Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực: Thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện tại Việt Nam

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận án “Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam” tại trường Đại học Bách khoa Hà nội tác giả nhận được nhiều giúp đỡ từ các tổ chức và cá nhân: Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể các nhà khoa học là: GS. Nguyễn Thế Mịch và PGS. Đặng Thế Ba đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo vạch ra những định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô trong Bộ môn Máy và tự động thủy khí, Viện cơ khí động lực, trường đại học Bách khoa Hà Nội.

Tập thể giảng viên Bộ môn Cơ kỹ thuật – Đại học Công nghệ - ĐHQGHN; Hội cơ học Thủy khí; Hội máy thủy khí và các tạp chí khoa học đã động viên giúp đỡ hỗ trợ về tinh thần cũng như vật chất trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin cảm ơn đến anh em đồng nghiệp nói chung và anh em đồng nghiệp trong Viện khoa học Thủy lợi Miền Trung và Tây Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và công tác. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện khuyến khích cho tác giả vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án tiến sĩ này. Nghiên cứu sinh Phùng Văn Ngọc i LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam”.

Tôi xin cam đoan đề tài luận án của tôi hoàn toàn là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của tập thể các nhà khoa học gồm GS.TS Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS Đặng Thế Ba. Những kết quả nghiên cứu của luận án và số liệu đo đạc thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm và hiện trường của trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố. Hà nội, ngày 22 tháng 08 năm 2019 Thay mặt tập thể hƣớng dẫn khoa học Ngƣời cam đoan GS. Nguyễn Thế Mịch Phùng Văn Ngọc ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .vi DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH. viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ .xi MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

Nguồn năng lƣợng từ biển. Năng lƣợng sóng biển. Các đặc trưng của sóng biển. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng.

Đặc trưng năng lượng sóng biển .3 Tiềm năng năng lƣợng sóng biển Việt Nam. Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển. Sơ lược một số nguyên lý và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng. Tổng quan các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng của Thế giới .3 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ.

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ. Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lƣợng trong nƣớc.6 Kết luận chƣơng 1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN. Cơ sở tính toán dòng năng lƣợng sóng biển.

Các đặc trƣng cơ bản vùng nghiên cứu phát triển thiết bị. Cơ sở tính toán tƣơng tác sóng biển với công trình nổi. Các giả thuyết đối với sóng trên công trình. Xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình nổi.

Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển. Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp mục tiêu để nghiên cứu phát triển. Lựa chọn dạng phao tiếp nhận cho thiết bị. Phƣơng pháp tính toán mô hình phao dạng hộp chữ nhật.

Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị sử dụng dạng phao trụ chóp nón. Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng bằng phao nổi dạng chóp nón. Mô hình cơ cấu máy phát. Nguyên lý hoạt động của mô hình .7 Kết luận chƣơng 2.

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN. Xây dựng mô hình tính toán của thiết bị. Các phương trình cơ học của thiết bị. Phương trình chuyển động của phao 1:.

Phương trình chuyển động của phao 2. Phƣơng trình cơ bản cho hệ thống máy phát. Mô hình điện từ trường máy phát. Áp dụng trong cấu hình máy phát nam châm chuyển động thẳng.

Phƣơng trình lực điện từ của máy phát. Tính toán mô phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sóng sang điện. Giới thiệu về các phầm mềm mô phỏng. Tính phân bố từ trường nam châm vĩnh cửu bằng FlexPDE.

Tính toán mô phỏng hoạt động của máy phát bằng Matlab.5 Kết luận chƣơng 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN. Tính toán khảo sát đặc tính, tính toán thiết kế cho thiết bị có P= 50W. Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sóng thử nghiệm.

Thiết kế, chế tạo máy phát điện. Thiết kế, chế tạo hệ thống phao thu nhận năng lượng. Thử nghiệm, hoàn thiện thiết bị. Đề xuất mô hình chuyển đổi năng lƣợng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy mô thực tế.

