(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển

TỔNG QUAN

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Các nghiên cứu trong nước

Bài báo “Nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển” của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải, được đăng trên “Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 17, Số 1: 2017”, trình bày những kết quả ban đầu trong việc nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Thiết bị được thiết kế để hoạt động theo phương thẳng đứng của sóng biển, với phao nổi trên mặt nước truyền năng lượng đến máy phát điện cố định ở đáy biển Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị hoạt động ổn định, phát ra công suất đạt 200 W và điện áp 220 VAC với tần số 50 Hz thực sine, hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế của biển Việt Nam.

Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn

Hình 1.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải

Bài báo "Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi" của các tác giả ThS Phùng Văn Ngọc từ Viện Khoa học Thủy lợi Miền Trung và Tây Nguyên, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn từ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng ThS Đoàn Thị Vân từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung Ương, đã được công bố trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng, nhằm khai thác nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng từ đại dương.

Bài báo năm 2014 trình bày kết quả nghiên cứu về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng dựa trên nguyên lý phao nổi hình hộp chữ nhật Đồng thời, bài báo cũng cung cấp một số kết quả tính toán cho thiết bị này, đặc biệt là trong các vùng có mức năng lượng sóng biển cao.

Hình 1.3: Nguyên lý mô hình của tác giả ThS Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn

Thế Mịch, TS Lê Vĩnh Cẩn và ThS Đoàn Thị Vân [2]

Bài báo “Khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển” của các tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch và Đặng Thế Ba, được đăng trên tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, giới thiệu nghiên cứu về thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng dựa trên nguyên lý phao nổi Nghiên cứu không chỉ khảo sát và phân tích mà còn tính toán các đặc tính của thiết bị này Kết quả cho thấy thiết bị dao động phao nổi hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chuyển đổi năng lượng thực tế tại vùng biển Việt Nam Đồng thời, nghiên cứu cũng đưa ra một số kết quả tính toán cho thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển dạng hình trụ, phù hợp với vùng có mức năng lượng lớn.

Hình 1.4: Mô hình của tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba

Bài báo “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng đặt ven bờ” của Tống Đức Năng và Lê Hồng Chương, đăng trong tạp chí Khoa học và công nghệ xây dựng số 4 – 2017, giới thiệu một mô hình thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển theo nguyên lý phao nổi Nghiên cứu đã tính toán và khảo sát một số thông số chính của thiết bị cho điều kiện Việt Nam Kết quả cho thấy việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi để chuyển hóa năng lƣợng sóng thành năng lƣợng dòng thủy lực nhằm quay tuabin máy phát điện là phù hợp với nhiều khu vực tại Việt Nam.

Hình 1.5: Mô hình của tác giả Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương [4]

Bài báo “Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện” của các tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh Châu Duy từ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM và Trường ĐH Bách khoa TP HCM giới thiệu các bộ biến đổi năng lượng sóng biển như Aschimedes Wave Swing (AWS) và Wave Dragon (WD) Bài báo cũng phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab cho thấy tính hiệu quả của các bộ điều khiển áp dụng cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển.

Hình 1.6: Mô hình của tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước

Mối quan tâm về năng lượng sóng bắt nguồn từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973, dẫn đến nhiều nghiên cứu về tiềm năng tạo ra điện từ sóng biển Hiện nay, trên toàn thế giới có hàng trăm doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này, cùng với sự đóng góp của nhiều tổ chức và cá nhân trong việc phát minh và sáng chế để nghiên cứu, phát triển công nghệ WEC.

Hình 1.7: Tỷ lệ phát triển của mô hình sóng biển trên thế giới

Hình 1.8: Các công trình thu hồi năng lƣợng sóng trên thế giới

Pelamis là một hệ thống phao bao gồm nhiều ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, được nối với nhau bằng bản lề Khi sóng biển tác động, hệ thống phao chuyển động mạnh mẽ, kích hoạt bơm thủy lực để quay turbin phát điện Nhiều thiết bị tương tự được kết nối với nhau giúp turbin hoạt động liên tục Dòng điện được truyền qua cáp ngầm dưới đáy đại dương vào bờ, kết nối với lưới điện để cung cấp cho hộ sử dụng Việc xây dựng nhà máy điện với công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển khoảng 1 km².

Pelamis neo ở độ sâu từ 50 đến 70 mét, cách bờ dưới 10 km, là khu vực có năng lượng sóng cao Thiết bị này bao gồm ba modul chuyển đổi năng lượng, mỗi modul được trang bị hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ Mỗi thiết bị Pelamis có công suất tối đa 750 kW, với chiều dài từ 140 đến 150 mét và đường kính ống từ 3 đến 3,5 mét.

Bồ Đào Nha là nơi ra mắt hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, bao gồm 3 thiết bị với tổng công suất 2,25 MW Năm 2007, Scotland đã triển khai 4 thiết bị pelamis với tổng công suất đạt 3 MW, có tổng chi phí lên đến 4 triệu bảng.

