Nghiên cứu mô hình cơ học và tính toán sự ổn định của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN SỰ ỔN ĐỊNH
CỦA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
STUDY ON THE MECHANICAL MODEL AND CALCULATING STABILITY
OF AN ELECTRICAL GENERATOR FROM SEA WAVE ENERGY
Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh
Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Ngày nhận bài: 27/05/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: TS. Nguyễn Quốc Tuấn
Tóm tắt:
Báo cáo đưa ra các kết quả đạt được trong nghiên cứu thiết lập mô hình cơ học về thiết bị chuyển
đổi năng lượng sóng biển sang năng lượng điện. Mô hình thiết bị hoạt động theo phương thẳng
đứng của sóng biển, phao thả nổi trên mặt biển và truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến
môtơ phát điện được gắn cố định ở đáy biển thông qua dây cáp. Các tính toán đưa ra một cấu trúc
mô hình thiết bị được nghiên cứu và thiết lập, chỉ ra vùng hoạt động ổn định và mất ổn định của mô
hình, phạm vi dao động và xác định mức công suất thiết bị nhận được theo các điều kiện sóng biển
thực tế Việt Nam.
Từ khóa:
Năng lượng tái tạo, năng lượng sóng biển, máy phát điện, chuyển đổi năng lượng.
Abstract:
This paper presents some results achieved in study on the mechanical model of device for converting
sea wave energy into electrical energy. The device model works in the vertical direction of sea
waves. The buoy of device floats on the sea surface to receive the energy from sea waves, it is
directly connected via a rope to the electrical generating motor fixed on the seabed. The calculations
give the main structure of device model to be studied and established, indicating the stable and
unstable operating area of the model, the range of oscillation and determining the mechanical power
level of device received according to Vietnam’s actual sea wave conditions.
Keywords:
Renewable energy, sea wave energy, electrical generator, power conversion.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Trên thế giới, các mô hình thiết bị phát chế tạo theo nhiều phương pháp và cách
thức hoạt động khác nhau, nhưng chủ yếu
Điển, Úc, Ý,... Các mô hình thiết bị được
điện từ năng lượng sóng biển đã đang
được nghiên cứu và phát triển ở các nước được chia thành hai loại chính là thiết bị
Anh, Mỹ, Nhật Bản, Tây Ban Nha, Thụy hoạt động nổi trên mặt biển và thiết bị lắp
24
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
đặt cố định ở đáy biển, tiêu biểu như Nghiên cứu cơ khí đã thực hiện đề tài
[1-9]:
KC.05-17/06-10, nghiên cứu thiết kế chế
tạo thiết bị phát điện sử dụng năng lượng
sóng biển. Thiết bị được chế tạo gồm năm
khoang phao, trong đó ba khoang để thu
nhận năng lượng sóng và hai khoang chứa
môtơ phát điện, các khoang được kết nối
bằng các bộ khớp thủy lực. Với công suất
phát điện được tính toán từ 5÷10 kW [10].
Thiết bị phát điện lắp đặt cố định ở đáy
biển được nghiên cứu, chế tạo với phần
phát điện của thiết bị gắn cố định ở đáy
biển kết nối với phao thả nổi trên mặt biển
qua dây cáp được định hướng chuyển
động lên xuống theo phương thẳng đứng.
Công suất phát điện của thiết bị được chế
tạo vào khoảng 10 kW [1-6].
