên cứu chế tạo với mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, các phương trình chuyển động được thiết lập ở bài toán tuyến tính và sự phi tuyến của lò xo trong mô hình đều chưa được xét đến. Việc nghiên cứu tối ưu mới chỉ được xét ở tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện để sử dụng trong tính toán chế tạo mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến [22].
Trong đó, các tính toán tối ưu về kích thước phao và hệ số đàn hồi của lò xo cũng chưa được đề cập. Ngoài ra, tác giả nhận thấy loại mô tơ phát điện công nghiệp chuyển động quay tròn cũng chưa được đưa vào sử dụng trong các tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển.
Với mục tiêu, nghiên cứu chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam. Cấu trúc của thiết bị được nghiên cứu tính toán và thiết kế gồm hai phần, phần phát điện của thiết bị được gắn cố định ở đáy biển và phao thiết bị thả nổi trên mặt biển, chúng được kết nối bởi dây cáp và hoạt động theo phương thẳng đứng. Mô hình thiết bị phát điện được xác định với công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ, phù hợp với đặc trưng của sóng biển Việt Nam (như biên độ và chu kỳ sóng biển) và mục đích sử dụng. 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. Nguyên lý hoạt động của thiết bị là khi sóng biển tác động lên phao, năng lượng sóng biển từ phao truyền đến phần thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển bởi dây cáp được định hướng chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng. Hình 1.19 đưa ra mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển gắn cố định ở đáy biển, thiết bị hoạt động theo phương thẳng đứng và được định hướng nghiên cứu trong luận án.
Hình 1.19. Mô hình thiết bị phát điện từ sóng biển
Ưu điểm là phần phát điện của thiết bị được gắn ở đáy biển, nên thiết bị vẫn hoạt động được trong những ngày biển có bão. Trong mô hình được tính toán đưa vào sử dụng loại mô tơ phát điện công nghiệp chuyển động quay tròn, hiệu suất cao và sẵn có trên thị trường. Sử dụng các cơ cấu thanh răng ghép bánh răng để chuyển đổi các chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng sang chuyển động quay tròn, khớp cá được sử dụng để bánh răng quay theo một chiều cố định. Với cách tiếp cận này, hiện tại tác giả chưa thấy chúng được thực hiện hay công bố trên các công trình ở trong nước và quốc tế.
Từ những lý do trên, luận án cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
- Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, phù hợp theo các điều kiện thực tế biển Việt Nam.
- Thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo. Xác định đường đặc trưng biên độ - tần số của mô hình trong trường hợp cộng hưởng, chỉ ra vùng hoạt động ổn định và mất ổn định.
Tính toán tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện để lựa chọn loại mô tơ phát điện phù hợp sử dụng trong thiết bị, xác định tối ưu kích thước phao thiết bị và hệ số đàn hồi của lò xo để công suất điện thiết bị phát ra đạt lớn nhất. Viết chương trình tính toán
mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo, tính toán mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện sóng biển.
- Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận cơ học của thiết bị. Tính toán thiết kế phần phát điện của thiết bị, nguồn điện của thiết bị phát ra được ổn định tại 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam.
- Chế tạo và lắp ghép toàn bộ thiết bị, thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển.
- Đo khảo sát công suất điện do thiết bị phát ra và các thông số sóng biển thực tế khi thử nghiệm. Phân tích chất lượng điện áp, đánh giá hiệu suất hoạt động của thiết bị trên cơ sở so sánh giữa công suất tính toán lý thuyết và công suất điện của thiết bị phát ra khi thử nghiệm thực tế ở biển.
Kết quả chính của luận án nhằm xây dựng được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam, cũng như khả năng gia công chế tạo thiết bị trong nước. Thiết bị được chế tạo với phần phát điện gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng, phao thiết bị được thả nổi trên mặt biển. Thiết bị sau khi hoàn thiện có khả năng sử dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng thực tế ngoài biển đảo.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới, đặc biệt các mô hình thiết bị gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng. Đã chỉ ra các đơn vị trong nước đã, đang tiến hành nghiên cứu chế tạo về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển với các phân tích chi tiết cho từng loại mô hình thiết bị. Đã thu thập và phân tích về đặc trưng năng lượng sóng biển Việt Nam, với các số liệu về thông lượng năng lượng sóng, độ cao sóng và chu kỳ sóng biển trung bình từng tháng trong năm dọc theo bờ biển trải dài trên 3260 km. 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, đặc biệt khi biển động độ cao sóng ở ven bờ từ 3,5÷5 m, ngoài khơi đạt từ 6÷9 m.
Đã chỉ ra nhu cầu và khả năng ứng dụng của mô hình thiết bị tại Việt Nam.
Đã đưa ra cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển và định hướng nội dung nghiên cứu của luận án, để thiết bị sau khi chế tạo sẽ hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam. Các tính toán về xây dựng mô hình, thiết lập phương trình chuyển động và xác định tối ưu các thông số của thiết bị sẽ được trình bày ở chương tiếp theo của luận án.