Crestwing là một hệ thống bao gồm hai phao hình chữ nhật nối liền nhau, hoạt động tương quan để chuyển động Một thanh đẩy gắn vào phao sau giúp dẫn động máy phát điện, tạo ra năng lượng từ áp suất khí quyển khi sóng kéo đi Điều này chứng tỏ rằng nguyên lý Archimedes không phải là yếu tố chính trong việc sản xuất năng lượng Năng lượng sóng có tiềm năng bền vững để chuyển đổi thị trường sang xanh, thay thế các cơ sở công nghiệp dầu khí ngoài khơi và tạo ra một ngành công nghiệp xanh Các nhà máy Crestwing có khả năng sản xuất và lưu trữ hydro, cung cấp nhiên liệu cho ngành vận tải biển.

 Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy:

AquaBuOY là một hệ thống phao nổi có khả năng chuyển đổi năng lượng động học từ chuyển động thẳng đứng của sóng biển thành điện năng sạch Khi sóng biển dâng lên và hạ xuống, hệ thống phao nổi sẽ di chuyển lên xuống mạnh mẽ, kích hoạt các xilanh và tạo ra dòng điện Dòng điện này sau đó được dẫn qua hệ thống cáp ngầm và đưa lên bờ để hòa vào lưới điện.

Hình 1.11 : Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy [6]

Mỗi phao tiêu có thể đạt công suất tới 250 kW, với đường kính phao 6 m Nếu trạm phát điện có công suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển

Bơm ống là một loại ống cao su cốt thép, hoạt động giống như một bơm thông thường Khi sóng nén, nước biển được phun mạnh về phía sau, tạo ra áp lực cao Áp lực này kích hoạt một bộ cao áp, làm quay tuabin để sản xuất điện Nguồn điện thu được sẽ được dẫn qua cáp ngầm vào bờ và hòa vào lưới điện.

Các Aqua Buoy được trang bị tấm pin mặt trời và turbin gió nhỏ để cung cấp điện cho các thiết bị chẩn đoán Tất cả dữ liệu từ thiết bị được truyền tải không dây qua công nghệ vệ tinh về khu vực điều hành Hệ thống Aqua Buoy thường được lắp đặt cách bờ khoảng 5 km, tại những vùng biển có độ sâu 50m.

Năm 2006, dự án 800 kW, ở Makar Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình

Dự án 2 MW tại Figuera da Foz, Bồ Đào Nha và dự án 2 MW ở miền Nam California, Mỹ

Công ty AWS Ocean Energy tại Scotland đã phát minh ra hệ thống phao tiêu chìm ASW, một công nghệ mới biến chuyển động sóng thành điện năng Khác với các hệ thống hiện có, phao tiêu chìm dưới mặt nước giúp nó không bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu trên bề mặt biển Hệ thống này hoạt động giống như những quả ngư lôi nằm ở độ sâu 50 mét dưới mặt nước, vẫn có khả năng tạo ra điện năng từ sóng biển Sáng chế này đã đạt được thành công vào năm 2008.

Hình 1.12 : Hệ thống phao tiêu chìm AWS [6]

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò thiết yếu trong đời sống và sản xuất của con người Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, thủy điện và hạt nhân đang dần cạn kiệt Việc sử dụng năng lượng hóa thạch không chỉ làm cạn kiệt tài nguyên mà còn gây ra tác động tiêu cực đến môi trường, là nguyên nhân chính dẫn đến biến đổi khí hậu và các thảm họa tự nhiên đe dọa sự sống Do đó, nhiều quốc gia trên thế giới đang nỗ lực nghiên cứu và phát triển năng lượng tái tạo nhằm thay thế dần nguồn năng lượng hóa thạch đang suy giảm.

Việt Nam, với vị trí địa lý và khí hậu thuận lợi, được đánh giá là một trong những quốc gia sở hữu nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo phong phú và đa dạng Các nguồn năng lượng này bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học và địa nhiệt, được phân bố rộng rãi trên nhiều vùng sinh thái khác nhau.

Năng lượng sóng biển, so với các nguồn năng lượng tái tạo khác, có mức đầu tư thấp hơn, quy trình đơn giản hơn và ít tác động đến môi trường Tuy nhiên, tại Việt Nam, năng lượng sóng biển chưa được chú ý nhiều trong nghiên cứu và khai thác Mặc dù một mét vuông pin mặt trời chỉ thu nhận từ 0,2 đến 0,3 kW năng lượng, và tháp điện gió hấp thụ từ 2 đến 3 kW, nhưng mỗi mét vuông bờ biển lại có khả năng nhận đến 30 kW năng lượng sóng.

Tính bền vững và khả năng nhân rộng của đề án

Theo thống kê, trong nhiều năm qua, đã có hơn một ngàn sáng chế liên quan đến năng lượng sóng biển Những sáng chế đầu tiên nhằm khai thác năng lượng từ sóng biển xuất hiện từ năm 1799 và được tập hợp tại Paris bởi Girard cùng con trai của ông.