Ngoài ra, giữa Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội và Viện Nghiên cứu cơ khí đã
thực hiện nghiên cứu tính toán động lực
học hệ thống phát điện bằng năng lượng
sóng. Các tác giả tính toán thiết kế mô
hình thiết bị được đặt trên một trụ đứng
và gắn cố định trên bề mặt sóng. Năng
lượng sóng biển từ phao nhận được thông
qua hệ thống thủy lực truyền dẫn đẩy
quay môtơ phát điện và phát ra điện năng,
công suất phát điện được tính toán ở mức
dưới 0,5 kW [11]; Tại Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
Thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển
với công suất phát điện từ 10÷750 kW,
chủ yếu gồm các loại: Thiết bị phát điện
dạng phao trụ nổi sử dụng môtơ phát điện
loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo
phương thẳng đứng và phát điện trực tiếp
[5-7]; thiết bị phát điện dạng rắn biển
(Pelamis) được chế tạo gồm bốn khoang
phao thả nổi trên mặt biển, các khoang
phao được kết nối với nhau bởi các bộ
khớp thủy lực. Dưới tác động của sóng
biển, hệ thống thủy lực hoạt động đẩy dầu
nạp vào bình được tích áp. Dầu từ bình thực hiện nghiên cứu hai mô hình thiết bị
tích áp được điều chỉnh cấp ra với dòng
năng lượng dầu có áp suất cao và lưu
lượng ổn định được truyền dẫn đẩy quay
các môtơ phát điện [5-7]; Ngoài ra, tại
Nhật Bản, các nhà khoa học đã đưa ra mô
hình thiết bị phát điện lắp đặt cố định trên
mặt biển. Cấu trúc của thiết bị gồm phao
chuyển động lên xuống theo phương
thẳng đứng và các cơ cấu truyền động để
kéo môtơ phát điện hoạt động và phát ra
điện năng [6,8,9].
gồm: Thiết bị hoạt động nổi trên mặt biển
được chế tạo gồm hai khoang chứa trên
dưới, khoang ở trên nhận nước biển đổ
vào trong nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng
sóng đến đỉnh sóng và đồng thời khoang
dưới xả nước đẩy quay môtơ phát điện
[12]. Thiết bị gắn cố định ở đáy biển được
xây dựng gồm hai phần chính, phần phát
điện được gắn cố định ở đáy biển sử dụng
một môtơ phát điện ba pha loại nam châm
vĩnh cửu và hoạt động theo phương thẳng
đứng, phao của thiết bị được thả nổi trên
mặt biển và truyền năng lượng sóng biển
nhận được xuống phần phát điện ở đáy
Tại Việt Nam, đã có một số đơn vị thực
hiện nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện
từ năng lượng sóng biển như: Viện
Số 25
25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
biển thông qua dây cáp [13,14].
ngoài khơi đạt từ 6÷9 m [15,16]. Do vậy,
để xây dựng một mô hình thiết bị phù hợp
và hiệu quả theo điều kiện thực tế biển
Việt Nam. Mô hình được nghiên cứu 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.
Mặt khác, qua các số liệu quan trắc và
thống kê, trung bình mỗi năm Việt Nam
thường hứng chịu khoảng 10 cơn bão, đây
là mối gây nguy hại trực tiếp cho các thiết
bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt
động ở biển. Các số liệu khảo sát cho thấy
độ cao sóng biển ở ven bờ trong khoảng
0,6÷1,4 m với chu kỳ sóng từ 2÷8 giây, ở
ngoài khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với
chu kỳ từ 6÷8 giây. Đặc biệt khi biển
động độ cao sóng ven bờ đạt từ 3,5÷5 m,
Phân tích xây dựng mô hình thiết bị:
Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển được xây dựng như
hình 1.
Sóng biển
Phao
Giá định hướng trục chuyển động
theo phương thẳng đứng
Piston
Thanh răng
Bánh răng
Tăng tốc
chuyển động
Tăng tốc
chuyển động
Điện áp cấp ra
Môtơ
Môtơ
phát 1
phát 2
Lò xo
Vỏ thiết bị
Tích hợp và ổn định điện áp
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
26
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Trong đó, các bộ phận chính của mô hình dưới tác dụng của sóng biển được đưa ra
thiết bị được thiết lập gồm: phao dạng trụ ở hình 2. Trong đó, hình 2a là mô hình cơ
tròn; dây cáp; các cơ cấu ghép nối thanh học của thiết bị được thiết lập sử dụng hai
răng - piston; các bộ tăng tốc chuyển động môtơ phát và hình 2b là mô hình tương
quay để chuyển đổi các chuyển động quay đương.
