Nghiên cứu xây dựng mô hình cơ học và tính toán thiết kế thiết bị phát điện năng lượng sóng biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Hải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Hải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Nguyễn Đông Anh Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận án Nguyễn Văn Hải ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS. Nguyễn Đông Anh, người thầy đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình học nghiên cứu sinh. Tôi xin cảm ơn Viện Cơ học, Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn tới Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí thông qua đề tài khoa học công nghệ VAST 01.10/16-17 để có được các kết quả nghiên cứu của luận án. Xin cảm ơn các đồng nghiệp ThS. Lê Chí Công, ThS. Nguyễn Như Hiếu, cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận án này.

iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan …………………………………………………………………. i Lời cảm ơn …………………………………………………………………… ii Mục lục ………………………………………………………………………. iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ………………………………………. vi Danh mục các bảng …………………………………………………………… viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………………………… ix MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….

TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ 4 THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TẠI VIỆT NAM. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng 4 sóng biển trên thế giới ………………………………………………………. Các thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ …………………………………. Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển …………………………… 6 1.

Nhận xét và đánh giá …………………………………………………. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng 13 sóng biển tại Việt Nam ……………………………………………………… 1. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng 17 biển tại Việt Nam và định hướng nghiên cứu của luận án ……………………. Vị trí địa lý và tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam …………….

Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án ……. 22 Kết luận chương 1 ………………………………………………………. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT 27 BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN …………………………. Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………….

Phân tích xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển 27 2. Thiết lập phương trình chuyển động …………………………………… 29 2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp phi tuyến …………………. Phương pháp trung bình hóa …………………………………………… 32 2.

Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp cộng hưởng ……………… 34 2. Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển …………. Tính toán tối ưu hóa mô hình thiết bị theo điều kiện sóng biển Việt 41 Nam …………………………………………………………………………… 2. Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao ……………………….

Xây dựng chương trình mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết 52 bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……………. Xây dựng chương trình mô phỏng số ………………………. Tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng 54 lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……………………………………. Khảo sát tính phi tuyến và chuyển động của mô hình theo biên độ sóng 61 biển ….

Kết luận chương 2 ………………………………………………………. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ …………. Cấu trúc tổng thể của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………. Tính toán thiết kế các bộ phận cơ học …………………………………… 67 3.

Phân tích cấu trúc cơ hệ trong thiết bị …………………………………. Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận trong thiết bị …………………… 68 3. Tính toán thiết kế vỏ thiết bị …………………………………………… 71 3. Tính toán thiết kế phần điện …………………………………………….

Tính toán thiết kế tối ưu bộ chuyển đổi DC-AC ………………………. Mạch bảo vệ ……………………………………………………………. Chế tạo thiết bị …………………………………………………………… 83 3. Chế tạo các cơ cấu bộ phận của thiết bị ……………………………….

Lắp ghép hiệu chỉnh thiết bị …………………………………………… 85 3. Kiểm tra sự hoạt động của thiết bị tại phòng thí nghiệm. 86 Kết luận chương 3 ……………………………………………………………. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT THIẾT BỊ 88 HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN ………………………………………… 4.

Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển …………………………. Lắp ghép thiết bị và chuẩn bị thử nghiệm ……………………………. Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển ………………………… 89 4. Phân tích chất lượng điện áp của thiết bị phát ra ………………………… 95 4.

Phân tích hiệu suất của thiết bị hoạt động thực tế tại biển ………………. 97 Kết luận chương 4 ……………………………………………………………. 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 100 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ……………………………….