Nghiên cứu tiên phong của Yoshio Masuda trong thập niên 1940 đã thực hiện hàng trăm thí nghiệm về các thiết bị năng lượng sóng trên biển, nhằm chuyển hướng đèn điện.

Mặc dù có nhiều ý tưởng về chuyển đổi năng lượng, nhưng rất ít trong số đó được các viện nghiên cứu công nghệ trên thế giới lựa chọn để thử nghiệm và phát triển Tuy nhiên, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các nhà khoa học ngày càng tin tưởng vào tiềm năng của mô hình chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng thông qua các bộ chuyển đổi năng lượng.

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3200 km, xếp thứ 32 trong số 156 quốc gia, cùng với nhiều hải đảo, tạo ra nguồn năng lượng sóng biển ven bờ dồi dào Vì vậy, nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng mang lại nhiều lợi thế cho đất nước.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng mang lại ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết nhu cầu năng lượng quốc gia, đặc biệt là cho các khu vực khó khăn như ven biển, hải đảo và các hoạt động trên biển trong tương lai.

Dưới sự hướng dẫn của TS Phan Công Bình, học viên đã quyết định nghiên cứu và thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí nhằm thu hồi năng lượng từ sóng biển, phù hợp với các điều kiện thực tế đã nêu.

Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển hệ thống máy phát điện từ năng lượng sóng biển, nhằm giảm áp lực cho điện lưới quốc gia và tiến tới sử dụng năng lượng sóng biển như một nguồn năng lượng chính.

Nghiên cứu và thiết kế thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển sản phẩm thực tiễn, cung cấp nguồn điện dồi dào cho các khu vực dân cư ven biển và hải đảo.

Giới hạn của đề tài

1.5.1 Giới hạn về đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là: Sóng nhân tạo tại hồ thí nghiệm

1.5.2 Giới hạn về phạm vi nghiên cứu

Do thời gian hạn chế, nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng từ sóng biển, nhằm mục đích thử nghiệm thực tế thiết bị tại hồ tạo sóng.

Phương hướng tiếp cận và lựa chọn phương án ý tưởng thiết kế

Tại Việt Nam, hầu hết các thiết bị hoạt động dựa vào nguyên lý phao nổi trên mặt biển, do đó chúng rất dễ bị ảnh hưởng khi biển động hoặc có gió bão Hơn nữa, một số thiết bị thả chìm chỉ nổi lên phao hoặc thuộc dạng phao thả nổi, khiến cho tàu thuyền qua lại khó nhận biết và dễ xảy ra va chạm.

Các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển lắp đặt trên bờ thường sử dụng các mô tơ phát điện công nghiệp truyền thống Tuy nhiên, những mô hình này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp do được xây dựng cố định và khoảng cách xa giữa thiết bị phát điện trên bờ và bộ phận thu nhận năng lượng ngoài biển.

Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển nên còn hạn chế trong việc lắp đặt, bảo dƣỡng, thay thế

Các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển được thiết kế để nổi trên mặt nước ở vùng biển sâu, nhưng trong những ngày biển động hoặc bão, hoạt động của chúng sẽ gặp nhiều khó khăn Hơn nữa, những thiết bị này cũng có thể ảnh hưởng đến các phương tiện di chuyển trên mặt biển.

1.6.2 Đề xuất nhiệm vụ của luận văn

Các nghiên cứu và phân tích về thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển trên thế giới và tại Việt Nam cho thấy rằng thiết bị sử dụng phao nổi đạt hiệu suất cao hơn Để phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của vùng biển Việt Nam, việc lắp đặt thiết bị phát điện cố định gần bờ biển là giải pháp tối ưu.

Nguyên lý làm việc vủa thiết bị

Mỗi khi có sóng, phao (3) sẽ nâng lên, kéo theo dây cáp (10) và xích (4) di chuyển, làm quay bánh răng (5) và trục chính của hộp số 1 chiều (6), từ đó tăng tốc chuyển động và quay máy phát (7) để tạo ra điện Đối trọng (9) giữ cho dây cáp luôn căng khi thiết bị hoạt động, đảm bảo chu trình tiếp theo diễn ra liên tục.

Kết cấu luận văn

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở tính toán năng lƣợng sóng

2.1.1 Những thông số của sóng

Dưới tác động của các lực khác nhau, mặt phân cách nước - không khí tại biển luôn xuất hiện sóng Khi cắt mặt biển nổi sóng bằng một mặt phẳng thẳng đứng theo hướng truyền sóng, giao tuyến sẽ tạo thành đường cong phức tạp, được gọi là profin sóng Quan sát dao động của mặt biển tại một điểm cố định cho thấy biến đổi vị trí mặt nước theo thời gian cũng mang hình dạng phức tạp Trong profin sóng, mỗi sóng bao gồm phần cao hơn mực sóng trung bình gọi là ngọn sóng và phần thấp hơn gọi là đáy sóng, với điểm cao nhất là đỉnh sóng và điểm thấp nhất là chân sóng.