chậm ban đầu nhận được từ sóng biển
sang chuyển động quay nhanh tại môtơ
phát điện, bộ tăng tốc chuyển động một
đầu ghép nối với thanh răng và đầu còn
lại ghép nối với môtơ phát điện; 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 môtơ phát điện hoạt
động khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng
xuống bụng sóng. Trong mô hình tác giả
đưa vào sử dụng hai môtơ phát điện,
nhằm tối ưu về thiết kế lắp đặt và thuận
lợi trong việc lựa chọn loại môtơ phát
điện hiệu suất cao.
zS(t)
m
z(t)
k1
γ1 k2
γ2
(a) Mô hình cơ học của thiết bị
sử dụng hai môtơ phát
zS(t)
m
Trong nghiên cứu này, trước tiên tác giả
thu thập và phân tích số liệu về sóng biển,
tiếp theo thiết lập mô hình thiết bị, thực
hiện các tính toán mô phỏng số nhằm xác
định vùng hoạt động ổn định, phạm vi dao
động của hệ theo các thông số mô hình và
mức công suất thiết bị nhận được theo các
điều kiện thực tế sóng biển Việt Nam.
z(t)
k
γ
2. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH
CHUYỂN ĐỘNG
(b) Mô hình tương đương
Hình 2. Mô hình cơ học thiết bị phát điện
từ năng lượng sóng biển
Từ sơ đồ nguyên lý của mô hình được xây
dựng (hình 1), mô hình cơ học của thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển được
quy về một vật khối lượng m chuyển
Trong đó, các hệ số cản và đàn hồi của lò
xo tương ứng: γ = γ1 + γ2; k = k1 + k2, ở
đây γ1 là hệ số cản của môtơ phát 1, γ2 là
động lên xuống theo phương thẳng đứng hệ số cản của môtơ phát 2, k1 là hệ số đàn
Số 25
27
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
hồi lò xo 1 và k2 là hệ số đàn hồi lò xo 2.
cản điện γem của môtơ 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 [3,4]. Do vậy,
phương trình (1) được viết lại có dạng:
Phương trình chuyển động của mô hình
được thiết lập quy về một vật là phao
được ghép nối gắn chặt với các trục thanh
răng – piston chuyển động lên xuống theo
phương thẳng đứng z, được viết như sau:
d2z
dz
dt
m
gSb(zs z) mg em
2
d2z
dz
dt
dt
(2)
m
gSb(zs z) mg
kL(z z0) kN(z z0)3.
2
dt
(1)
kL(z z0) k N(z z0)3.
3. TÍNH TOÁN SỰ HOẠT ĐỘNG ỔN
ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH THIẾT BỊ
Các thành phần trong phương trình (1)
gồm: m là khối lượng phao và các thanh
răng – piston, trong đó thành phần nước
kèm tác động lên mô hình được bỏ qua
[3,4]; lực acsimet tác dụng lên phao
ρgSb(zs - z) với ρ là khối lượng riêng nước
biển, g là gia tốc trọng trường, diện tích
của đáy phao là Sb=πr2 với r là bán kính,
zs là khoảng cách từ đáy biển đến bề mặt
sóng biển, z là chuyển động của phao và
thanh răng - piston (là khoảng cách từ đáy
biển đến đáy phao); mg là trọng lượng của
phao và các thanh răng - piston; lực cản
dz
Để tính toán sự hoạt động ổn định của mô
hình, ta khảo sát dao động của hệ trong
trường hợp cộng hưởng. Từ phương trình
chuyển động (2), ta thực hiện đổi biến
z – z0 = x. Phương trình chuyển động (2)
của hệ được viết lại dưới dạng:
d2x
dt2
m
gSb(zs z0 x) mg
(3)
dx
dt
em
kLx k Nx3.