Khảo sát một số đặc tính cơ bản .5 Kết luận chƣơng 4 .110 a) Kết luận chung .112 TÀI LIỆU THAM KHẢO.114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .118 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Awp: Phần diện tích tiếp xúc với nước biển. với Awp = BL ( B là chiều rộng và L chiều dài của phao) B: Bề rộng phao nổi (m) BT: Cảm ứng từ (T) Dc: Điện cảm D : Đường kính phao thứ cấp (m) D1: Đường kính phao sơ cấp (m) E : Năng lượng sóng là tổng ( lb.m ) Ekz : Động năng toàn phần dao động của phao (KJ). Epz : Thế năng toàn phần dao động của phao (KJ). ET: Cường độ điện trường (V/m) HT: Cường độ từ trường (A/m) Hs : Chiều cao sóng (m) g: gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2).

m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại của phao (m). F0: Biên độ lực dao động (N). J: Mật độ dòng điện (A/m2) ρc : mật độ điện tích (C/m3) M : độ từ hóa (A/m) n : Số vòng dây T : Chu kỳ (s) f : Tần số (Hz) c : Vận tốc lan truyền (m/s) ρ : Khối lượng riêng (kg/m3) Plt : Công suất lý thuyết thiết bị (kW) Ptt : Công suất thực tế thiết bị (kW) V : Vận tốc truyền sóng (m/s) P : Công suất sóng ( ft.lb/sec hoặc W, kW) f : Tần số ( 1/T ) ( Hz ) c : Vận tốc sóng ( ft/s hoặc m/s) h : Độ sâu của mực nước biển ( ft hoặc m ) vi L: Chiều dài của phao nổi (m) dn: Phần ngập nước của phao (m) Fz: Lực kích thích sóng lên phao (KN) F0: Là biên độ lực dao động (KN). Pz: Công suất thu được từ phao (KW).

Tz: Chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s) mw: Khối lượng phần nước biển tác động vào phao. m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp Sb(t) là dịch chuyển đứng của phao khỏi vị mặt nước tĩnh ban đầu mb1 là khối lượng của phao sb (t ) là gia tốc chuyển dịch đứng của phao Fe,b(t) là lực kích thích theo chiều đứng của sóng tới Fr,b(t) là lực theo chiều đứng do sóng phát xạ Fb,b(t) là tổng lực đẩy thủy tĩnh và lực trọng trường Fb,v(t) là lực cản Fb,f(t) là lực ma sát nhớt của nước Fb,u(t) là lực điện từ trường của máy phát Z: Biên độ dao động phao nổi hình hộp chữ nhật (m) vii DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH λ: bước sóng ( ft hoặc m) γ : Trọng lượng riêng (N/m3) η : Hiệu suất thiết bị (%) εo : Độ điện thẩm chân không (εo = 8,854.10-12 F/m) ε : Độ điện thẩm của môi trường μo : Độ từ thẩm chân không (μo = 4π .m/A) μ : Độ từ thẩm môi trường ωz: Tần số góc của dao động (rad/s). viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng anh Tiếng việt Commission Energy CERT Research and Ủy ban công nghệ năng lượng Technology EVN Vietnam Electricity Tập đoàn điện lực viện nam HEB Hydro Electric Barrel Hydro Electric Barrel IEA International Energy Ủy ban năng lượng thế giới Agency Linear power Thiết bị chuyển đổi năng lượng LPM management sóng biển chuyển động tịnh tiến NL Energy Năng lượng NLTT Renewable energy Năng lượng tái tạo NLSB Wave ocean energy Năng lượng sóng biển NTB Nam Trung Bộ Chuyển đổi năng lượng sóng biển OWAP Ocean Wave Air Piston bằng piston nén khí Oscillating Water Thiết bị chuyển đổi năng lượng OWC Column sóng nhờ động cột nước OES Ocean energy systems Hệ thống năng lượng biển R&D Research & Research and Development Development VKHTLVN Viện khoa học thủy lợi Việt nam VN Việt nam ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Mức năng lượng sóng biển tại một số vùng biển trên thế giới.

Năng lượng TB tháng của một số vùng có tiềm năng nhất (kW/m). Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ đang thực hiện. Các thiết bị gần bờ đã và đang phát triển trên thế giới. Các thông số kích thước khối lượng phụ thuộc vào dạng phao.

Các thông số thiết kế cơ bản ban đầu của thiết bị. Thống kê chi tiết các bộ phận cấu thành phao1 và phao 2 .3 Năng lượng có thể thu được theo kích thước phao (cả ma sát). Thông số đặc trưng chủa máy phát điện LPM. Công suất trung bình tối đa trên mỗi ống dây ứng với điều kiện sóng vùng Nam Trung Bộ.

108 x DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Biểu đồ phân bố mức năng lượng sóng trên toàn thế giới. Các thông số cơ bản của sóng biển. Hình mô tả chuyển động của sóng biển.

Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng song [36]. Các dạng năng lượng đặc trưng của sóng biển. Chuyển động của sóng tịnh tiến. Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo đơn vị độ dài.

Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo đơn vị diện tích. Thế năng theo thời gian. Động năng theo chiều sâu. Bản đồ phân vùng năng lượng sóng biển của Việt nam.