Hình 2.1: Các thông số của sóng

Mực sóng trung bình là đường thẳng chia profin sóng thành hai phần có diện tích bằng nhau Độ cao sóng h được xác định là khoảng cách giữa đỉnh và chân sóng trên profin theo hướng truyền của sóng.

Bước sóng λ là khoảng cách ngang giữa các đỉnh của hai ngọn sóng kế cận nhau trên profin sóng dọc theo hướng truyền của sóng

Chu kỳ sóng τ là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kế cận nhau đi qua một đường thẳng đứng cố định

Vận tốc truyền sóng, hay còn gọi là vận tốc pha, là tốc độ di chuyển của ngọn sóng theo hướng truyền Khái niệm này chỉ áp dụng cho sóng tiến.

Tỷ số độ cao sóng và bước sóng h/λ gọi là độ dốc của sóng

Sóng biển có hai phần chính: sườn đón gió và sườn khuất gió Phần sóng từ chân đến đỉnh hướng về phía gió thổi được gọi là sườn đón gió, trong khi phần ngược lại, từ đỉnh đến chân sóng, khuất gió, được gọi là sườn khuất gió.

Hướng truyền sóng trong biển được tính từ hướng bắc đến hướng chuyển động của sóng

Frôn sóng là đường nối các đỉnh sóng trên nhiều profin sóng, hướng theo chiều truyền chính của sóng Tia sóng là đường thẳng vuông góc với frôn sóng tại điểm đang xem xét.

2.1.2 Tính toán năng lƣợng sóng

Công suất trung bình của sóng đƣợc xác định theo lý thuyết tuyến tính và đƣợc tính theo công thức sau [11]:

Trong đó H: chiều cao sóng (m)

Mật độ năng lượng trung bình trên một đơn vị diện tích được tính bằng tổng động năng E k và thế năng E p Công thức tính mật độ năng lượng là: ( ) (2.2) Vận tốc nhóm C phụ thuộc vào chiều sâu h, và để đơn giản hóa việc xác định chiều sâu, chúng ta chia thành các vùng xa bờ, gần bờ và bờ biển Các công thức tương đương sẽ được áp dụng để tính vận tốc cho từng vùng khác nhau.

Xa bờ Gần bờ bờ biển sâu sâu

Trong vùng bờ biển hay vùng nước cạn, vận tốc nhóm được xác định bằng vận tốc pha Hình 2.2 minh họa phân loại chiều sâu mực nước trong khu vực này.

Cơ sở tính toán thiết kế mô hình phao

Với nguyên lý chuyển động tịnh tiến tương tự, nhưng sự khác biệt về hình dạng và kích thước của phao thu nhận sẽ ảnh hưởng đến công suất và hiệu quả hoạt động của thiết bị.

Hình 2.3: Một số hình dạng thông dụng của phao

Phao sẽ chịu tác dụng của lực đẩy Acsimet:

Trong đó: g=9.81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường

20 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của nước biển.

(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ

Theo điều kiện nổi của các vật thì điều kiện để phao nổi cân bằng trên mặt nước:

G = Fa - Với G là trọng lƣợng của phao

Cơ sở tính toán thiết kế đối trọng

Đối trọng giữ phao ở trạng thái cân bằng trên mặt nước và tăng quán tính trong quá trình thu hồi năng lượng sóng.

Hình 2.4: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng

Ta có các lực tác dụng lên phao:

: trọng lực của đối trọng : trọng lực của phao Phương trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí cân bằng:

- Trong đó: g=9.81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường

20 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của nước biển. m p là tổng khối lƣợng của phao m đt là tổng khối lƣợng của đối trọng

(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ

Tính toán năng lƣợng sóng

Thiết bị thử nghiệm với mực nước 800 ÷ 1000 mm, biên độ sóng 50 ÷ 75 mm, tần số góc =3rad/s

Ta có mật độ năng lƣợng của sóng: [13]

Công suất trên 1 đơn vị bề rộng sóng [13]

H: chiều cao sóng (m) A: biên độ sóng (m) E: Mật độ năng lƣợng sóng (N.m) : công suất sóng trên 1 đơn vị bề rộng sóng ( : tần số góc (rad/s) c: Vận tốc sóng (ft/s hoặc m/s) h: Độ sâu của mực nước biển (ft hoặc m)

Tính toán, thiết kế, chế tạo phao

Dựa trên lý thuyết thiết kế phao, phao hình khối nón kết hợp khối trụ được xác định là tối ưu nhất Phần khối nón chìm dưới nước giúp giảm tối đa lực cản từ nước biển Với chiều cao mực nước ngập từ 500 – 520 mm, phao đạt được trạng thái cân bằng và có diện tích tiếp nhận năng lượng sóng lớn nhất.