Xét hàm sóng có dạng:
zs Acos(t) z0.
với γ là hệ số cản; lực đàn hồi của lò
gSb k
Đặt:
kN
m
em
dt
2
L ;
; c
;
xo kL(z - z0) với kL là hệ số đàn hồi của lò
xo, kN là hệ số phi tuyến của lò xo, z0 là
khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao khi
mặt biển tĩnh.
m
m
gSb A
Thay vào biểu thức (3), ta
.
B
m
được:
d2x
dx
Trong tính toán hệ số cản γ được xét gồm:
γ = γf + γem, với γf là hệ số cản nhớt của
nước biển, γem là hệ số cản điện của môtơ
phát 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
[17,18], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt
γf của nước biển sẽ là rất nhỏ so với hệ số
2x c x3 Bcos(t) g.
2
dt
dt
(4)
Trong trường hợp gần cộng hưởng
2 2 ,thực hiện biến đổi ta được:
d2x
2
x f (x, x,t),
(5)
2
dt
28
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
với ký hiệu:
Áp dụng phương pháp trung bình hóa của
cơ học phi tuyến, hệ phương trình (8)
được viết dưới dạng:
dx
3
f (x, x,t) c x x Bcos(t) g.
dt
Thực hiện biến đổi phương trình vi phân
(5) về dạng chuẩn Lagrange-Bogoliubov,
sử dụng phép biến đổi [19,20]:
2
da
dt
1
1
F(a,, )sin d,
0
2
2
d
1
1
a
F(a,, )cos d.
0
x acos(t ) x0.
(6)
dt
2
Thực hiện tính toán, ta có hệ phương trình
(9)
a
xác định
và a như sau:
Thực hiện tính toán ta được:
f (acos(t ) x0 ,
da
dt
1
1
ca Bsin ,
a
asin(t ),
sin(t ),
2
2
d
3
t) x0
1
3
a
a a 3ax 2 Bcos .
0
(7)
2
f (acos(t ) x0 ,
dt
4
1
a
asin(t ),
cos(t ).
Cho a ta được các công thức
xác định nghiệm dừng:
2
t) x0
Để xác định nghiệm của hệ phương trình
(7), ta thực hiện phép đổi biến:
t . Thực hiện biến đổi, ta được:
Bsin0 ca0,
3
2
Bcos a02 3x0 a .
0
0
4
casin a cos
(10)
3
x0 (a cos x0 )
da
dt
1
sin ,
Giải hệ phương trình (10), ta nhận được
phương trình hàm biên độ - tần số như
sau:
B cos cos
2
Bsin sin x0 g
casin a cos
3
B2
2
2 2 a02 3x0
c22 .
3
2
x0 (a cos x0 )
d
4
1
a0
a
cos.
B cos cos
dt
(11)
2
Bsin sin x0 g
Hình 3 đưa ra các đồ thị biểu diễn sự phụ
thuộc giữa biên độ a0 theo tần số Ω2 với
các thông số được lấy như sau: m = 25 kg;
r = 0,35 m; g = 9,81 m/s2; x0 = 0,4 m;
kL = 1900 N/m và kN = 700 N/m3, ở các
trường hợp hệ số cản γem khác nhau tại
sóng biển có biên độ 0,5 m.
(8)
Ta đặt:
F(a,, ) casin acos x0
(acos x0)3 Bcoscos
Bsinsin 2x0 g.
Số 25
29
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
tần số với hệ số cản γem = 40 trên hình 3
và γem = 80 trên hình 4, cho thấy khi Ω2
tăng, biên độ dao động dừng a0 nhận các
giá trị trên nhánh đi từ điểm (I) qua điểm
(II) đến điểm (III). Tại điểm (III) xảy ra
hiện tượng mất ổn định, biên độ dao động
tụt xuống điểm (V), rồi nhận các giá trị
trên nhánh đi từ điểm (V) sang điểm (VI).