102 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 109 Phụ lục A: Các số liệu về sóng biển …………………………………………. 109 Phụ lục B: Các bản vẽ thiết kế ………………………………………………. 115 Phụ lục C: Thông số mô hình của mô tơ phát điện …………………………… 129 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Biên độ sóng biển (m)  Tần số góc sóng biển ( rad/s)  Mật độ khối lượng nước biển ( kg/m3) T Chu kỳ sóng biển (s) L Bước sóng (m) z0 Độ sâu nước biển (m) z Chuyển động của phao theo phương thẳng đứng (m) zs Chuyển động của sóng biển (m) γ Hệ số cản (Ns/m) γf Hệ số cản nhớt (Ns/m) γem Hệ số cản điện (Ns/m) t, τ Thời gian (s) Pgm Công suất cơ hệ của thiết bị (W) kL hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo (N/m) kN hệ số phi tuyến của lò xo ( N/m3) m Khối lượng của mô hình thiết bị (kg) Sb Diện tích mặt đáy phao ( m2) g Gia tốc trọng trường ( m/s2) Scanh, Snap, Sday, Sđai Diện tích các mặt cạnh, nắp, đáy và vành đai ( m2) D Mật độ khối lượng ( kg/m3) W Chiều rộng (m) Rp Bán kính (m) Tr, Tk Chiều cao (m) l, Lr, Lp Chiều dài (m) Փ Đường kính (m) h1, h2, h3 Chiều cao (m) Pe Công suất điện của thiết bị phát ra khi thử nghiệm (W) UDC Điện áp một chiều (VDC) UAC Điện áp xoay chiều (VAC) vii IDC Cường độ dòng điện một chiều (A) IAC Cường độ dòng điện xoay chiều (A) f Tần số (Hz) R Điện trở ( Ω) C, Cf Điện dung tụ điện (F) Lf Độ tự cảm (H) J Mật độ dòng điện ( A/m2) B Cảm ứng từ (T) s Thiết diện dây ( m2) d Đường kính dây (m) η Hiệu suất chuyển đổi của thiết bị ηm Hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng từ phao nhận được đến mô tơ phát điện ηe Hiệu suất phần điện của thiết bị ηdc-ac Hiệu suất bộ chuyển đổi DC-AC ηg Hiệu suất của mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC DC-AC Chuyển đổi từ điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều DC-DC Chuyển đổi điện áp một chiều VDC Điện áp một chiều VAC Điện áp xoay chiều IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor PIC Programmable Intelligent Computer IC Integrated circuit viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.

Công suất cơ hệ Pgm theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển 50 Bảng 3. Các thông số chính trong mô hình ………………………………… 69 Bảng 4. Các kết quả thử nghiệm nhận được về công suất điện của thiết bị 93 phát ra tại biển ………………………………………………………………. Giá trị công suất điện phát ra trung bình theo tải thử …………….

94 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1. Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric, Brazil ……………………. Mô hình thiết bị phát điện Oyster …………………………………. Thiết bị phát điện dạng rắn biển …………………………………… 7 Hình 1.

Thiết bị phát điện dạng phao nổi …………………………………. Cấu trúc mô hình thiết bị sử dụng bộ tăng tốc chuyển động quay … 8 Hình 1. Cấu trúc mô hình thiết bị thả nổi trên mặt biển ……………………. Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển ……………………… 9 Hình 1.

Mô hình thiết bị phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo 10 phương thẳng đứng ………………………………………………………. Sơ đồ đo kiểm tra thiết bị hoạt động tại biển của L. Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí ………. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện cố định trên mặt biển ……………… 14 Hình 1.

Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội ……. Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng 15 lượng. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện trực tiếp gắn cố định ở đáy biển …. Sơ đồ các điểm khảo sát và tính thông lượng năng lượng sóng ….

Độ cao sóng trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông …. Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng …………. Thông lượng năng lượng sóng trung bình trong năm ven biển Việt 22 Nam ……. Mô hình thiết bị phát điện từ sóng biển.

Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ……. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A=0,5 m 39 Hình 2. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A=0,8 m 39 x Hình 2. Đồ thị công suất cơ hệ theo hệ số cản ……………………………… 46 Hình 2.

Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC ………. Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát 48 điện theo tốc độ chuyển động quay …………………………………………. Các đường đặc trưng công suất cơ hệ theo tần số góc ……………. Đồ thị công suất cơ hệ theo bán kính phao ………………………… 51 Hình 2.

Sơ đồ khối của chương trình ………. Đồ thị công suất cơ hệ theo tần số góc …………….