Hình 3.1 : Bản vẽ tổng thể của phao

Thông số Ký hiệu Giá trị Đường kính phao Φ (mm) 650

Bảng 3.1: Các thông số của phao.

Tính toán, thiết kế, chế tạo đối trọng

Đối trọng giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì phao ở vị trí cân bằng trên mặt biển, đồng thời hỗ trợ cho cơ cấu hoạt động liên tục trong quá trình thu hồi năng lượng.

Hình 3.2: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng

Phương trình cân bằng lực để cho phao ở vị trí cân bằng với chiều cao phần ngập nước là 500mm:

Trong đó: g=9.81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường

20 (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của nước biển. m p là khối lƣợng của phao

(m 3 ) là thể tích nước bị phao chiếm chỗ.

Thiết kế, chế tạo khung

Các bộ khung chịu tác động từ sóng biển được thiết kế hình chữ nhật với kích thước dài 1200mm và rộng 1000mm, trong đó chiều dài đặt song song với hướng va đập của sóng nhằm tăng cường độ cứng vững Chiều cao tổng của các khung được xác định là 2900mm để đáp ứng yêu cầu về mực nước biển khi chịu tác động.

Hình 3.4 : Bản vẽ tổng thể thiết bị

Bộ khung là nền tảng cứng vững cho toàn bộ cấu trúc, chịu được tác động của sóng biển và độ lún của cát nhờ phương pháp đóng trực tiếp xuống cát Để khắc phục tình trạng bề mặt cát không phẳng, chúng ta sử dụng mặt bích chống lún có khả năng điều chỉnh cao độ.

Để đảm bảo độ cứng vững cho công trình, chiều sâu tối thiểu cần được đóng xuống là 500mm Tuy nhiên, để gia cố thêm và đáp ứng nhiều vị trí lắp đặt khác nhau, chiều sâu tối đa có thể đóng xuống cát và hiệu chỉnh mặt bích chống lún được thiết kế lên đến 900mm.

Hình 3.5 : Bản vẽ tổng thể khung đóng xuống cát

Giàn giáo trong xây dựng được điều chỉnh để phục vụ mục đích leo trèo và hỗ trợ phần trên của cơ cấu, đảm bảo độ bền, độ cứng và khả năng chịu va đập từ sóng cũng như ngâm dưới nước biển Để đáp ứng độ sâu từ 1300 mm đến 1500 mm của mực nước biển tại Vũng Tàu, bộ khung được thiết kế với chiều cao 1500 mm, giữ khoảng cách an toàn với nước biển cho các phần quan trọng phía trên.

Hình 3.6 : Bản vẽ tổng thể khung thang đỡ

Khung lắp cần thiết để hỗ trợ và lắp ráp các bộ phận quan trọng như bàn đặt hộp số - máy phát và bàn đặt máy tính, đồng thời cho phép điều chỉnh và cố định cần theo mực nước Khung này còn có khả năng chịu được trọng lượng của một đến hai người.

Khung lắp cần được thiết kế gọn nhẹ và linh động, đồng thời đảm bảo khả năng chịu tải tốt Kích thước của khung phụ thuộc vào các cụm phía trên, đồng thời cần có đủ không gian để thuận tiện cho quá trình lắp ráp, hiệu chỉnh và đo đạc.

Hình 3.7 : Bản vẽ tổng thể khung lắp cần

 Khung lắp hộp số, máy phát:

Khung lắp hộp số, máy phát dùng để gắn, cố định các phần của cơ cấu nhƣ hộp số một chiều, cảm biến và máy phát

Thiết kế khung lắp hộp số máy phát cần đảm bảo sự đồng trục giữa ba thành phần: hộp số, cảm biến và máy phát Ngoài ra, cần có khả năng hiệu chỉnh giữa các phần thông qua việc tạo rãnh hiệu chỉnh.

Hình 3.8 : Bản vẽ tổng thể khung lắp hộp số, máy phát

Bàn đặt máy tính cần có khả năng đặt đƣợc một cụm máy tính để bàn phục vụ cho nhu cầu lấy số liệu

Hình 3.9 : Bản vẽ tổng thể bàn đặt máy tính.

Thiết kế chế tạo cần đỡ

Cần có nhiệm vụ chính là để dẫn hướng cáp, đảm bảo trong quá trình truyền động được ổn định bằng việc gắn các puly dẫn hướng

Hình 3.10 : Bản vẽ tổng thể cần.

Thiết kế chế tạo hộp số

Hộp số bao gồm 2 bánh xích (R1, R2) và 3 bánh răng (R3, R4, R5) Hai bánh xích bên ngoài ăn khớp với xích tải và được lắp trên 2 trục truyền động, trong khi 2 bánh răng bên trong (R3, R4) kết nối với bánh răng R5, bánh răng này được cố định với trục đầu ra Hộp số kết hợp với bộ truyền xích thực hiện hai nhiệm vụ chính.