Khi Ω2 giảm, biên độ dao động dừng nhận
các giá trị trên nhánh đi từ điểm (VI) qua
điểm (V) đến điểm (IV). Tại điểm (IV) có
hiện tượng nhảy vọt biên độ dao động từ
điểm (IV) lên điểm (II), rồi biên độ nhận
các giá trị trên nhánh đi từ điểm (II) về
phía điểm (I). Do vậy, nhìn chung vùng
dao động ổn định là nhánh trong vùng tần
số từ điểm (I) đến điểm (II) và vùng tần
số từ điểm (V) đến điểm (VI). Trong vùng
tần số đi từ điểm (II) đến điểm (III) và
giảm từ điểm (V) về điểm (IV), dao động
của hệ có nhảy mức với biên độ dao động
không ổn định, đây là vùng nguy hiểm
cần tránh khi tính toán chế tạo thiết bị
hoạt động. Mặt khác, nếu có đủ số liệu về
điều kiện sóng biển thực tế tại các vùng
biển có biên độ sóng lớn, ta có thể khai
thác mô hình hoạt động ở vùng tần số ổn
định gần điểm (II) để biên độ dao động
của hệ nhận được là lớn nhất và năng
lượng hệ nhận được từ sóng biển là lớn
nhất. Do vậy, để thiết bị hoạt được ổn
định và phù hợp với điều kiện thực tế của
sóng biển, thiết bị nên được lựa chọn chế
tạo hoạt động trong vùng tần số ở miền
(I), các giá trị tần số trong miền (I) là đều
an toàn so với phạm vi dao động của sóng
biển thực tế Việt Nam.
Hình 3. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ
theo tần số Ω2, với A = 0,5 m
Hình 4 đưa ra các đồ thị biểu diễn sự phụ
thuộc giữa biên độ a0 theo tần số Ω2 với
các thông số mô hình: m = 35 kg; r = 0,45
m; g = 9,81 m/s2; x0 = 0,5 m; kL = 2200
N/m và kN = 2000 N/m3, các hệ số cản γem
thay đổi tại sóng biển có biên độ 0,75 m.
Hình 4. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ
theo tần số Ω2, với A = 0,75 m
Từ biểu thức (11) và các đồ thị trên cho
thấy, với từng hệ số cản γem, dạng đường
cong biên độ theo tần số Ω2 của hệ là
khác nhau và phức tạp. Cụ thể, trong
trường hợp đồ thị đường cong biên độ -
30
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
4. KHẢO SÁT SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA
THIẾT BỊ VÀ THẢO LUẬN
Các kết quả tính toán cho phép xác định
biên độ dao động của phao, quỹ đạo pha
và đồ thị công suất cơ hệ P của thiết bị
nhận được từ năng lượng sóng biển. Hình
5 đưa ra đồ thị về chuyển động của phao
và sóng biển theo thời gian.
Trong tính toán mức công suất cơ hệ P
của mô hình thiết bị nhận được từ năng
lượng sóng biển được xác định theo biểu
thức [1,2]:
1
2
P
em z(t) dt,
(12)
0
với τ là khoảng thời gian được xét.
Trong thực tế sự biến đổi của sóng biển là
phức tạp, các số liệu về sóng biển thường
được xác định từ quan trắc và khảo sát
thực nghiệm. Giá trị độ cao sóng biển
được sử dụng trong các tính toán là mức
độ cao sóng trung bình, tần số của sóng
biển được sử dụng là tần số sóng xuất
hiện với tần suất liên tục trong thời gian
dài. Do vậy, hàm sóng biển tác dụng lên
mô hình được xét dưới dạng sóng tuyến
tính chuyển động theo phương thẳng đứng
z có dạng:
Hình 5. Chuyển động của phao và sóng biển
theo thời gian
Từ kết quả đồ thị nhận được cho thấy
chuyển động của phao luôn trễ pha so với
chuyển động của sóng biển là 33,93o. Với
biên độ của sóng biển là 0,75 m, biên độ
dao động của hệ phao ghép nối thanh răng
- piston là 0,418 m.