Hộp số kết hợp với bộ truyền xích là để chuyển từ chuyển động thẳng lên xuống thành chuyển động quay một chiều

Hộp số tốc độ của trục máy phát giúp tăng tốc độ hoạt động, với hệ số tăng tốc phụ thuộc vào tần số sóng biển, cũng như tần số và số cực của máy phát.

Hình 3.11: Bản vẽ tổng thể hộp số

Thông số Ký hiệu Giá trị

Moment quán tính bánh đà ( ) 0,25

Bán kính đĩa xích 1,2 R 1 , R 2 (m) 0,03 Bán kính bánh răng 3, 4 R 3 , R 4 (m) 0,12

Tỉ số truyền của hộp số K 114/31

Bảng 3.2 : Thông số kỹ thuật của hộp số.

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

Mô phỏng trên Matlab/Simulink

4.1.1 Chương trình đo Để xây dựng chương trình tính toán mô phỏng hoạt động thiết bị, hình 5.4 trình bày sơ đồ khối để tính toán động lực học Sơ đồ có hai khối chính là tính toán chuyển của phao và cụm máy phát

Khối tính chuyển động của phao được xác định dựa trên điều kiện sóng và thông số thiết bị đã thiết kế Các hệ số thủy động học được tính toán và tích hợp vào chương trình tổng hợp lực, từ đó xác định chuyển động của phao thông qua phản lực từ cụm máy phát Vị trí mới của phao sẽ được cập nhật để tính toán vị trí tiếp theo.

Khối tính chuyển động của máy phát được xác định bằng cách chuyển đổi lực dẫn động thành mômen dẫn động cho cụm máy phát Việc tổng hợp mômen dẫn động và mômen sinh ra từ máy phát là cần thiết để tính toán chuyển động quay của bánh đà máy phát, dựa trên định luật 2 Newton liên quan đến mômen quán tính của bánh đà.

Chương trình mô phỏng nhằm mục đích xây dựng phản ứng của hệ thống trước các điều kiện sóng biển và hệ số tải khác nhau Trong quá trình mô phỏng, các yếu tố như mômen và vận tốc của máy phát được tính toán để xác định năng lượng thu được.

4.1.2 Mô phỏng trên Matlab/Simulink

Thông số thủy động học và hình học của thiết bị

Tính lực tổng hợp lực thủy động

Tính gia tốc máy phát

Hình 4.1: Sơ đồ khối tính toán động lực học thiết bị

Sơ đồ khối chương trình mô phỏng, như thể hiện trong hình 4.1, giúp thiết lập biên dạng sóng và các thông số thủy động học trong điều kiện nước phẳng Những thông số này được sử dụng để tính toán hợp lực thủy động tác động lên phao, với chuyển động của phao được xác định dựa trên phương trình II Newton.

Momen xoắn trên tục ra của hộp số tăng tốc là yếu tố quan trọng để dẫn động máy phát Mô hình máy phát được xây dựng nhằm xác định vận tốc quay và năng lượng thu được.

Chương trình mô phỏng được xây dựng trên môi trường Matlab/Simulink như hình 4.2

Hình 4.2: Chương trình mô phỏng kết quả hoạt động trên matlab/Simulink

Chương trình mô phỏng được thực hiện trong 3 trường hợp trong điều kiện sóng trong bảng 5.1 và 3 trường hợp R u trong bảng 5.3

Thông số Ký hiệu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3

Tần số góc (rad/s)  3 2.5 2 Độ cao sóng (m) 0.1 0.125 0.15

Bảng 4.1: Điều kiện sóng làm việc

Thông số Ký hiệu Giá trị

Mômen quán tính bánh đà ( ) 0.25

Bán kính đĩa xích 1,2 R 1 , R 2 (m) 0.03 Bán kính bánh răng 3, 4 R 3 , R 4 (m) 0.12

Tỉ số truyền của hộp số K 114/31

Bảng 4.2: Thông số thiết bị

Thông số mô phỏng được sử dụng để đánh giá phản ứng của hệ thống trước các điều kiện sóng khác nhau và các giá trị R u của máy phát Trong quá trình này, các thông số của hệ thống như bánh xích, bánh răng, bánh đà và tỉ số truyền của hộp số được giữ cố định.

Từ điều kiện sóng, kích thước phao, chiều sâu vị trí lắp đặt các thông số thủy động học đƣợc tra nhƣ trong hình 5.6

Kết quả thí nghiệm đƣợc thực hiện trong 30s đƣợc in trên hình Thể hiện vị trí của phao, vận tốc, mômen và năng lƣợng cấp cho máy phát

Hình 4.3: Thông số thủy động học của sóng biển đối với chiều sâu 1m và phao hình trụ bán kính 0.325m

Kết quả mô phỏng và thảo luận

Bài viết trình bày kết quả mô phỏng trong ba trường hợp sóng khác nhau, bao gồm biên dạng sóng, vị trí phao, mômen, vận tốc và năng lượng Những thông tin này giúp hiểu rõ hơn về hành vi của sóng và ảnh hưởng của chúng đến các yếu tố liên quan.