(13)
zs Asin(t) z0,
Trong mô phỏng số các thông số mô hình
được xác định với: A = 0,75 m; m = 30
kg; Sb = 0,5027 m2; γem = 3400 Ns/m; kL =
2200 N/m; kN = 2000 N/m3; z0 = 5,5 m và
ω = 1,47 rad/s (là tần số sóng biển xuất
hiện với tần suất lớn tại biển Hòn Dấu –
Hải Phòng đã được khảo sát đo đạc thực
tế [13]). Các thông số của mô hình đã
được tác giả tính toán tối ưu với kết quả
nhận được ở các công trình [13,14,21].
Các số liệu về biên độ và chu kỳ sóng
được tính toán cho biển Hòn Dấu – Hải
Phòng để tiến tới sau khi chế tạo sẽ đưa
thiết bị vào sử dụng tại biển Hòn Dấu.
Hình 6 đưa ra đồ thị quỹ đạo pha mô hình
chuyển động dưới tác dụng của sóng biển.
Hình 6. Quỹ đạo pha
Số 25
31
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Từ đồ thị nhận được cho thấy quỹ đạo đồ thị đường cong công suất nhận được
chuyển động của mô hình thiết bị có dạng cho ta định lượng mức công suất điện
đường elip khép kín. Do vậy, mô hình phát ra của thiết bị khi hoạt động thực tế
thiết bị hoạt động ổn định dưới tác dụng tại biển.
của sóng biển, phạm vi dao động xung
Để khảo sát sự ảnh hưởng của thành phần
quanh vị trí cân bằng ở mặt nước biển
phi tuyến trong mô hình, tác giả tính toán
5,5 m (với hệ tọa độ được gắn ở đáy biển).
mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận
Hình 7 đưa ra đồ thị xác định mức công được theo biên độ sóng biển tại tần số
suất cơ hệ của thiết bị nhận được từ năng sóng biển 1,47 rad/s (xem hình 8). Trong
lượng sóng biển tại các chu kỳ sóng đó, hệ số phi tuyến kN được lấy với các
T1 = 3,5 giây; T2 = 4,0 giây; T3 = 4,26 giây giá trị kN = 0 (xét hệ tuyến tính); kN = 700
và T4 = 4,5 giây theo biên độ sóng biển.
N/m3; kN = 1400 N/m3 và kN = 2000 N/m3.
Các kết quả nhận được cho thấy ở biên độ
sóng nhỏ, chẳng hạn ở biên độ sóng 0,3
m, giá trị công suất chênh lệch giữa hai
trường hợp khi xét hệ tuyến tính và phi
tuyến với kN = 2000 N/m3 là rất nhỏ. Với
sóng biển có biên độ 0,75 m, giá trị công
suất chênh lệch trong hai trường hợp là
5,5%. Tương tự với sóng có biên độ 1,5 m
giá trị chênh lệch là 19,4%.
Hình 7. 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. Do ở chu kỳ sóng nhỏ, sóng biến đổi
nhanh nên tốc độ chuyển động của trục
thanh răng – piston sẽ nhanh và kéo môtơ
phát điện chuyển động nhanh, dẫn đến
mức điện áp và cường độ dòng điện phát
ra đạt lớn. Giá trị công suất tăng dần khi
biên độ sóng biển càng lớn. Ngoài ra, từ
Hình 8. Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ
nhận được theo biên độ sóng biển
Từ kết quả nhận được cho thấy khi thiết
bị hoạt động ở sóng biển có biên độ từ
0,75 m trở lên, sự khác biệt khi xét mô
hình có ảnh hưởng của sự phi tuyến lò xo
32
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
và bỏ qua thành phần phi tuyến (ứng với định ở đáy biển sẽ không bị ảnh hưởng
kN = 0) là rõ rệt. Do vậy, khi tính toán bởi sóng và bão biển tác động. Phao của
thiết bị hoạt động ở vùng biển có biên độ thiết bị thả nổi trên mặt biển và truyền
sóng lớn, sự phi tuyến của lò xo trong mô năng lượng nhận được từ sóng biển đến
hình cần được xét đến nhằm thu được kết môtơ phát điện của thiết bị. Mô hình thiết
quả sát với thực tế.
bị được phân tích xây dựng với việc sử
dụng môtơ phát điện công nghiệp sẵn có
trên thị trường để phát điện ổn định. Các
kết quả tính toán nhận được đã chỉ ra
vùng hoạt động ổn định và không ổn định
của mô hình, phạm vi dao động của mô
hình và mức công suất thiết bị nhận được
theo điều kiện sóng biển thực tế Việt
Nam.
Với các kết quả nhận được trong tính toán
khảo sát sự hoạt động của thiết bị, sẽ là cơ
sở xác định các thông số của thiết bị trong
thiết kế như: kích thước phao, chiều dài
các trục thanh răng - piston, lựa chọn
môtơ phát điện và mức tỉ số truyền của bộ
tăng tốc chuyển động quay, nhằm đạt
được mức công suất điện cần phát ra theo
điều kiện thực tế của sóng biển tại nơi
thiết bị sau khi chế tạo sẽ đưa vào khai
thác sử dụng.
Các kết quả nhận được sẽ là cơ sở để tiến
tới thiết kế chế tạo thiết bị sử dụng trong
thực tế. Nhằm góp phần cung cấp điện
năng cho kinh tế biển nói chung, điện
năng sử dụng trên các nhà dàn DKI hay
các đảo ngoài khơi, cũng như điện năng
5. KẾT LUẬN
Báo cáo đã đưa ra cấu trúc một mô hình
thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển đảm bảo an ninh quốc phòng ngoài biển
được thiết lập hoạt động theo phương
thẳng đứng, phần phát điện được gắn cố
đảo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Eriksson, J. Isberg, M. Leijon, Hydrodynamic modelling of a direct drive wave energy
converter, International Journal of engineering Science 43, pp. 1377-1387, 2005.
[2] J. Engstro, M. Erikson, J. Isberg, M. Leijon, Wave energy converter with enhanced amplitude
response at frequencies coinciding with Swedish west coast sea states by use of a supplementary
submerged body, Journal of Applied Physics, 106, 064512, 2009.
[3] Marco Trapanese. Optimization of sea wave energy harvesting electromagnetic device, IEEE
Transactions on Magnetics, 44, pp. 4365-4368, 2008.
[4] Vincenzo Franzitta, Antonio Mesineo and Marco Trapanese, An approach to the conversion of the
power generated by an offshore wind power farm connected into sea wave power generator, The
open renewable energy journal, 4, pp. 19-22, 2011.
[5] António F.O. Falcão. Modelling of Wave Energy Conversion. Instituto Superior Técnico,
Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, 2014.
Số 25
33
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
[6] Nagulan Santhosh, Venkatesan Baskaran, Arunachalam Amarkarthik, A review on front end
conversion in ocean wave energy converters, Front. Energy 2015, 9 (3): 297–310, 2015.
[7] B. Drew, A.R. Plummer, and MN Sahinkaya, A review of wave energy converter technology, Proc.
IMechE Vol. 223 Part A: J. Power and Energy, pp.887-902, 2009.
[8] Keisuke Taneura, Kimihiko Nakano, Pallav Koirala and Kesayoshi Hadano, On the resonance
characteristics of the float type wave power generation device, Journal of Environment and
Engineering, 6 (3), pp. 542-553, 2011.
[9] J.H. Choi, J.S. Park, G.S. Ham, J.S. Choi, Simulation of wave generation system with linear
generator, Proceedings of the 3rd International Conference on Industrial Application Engineering
2015, Japan, pp. 537-541, 2015.
[10] Đề tài cấp Nhà nước (KC.05-17/06-10), Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát điện sử dụng
năng lượng sóng biển, Bộ Khoa học và công nghệ, 2011.
[11] Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Chí Cường, Nghiên cứu tính toán hệ thống phát điện bằng năng lượng
sóng quy mô công suất nhỏ, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, tr. 361-366, 2014.
[12] Báo cáo đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Nghiên cứu thiết kế, thử
nghiệm mô hình phát điện ổn định, hiệu suất cao bằng năng lượng sóng biển - VAST07.04/14-15,
2016.
[13] Báo cáo đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: Nghiên cứu, chế tạo mẫu
thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, VAST01.10/16-17”, 2018.
[14] Nguyen Van Hai, Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Fabrication and experiment of an
electrical generator for sea wave energy, Vietnam Journal of Science and Technology, 55 (6),
pp. 780-792, 2017.
[15] Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và nnk, Năng lượng sóng biển khu vục biển đông và vùng
biển Việt Nam, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội, 2009.
[16] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Lê Vĩnh Cẩm, Đoàn Thị Vân, Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi
năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi, Tạp chí Khoa học và Công nghệ
thủy lợi, tr. 52-59, 2014.
[17] ITTC-Recommended Procedures: Fresh Water and Seawater Properties, 26th ITTC Specialist
Committee on Uncertainly Analysis, No. 7.5-02-01-03, 2011.
[18] Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Văn Hiếu, Thủy Lực Biển, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
Hà Nội, 2006.
[19] Nguyễn Văn Đạo, Trần Kim Chi, Nguyễn Dũng, Nhập môn Động lực học phi tuyến và Chuyển
động hỗn độn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2005.
[20] Nguyễn Văn Khang, Dao động phi tuyến ứng dụng, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2016.
[21] Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Như Hiếu, Nghiên cứu, tính toán thiết bị phát điện
công suất nhỏ từ năng lượng sóng biển, Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và
Tự động hóa, Hà Nội (7-8/10/2016), tr. 216-219, 2017.
34
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Giới thiệu tác giả:
Tác giả Nguyễn Văn Hải tốt nghiệp đại học và nhận bằng Thạc sĩ tại Trường Đại
học Khoa học tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội vào các năm 1998 và 2004; năm
2019 nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành cơ kỹ thuật (cơ điện tử) tại Học viện Khoa
học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hiện nay tác
giả đang công tác tại Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Hướng nghiên cứu chính: nghiên cứu mô hình, tính toán thiết kế và xây dựng các
hệ thống phát điện từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo, đặc biệt là phát điện
từ nguồn năng lượng sóng biển.
Tác giả Nguyễn Đông Anh tốt nghiệp đại học tại Đại học Tổng hợp Quốc gia
Taskent năm 1977, nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành cơ học tại Đại học Tổng hợp
Quốc gia Kiev năm 1985; nhận bằng Tiến sĩ khoa học chuyên ngành cơ học tại Đại
học Tổng hợp Quốc gia Kiev năm 1986; năm 1996 được công nhận học hàm Giáo
sư. Hiện nay tác giả đang công tác tại Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam.
Hướng nghiên cứu chính: dao động của các hệ cơ học, dao động ngẫu nhiên và
tiền định phi tuyến, điều khiển kết cấu, giảm dao động có hại cho các hệ kỹ thuật.
Số 25
35
12 trang
10580
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu mô hình cơ học và tính toán sự ổn định của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_mo_hinh_co_hoc_va_tinh_toan_su_on_dinh_cua_thiet.pdf