3 giá trị Ru khác nhau

Vitri phao Ru=0 Vitri phao Ru=0.1 Vitri phao Ru=1

Moment Ru=0 Moment Ru=0.1 Moment Ru=1

Van toc Ru=0 Van toc Ru=0.1 Van toc Ru=1

400 Nang luong Ru=0 Nang luong Ru=0.1 Nang luong Ru=1

Hình 4.4 : Kết quả mô phỏng trường hợp sóng 1

Vitri phao Ru=0 Vitri phao Ru=0.1 Vitri phao Ru=1

4 Moment Ru=0 Moment Ru=0.1 Moment Ru=1

Van toc Ru=0 Van toc Ru=0.1 Van toc Ru=1

600 Nang luong Ru=0 Nang luong Ru=0.1 Nang luong Ru=1

Vitri phao Ru=0 Vitri phao Ru=0.1 Vitri phao Ru=1

0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 Moment Ru=0 Moment Ru=0.1 Moment Ru=1

20 Van toc Ru=0 Van toc Ru=0.1 Van toc Ru=1

500 Nang luong Ru=0 Nang luong Ru=0.1 Nang luong Ru=1

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng trường hợp sóng 3

Đối với hệ số tải của máy phát Ru = 0, biên độ dao động của phao đạt mức tối đa, dẫn đến vận tốc phao cũng lớn nhất, nhưng năng lượng thu được là 0 do không có tải Khi hệ số tải Ru = 1, biên độ dao động giảm xuống mức thấp nhất, khiến vận tốc phao cũng giảm và năng lượng thu được là E Trong trường hợp hệ số tải Ru = 0.1, chuyển động của phao lớn hơn khi Ru = 1 nhưng nhỏ hơn khi Ru = 0, và năng lượng thu được cao hơn cả hai trường hợp trước đó.

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc lựa chọn trở lực kỹ thuật có ảnh hưởng lớn đến năng lượng thu được Nếu trở lực quá cao, chuyển vị của phao sẽ giảm, trong khi nếu trở lực quá thấp, hiệu suất thu hồi cũng không đạt yêu cầu Việc chọn trở lực phù hợp giúp tối ưu hóa năng lượng thu hồi Hình 4.7 trình bày kết quả khảo sát về ảnh hưởng của trở lực đến công suất và hiệu suất thu hồi, cho thấy công suất và hiệu suất thu hồi cao nhất đạt được với các giá trị trở lực nhất định.

Hình 4.7: Công suất và hiệu suất thu đƣợc khi thay đổi tải

THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ

Thí nghiệm khô

5.1.1 Thiết lập hệ thí nghiệm

Tổng thể hệ thí nghiệm khô được thể hiện trong hình 5.1 dưới đây (1) Khung chính của hệ thí nghiệm, Phao (3) truyền chuyển động đến hộp số (5) nhờ vào Cần

(2) Dữ liệu thu đƣợc từ cảm biến (4) truyền về bàn điều khiển (6)

Hình 5.1: Tổng thể thiết lập hệ thí nghiêm khô

(1) Khung chính; (2) Cần; (3) Phao; (4) Cảm biến đo mực nước; (5) Hộp số;

Module đọc giá trị vận tốc

Module đọc giá trị mô men

Cảm biến đo biên độ giao động phao

Biểu đồ và số liệu giá trị vận tốc

Biểu đồ và số liệu biên độ dao động phao

Biểu đồ và số liệu giá trị mô men

Cảm biến đo mô men

Cảm biến đo vận tốc

Biên độ giao động phao (mm)

Hình 5.2: Sơ đồ khối kết nối các thiết bị đo trên hệ thí nghiệm

Khi sóng tác động lên phao, dây cáp nối từ phao tới cơ hệ sẽ làm quay bánh đà, khiến quả nặng gắn trên bắt đầu giao động Đồng thời, thiết bị đo moment và vận tốc nhận tín hiệu từ bánh đà qua khớp nối mềm, cùng với cảm biến vận tốc, moment và cảm biến vị trí phao cũng tiếp nhận tín hiệu thông qua cơ hệ.

Cảm biến đo vận tốc và moment cung cấp tín hiệu analog (4-20 mA) cho các module tương ứng, xử lý tín hiệu và chuyển đổi thành tín hiệu analog 0-10V để card PCI 1711 nhận diện Đối với cảm biến đo vị trí, thiết bị cung cấp giá trị điện áp từ 0-10V tương ứng với biên độ giao động của quả nặng, và tín hiệu analog này sẽ được gửi về card PCI 1711 để xử lý.

Card PCI 1711 được tích hợp vào Simulink và hoạt động ở chế độ thời gian thực Khi nhận tín hiệu đồng thời từ ba cảm biến, dữ liệu analog sẽ được chuẩn hóa theo các đơn vị đo lường khác nhau: tín hiệu vận tốc sẽ được chuyển đổi từ điện áp sang vòng/phút, tín hiệu moment sẽ được chuẩn hóa thành N.m, và tín hiệu vị trí sẽ được chuyển đổi về mm.

Sau khi hoàn tất quá trình thu thập dữ liệu, chúng ta cần lưu trữ thông tin vừa nhận được Đồng thời, việc biểu thị các giá trị này dưới dạng biểu đồ sẽ giúp chúng ta dễ dàng quan sát, đánh giá và kiểm tra kết quả.

Hình 5.3: Thiết bị đo tốc độ và tạo momen

(1) Bánh đà; (2) Cảm biến đo momen và vận tốc; (3) Tạo momen

Hệ thống cảm biến đo vận tốc và mô men được lắp đặt như hình 5.3 Khi hệ quay với tải bằng 0, không sinh ra mô men Thiết bị tạo mô men (3) cấp tải vào, giúp trục sinh ra mô men Cảm biến (2) thu thập dữ liệu về mô men và vận tốc của trục bánh đà (1).

Hình 5.4 : Thiết bị đo biên độ dao động của phao

(1) Cảm biến dạng dây kéo; (2) Vị trí gắn cảm biến; (3) Đối trọng

Biên độ dao động của phao liên quan trực tiếp đến biên độ dao động của đối trọng Cảm biến dạng dây kéo được gắn vào phần thân khung, với đầu dây còn lại kết nối với đối trọng, nhằm đo lường biên độ dao động của đối trọng.

Hình 5.5 : Giả lập chuyển động của phao bằng thủ công

Giả lập chuyển động của phao với biên độ dao động tối đa 150mm bằng sức người kéo, tạo ra chuyển động lên xuống tương tự như phao Chuyển động này được truyền đến dây cáp, giúp mô phỏng hiệu quả cơ chế hoạt động của phao trong hệ thống.

(2) và xích (3) làm quay hộp số

Hình 5.6: Kết quả thí nghiệm khô

Momen và tốc độ của trục hộp số bị ảnh hưởng bởi tải trọng Khi tải trọng tăng, momen của máy phát sẽ tăng lên trong khi tốc độ giảm Ngược lại, khi không có tải, biên độ dao động của phao đạt giá trị tối đa, dẫn đến tốc độ trục hộp số lớn nhất, nhưng công suất thu được bằng 0 do không có momen.

Khi tải lên đạt mức tối đa, biên độ dao động của phao giảm xuống mức thấp nhất, dẫn đến vận tốc của phao cũng giảm theo, trong khi momen đạt giá trị cao nhất.

Hệ thống thu thập dữ liệu thể hiện thiết bị đáp ứng tốt với điều kiện hoạt động đề ra

Thí nghiệm tại hồ tạo sóng

5.2.1 Thiết lập hệ thí nghiệm

Hình 5.7: Mô hình 3D hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng

Hình 5.8: Mô hình thực tế hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng

Hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng bao gồm ba phần chính: thiết bị tạo sóng, thiết bị tương tác và bộ phận chuyển đổi PTO Thiết bị tạo sóng chịu trách nhiệm tạo ra sóng với biên độ và tần số theo yêu cầu, sau đó sóng sẽ tác động vào thiết bị tương tác, gây ra chuyển động lên xuống Chuyển động này được chuyển đổi thành chuyển động quay một chiều của máy phát trong bộ phận PTO thông qua cơ chế biến đổi chuyển động hai chiều của phao.

Hình 5.9: S óng thí nghiệm tại hồ

Hình 5.9 chỉ ra rằng sóng thử nghiệm đạt độ cao tối đa 1m và tối thiểu 0,75m ở độ sâu 1m Các thông số chi tiết của sóng thử nghiệm được trình bày trong Bảng 5.1.

Thông số Ký hiệu Giá trị

Tần số góc (rad/s)  5,03 Độ cao sóng (m) 0,25

Bảng 5.1: Thông số sóng thí nghiệm tại hồ

Quá trình thiết lập các thiết bị đo đạc lấy tín hiệu tương tự như hình 5.1, hình 5.2, hình 5.3 và hình 5.4

Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3 0.0

Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3 -20

Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3

Mômen và tốc độ trục hộp số bị ảnh hưởng bởi tải trọng; khi tải tăng, mômen máy phát tăng và tốc độ giảm Trong trường hợp không có tải, biên độ dao động của phao đạt tối đa 115 mm, dẫn đến tốc độ trục hộp số cao nhất là 95 v/p, tuy nhiên công suất thu được bằng 0 do không có mômen.

Khi tải trọng đạt mức tối đa, biên độ dao động của phao giảm xuống còn 10 mm, dẫn đến tốc độ trục hộp số giảm xuống mức thấp nhất là 25 v/p, trong khi momen đạt giá trị cao nhất là 1,7 Nm.

Trong trường hợp tăng tải, biên độ dao động tối đa của phao đạt 50 mm, tốc độ trục hộp số lên đến 80 v/p và momen tối đa đạt 1,2 Nm.

Khi đó hệ sinh ra công suất tối đa: