Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG


VƯƠNG VĂN CƯỜNG
51 ĐLTT









ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHOA KỸ THUẬT – GIAO THÔNG
CHUYÊN NGÀNH ĐỘNG LỰC TÀU THỦY







N
N
h
h
a
a

T
T
r
r
a
a
n
n
g
g
,
,


6
6
/
/
2
2
0
0
1
1
3
3

Ñeà taøi :

Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị
sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG


VƯƠNG VĂN CƯỜNG
51 ĐLTT








ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHOA KỸ THUẬT – GIAO THÔNG
CHUYÊN NGÀNH ĐỘNG LỰC TÀU THỦY

GVHD:
Th.s. Nguyễn Đình Long

Ñeà taøi :

Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị
sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện

N
N
h
h
a
a


T
T
r
r
a
a
n
n
g
g
,
,

6
6
/
/
2
2
0
0
1
1
3
3



i
MỤC LỤC

MỤC LỤC
i
ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vii
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
viii
LỜI NÓI ĐẦU viii
CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3
1.1.1. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trên thế giới 5
1.1.2. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trong nước 7
1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

CHƯƠNG 2 8
ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN VÀ PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN LAI MÁY PHÁT ĐIỆN 8
2.1. ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN 8
2.1.1.Khái niệm 8
2.1.2. Phân loại sóng biển 8
2.1.3. Quá trình hình thành sóng biển và các yếu tố tạo sóng 10
2.1.3.1. Quá trình hình thành sóng biển do gió 10
2.1.3.2. Những nhân tố chính quyết định sự phát triển của sóng 14
2.1.4. Các thông số đặc trưng của sóng biển 15
2.1.5. Phương pháp tính toán các thông số sóng 17
2.1.5.1.Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập
được
2.1.5.1.a. Tính toán năng lượng sóng đều 19
2.1.5.1.b. Tính toán năng lượng sóng không đều (sóng vỗ gần bờ) 20
2.1.5.2. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các thông số của gió
biển 21
2.1.6. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng [2] 22
2.1.6.1.Vùng sóng gợn 22

ii
2.1.6.2.Vùng gia tăng chiều cao sóng 23
2.1.6.3. Vùng sóng vỗ 23
2.1.7. Tính toán năng lượng sóng đứng truyền cho phao nổi 25
2.1.8. Phân tích chế độ trường sóng vùng ven bờ biển Việt Nam 28
2.2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 31
2.2.1.Yêu cầu kỹ thuật, kinh tế đối với mô hình 31
2.2.2.Các nguyên tắc và ứng dụng trong chuyển đổi năng lượng sóng 31
2.2.2.1. Chuyển đổi năng lượng sóng trực tiếp 32
2.2.2.1a. Nguyên lý sử dụng truyền động bánh răng cóc 33

2.2.2.1b Nguyên lý sử dụng áp suất không khí quay tuabin 34
2.2.2.1d. Nguyên lý biến chuyển động tịnh tiến của phao thành chuyển động tịnh
tiến của Roto trượt theo cuộn dây Stato 35
2.2.2.1e. Nguyên lý sử dụng phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng
lượng sóng sang cơ – điện năng 36
2.2.1.2. Chuyển đổi năng lượng sóng gián tiếp 36
2.2.4. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống 39
CHƯƠNG 3 42
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 42
3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 42
3.1.1. Tính toán các thông số sóng biển 42
3.1.2. Tính toán hệ thống thủy lực theo sơ đồ nguyên lý hoạt động (hình 2.19) 45
3.1.2.1. Tính chọn máy phát điện 45
3.1.2.2. Chọn bộ truyền động 45
3.1.2.3. Tính chọn động cơ thủy lực [5] 45
3.1.2.4. Tính toán thiết kế bơm piston thủy lực 47
3.1.2.5. Tính toán đường ống thủy lực 51
3.1.2.6. Tính chọn bình tích áp 52
3.2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO 53
3.2.1.Thiết kế bơm thủy lực 53

iii

3.2.2. Chế tạo bình tích năng 54
3.3. THỬ NGHIỆM 56
CHƯƠNG 4 57
THẢO LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57
4.1. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 57
4.1.1. Hình ảnh mô hình thực hiện 57
4.1.2. Kết quả thử mô hình 59

4.2. THẢO LUẬN 60
4.3. KIẾN NGHỊ 60
PHỤ LỤC 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng phân cấp độ sóng 24
Bảng 3.1 Bảng năng lượng sóng và công suất sóng ứng với từng cấp sóng 44


v
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 – Các dạng năng lượng tái tạo 3
Hình 1.2 - Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo 4
Hình 1.3 - Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo 5
Hình 2.1 – Giai đoạn hình thành sóng 12
Hình 2.2 - Mô tả chuyển động của từng phần tử nước trong sóng biển 14
Hình 2.3 - Các đặc trưng sóng 15
Hình 2.4 – Minh họa 3 thành phần dao động của sóng biển 16
Hình 2.4 - Sơ đồ phân bố năng lượng sóng 19
Hình 2.5 - Năng lượng ở các vùng hình thành sóng 23
Hình 2.6 - Chi tiết mô hình phao chuyển đổi năng lượng sóng 25
Hình 2.6 – Bảng tra m
w
theo Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932)[4] 26

Hình 2.8 -Vị trí các trạm ven bờ có số liệu đo gió, sóng và các vùng thống kê số
liệu gió và sóng quan trắc trên tàu biển (Obship) trên vùng khơi Biển Đông 29
Hình 2.9 – Nguyên lý sử dụng truyền động bánh răng cóc 33
Hình 2.10 - Nguyên lý sử dụng áp suất không khí quay tuabin 34
Hình 2.11 – Nguyên lý dao động cột nước sử dụng sóng tràn 34
Hình 2.12 – Thiết bị seabased AB 35
Hình 2.13 - Phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng lượng sóng sang
cơ – điện năng 36
Hình 2.13 - Thiết bị rắn Pelamis Hình 2.14 – Thiết bị Pendulor 37
Hình 2.15 - Hàu biển Oyster 37
Hình 2.16 – Thiết bị Wave roller 38
Hình 2.17 - Thiết bị OWAP (ocean wave air piston) 38
Hình 2.18 - Thiết bị SIECAT 39
Hình 2.19 - Sơ đồ nguyên lý hoạt động mô hình hệ thống phát điện 41
Hình 3.1 – Động cơ thủy lực bánh răng ăn khớp ngoài 45
Hình 3.2 – Các thông số của Xylanh – piston thủy lực Error! Bookmark not
defined.

vi

Hình 3.3 – Cấu tạo của piston thủy lực 54
Hình 3.4 – Bình tích năng 55
Hình 4.1 – Hệ thống thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện 57
Hình 4.2 – Bơm piston tác động kép 57
Hình 4.3 – Đồng hồ đo áp suất dầu thủy lực và van an toàn 58
Hình 4.4 – Bình tích năng 58
Hình 4.5 – Van hai ngả, động cơ thủy lực và máy phát điện 59
Hình 4.6 – Động cơ thủy lực bánh răng và máy phát điện 59

vii

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:
“Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lư
ợng sóng biển
lai máy phát điện”
Chuyên ngành: Động lực tàu thủy Mã số:
Họ tên SV: Vương Văn Cường Lớp: 51DLTT MSSV: 51130188
Cán bộ hướng dẫn: Th.s. Nguyễn Đình Long
Nội dung thực hiện:
1. Đặt vấn đề
2. Đặc điểm của sóng biển và phân tích lựa chọn phương án sử dụng
năng lượng sóng biển
3. Chế tạo mô hình thiết bị và thử nghiệm
4. Thảo luận

I. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu: Khai thác năng lượng tái tạo
Đối tượng nghiên cứu:Năng lượng sóng biển và các cơ cấu tiếp nhận lực tác
động của sóng biển và biến thành chuyển động thẳng, chuyển động quay tròn
Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo mô hình sử dụng năng lượng sóng biển lai máy
phát điện

viii
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

1. Đi thực tế :
Địa điểm :
Thời gian :

Nội dung thực hiện :
2. Kế hoạch thực nghiệm :
3. Kế hoạch hoàn thành bản thuyết minh
Chương 1 :

Đặt vấn đề
(từ đến )
Chương 2 : Đặc điểm của sóng biển và phân tích lựa chọn phương án sử dụng năng
lượng sóng biển lai máy phát điện

(từ đến )
Chương 3 : Thiết kế chế tạo mô hình và thử nghiệm
(từ đến )
Chương 4: Thảo luận và kiến nghị

Nha Trang, ngày tháng năm 2013
TRƯỞNG BM CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN
(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)











1

LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của
sinh vật nói chung và con người nói riêng.
Cho đến nay, phần lớn các nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng đều
bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá…), loại năng lượng dưới dạng
tài nguyên hữu hạn và chúng không thể tự tái sinh được.
Thế giới đang đứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền vững
trong tương lai khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt. Theo số liệu (năm
1999) của MITI – Bộ Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản, dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau
khoảng 50 năm nữa, tương ứng là khí đốt – 60 năm; than đá – 230 năm; Uranium –
70 năm. Theo Edwin Cartlidge (nhà vật lý thế giới), hàng năm, nhân loại tiêu dùng
tổng các nguồn năng lượng vào cỡ 14x10
16
kWh, trong đó tỷ trọng sử dụng năng
lượng hoá thạch (than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên) chiếm 90% các nguồn năng
lượng được sử dụng. Đây là nguồn năng lượng gây ô nhiễm nhất, khiến Trái đất
nóng lên do hiệu ứng nhà kính. Năng lượng hạt nhân cũng không phải là lựa chọn
lâu dài vì không chỉ do sự cạn kiệt vào cuối thế kỷ này mà còn do tính thiếu an toàn
với sự cố phóng xạ như đã từng xảy ra ở Chernobyl (Liên xô cũ) và Fukushima
(Nhật bản). Vì vậy, theo dự tính của Cơ quan nghiên cứu năng lượng tại Mỹ thì tỷ
trọng điện hạt nhân sẽ giảm từ 7,3% như hiện nay xuống mức 4,6% vào năm 2030.
Năng lượng thuỷ điện cũng làm biến đổi vi khí hậu và môi trường khu vực.
Đứng trước thách thức về nguồn năng lượng cho tương lai, thế giới đang
hướng đến những nguồn năng lượng sạch - nguồn năng lượng tái sinh (renewable
energy) như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng
lượng thủy triều, năng lượng nhiệt từ nhiệt độ nước, năng lượng chiết suất từ
gradien độ mặn của nước biển và năng lượng sinh học sinh ra từ các loài thực vật
dưới biển…
Nước ta có đường bờ biển dài hơn 3.260km, diện tích biển chiếm khoảng 1.000
000 km

2
với hơn 2.800 hòn đảo, bãi đá ngầm lớn nhỏ, gần và xa bờ, bao gồm
cả Trường Sa và Hoàng Sa. Đó là một ưu thế về biển hết sức thuận lợi để nước ta

2
khai thác nguồn năng lượng tái tạo phục vụ cho nhu cầu đất nước trong hiện tại và
tương lai.
Với mong muốn nghiên cứu khai thác năng lượng tái tạo, tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát
điện” làm công trình tốt nghiệp của mình và được nhà trường chấp nhận cho thực
hiện.
Đây là một đề tài tương đối mới liên quan đến lĩnh vực năng lượng tại Việt
Nam và cũng là lĩnh vực chuyên môn khá xa lạ với tôi, do vậy, không thể tránh khỏi
những khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của
quý thầy cùng quý độc giả để đề tài này hoàn thiện hơn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Đình Long - thầy đã trực
tiếp hướng dẫn tận tình và có những góp ý sâu sắc, cụ thể trong quá trình nghiên cứu
để tôi hoàn thành đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 7 năm 2013

3
CHƯƠNG 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Sinh vật và đặc biệt là con người sẽ không tồn tại và phát triển nếu như không
có năng lượng. Loài người đã sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch trên trái đất từ
rất lâu đời, cũng vì vậy mà loại năng lượng hữu hạn này ngày càng bị cạn kiệt và nó
đã gây ra nhiều tác động xấu đến môi trường.
Để giải quyết cho bài toán năng lượng đó, nhiều thập niên gần đây, thế giới đã
bắt tay nghiên cứu về các nguồn năng lượng tái sinh (Renewable Energy) như năng
lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng sinh học…
chúng có đặc điểm chung là:
- Không bị tiêu hao hoặc ảnh hưởng đến môi trường trong quá trình ta khai
thác
- Có thể tái tạo lại với tốc độ bằng với tốc độ ta khai thác như năng lượng địa
nhiệt và năng lượng sinh khối.

Hình 1.1 – Các dạng năng lượng tái tạo

4
Trên hình 1.1 thể hiện các dạng năng lượng tái tạo hiện đang được thế giới
nghiên cứu và sử dụng.
Theo thống kê của Cơ quan Điều tra Môi trường EIA (Environmental
Investigation Agency) và các nhà cung cấp năng lượng tại Mỹ (US Energy Supply)
vào năm 2007 thì sản lượng điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo đạt 6,7% tổng
giá trị sản lượng điện trên thế giới (hình 1.2).

Hình 1.2 - Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo

Sản lượng điện từ năng lượng tái tạo tăng với tốc độ khá nhanh và hướng tới
mục tiêu vào năm 2035 sẽ cung cấp và giải quyết gần 25% năng lượng điện trên
toàn thế giới. Theo biểu đồ dự đoán của cơ quan nghiên cứu năng lượng tại Mỹ
(hình 1.3) cho ta thấy tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo, trong đó năng
lượng sinh khối, rác thải, sóng và thủy triều cao hơn trong tương lai từ 220 tỷ kW
vào năm 2007 lên 870 tỷ kW vào năm 2035.

5


Hình 1.3 - Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo

Trong số các nguồn năng lượng tái sinh nêu trên, năng lượng sóng biển tuy
chưa được khai thác nhiều nhưng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về năng
lượng sóng biển. Trong số đó nổi bật nhất là Nghiên cứu của Học viện không quân
Mỹ về hiệu suất chuyển hóa điện năng trực tiếp từ năng lượng sóng biển và theo
trang báo RBC của Nga đã kết luận rằng: “Năng lượng sóng biển là loại năng lượng
tái sinh có hiệu suất chuyển hóa thành điện năng cao nhất – hiệu suất lên đến 99%”
[1]. Kết luận đó một lần nữa khẳng định cho ta biết năng lượng sóng biển là một
nguồn năng lượng tái sinh khổng lồ trong tương lai.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trên thế giới
Từ những năm 70 của thế kỷ 20, các nước có vùng biển rộng và khoa học
tiên tiến như Na Uy, Thụy Điển, Pháp, Mỹ và Nhật Bản đã có các chương trình
nghiên cứu về năng lượng sóng biển. Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây
dựng ở Na Uy năm 1984 và hoàn thành vào năm 1986. Châu Âu là khu vực đứng

6
đầu trong việc áp dụng năng lượng sóng, tính đến năm 2009 đã có 4 dự án khai thác

thương mại năng lượng sóng.
Giá thành điện năng từ gió hiện nay đã giảm 80% trong vòng 20 năm qua nhờ
có các tiến bộ về thiết bị và tối ưu hóa trong kết cấu.
Với giá cả ban đầu khoảng ½ giá ban đầu của năng lượng gió và ¼ giá hiện
thời của năng lượng pin Mặt Trời PV, năng lượng sóng có một tiềm năng lớn để trở
thành một nguồn năng lượng có giá rẻ nhất trong tương lai.
Năm 2004, nghiên cứu khả thi của Viện Nghiên Cứu Điện Lực (EPRI:
Electrical Power Research Institute) của Mỹ cho thấy tiềm năng của năng lượng
sóng tại khu vực Bắc Mỹ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng thủy triều. Kết luận
của nghiên cứu này là giá thương mại hiện nay của điện năng từ sóng tại một số khu
vực triển vọng trong khoảng (11÷13) cent/ kWh nhưng giá này sẽ giảm mạnh do sẽ
có nhiều cải tiến trong công nghệ và kỹ thuật.
Nhà máy điện thương mại sóng biển đầu tiên (pelamis) với công suất 30MW
được xây dựng ở Bồ Đào Nha. Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công
suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng. Tại Mỹ mới có phao năng lượng
sóng đầu tiên với công suất 40kW tại căn cứ biển ở Kancohe Hawaii.
Nước Anh đã chi 2,3 triệu bảng Anh hỗ trợ công ty Wavegen tiến hành thử
nghiệm các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển theo nguyên lý dao động cột
nước tại vùng biển phía tây Isles năm 2002. Một dự án với kinh phí 3,7 triệu bảng
Anh có mục tiêu tập hợp các thiết bị khai thác năng lượng sóng cho khu vực tây
Isles đã công bố là đạt được một bước tiến gần với hiện thực. Điều này cho thấy
nước Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng. Tại Trung Quốc đã
xây dựng thử một trạm thủy điện sức sóng có thể chịu được những cơn bão vào năm
2005, trạm đã phát điện với công suất 6kW và hoạt động tốt sau hơn 20 cơn bão.





7

1.1.2. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trong nước
Tại Việt Nam những năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về việc sử
dụng năng lượng sóng biển. Điển hình như sáng chế “Máy phát điện nhờ sóng biển”
của anh Lê Thanh Bình ở Quảng Trị đã được trưng bày tại Hội chợ thiết bị công
nghệ Việt Nam năm 2010. Hay với đề tài “Máy phát điện từ năng lượng sóng biển”
của Bùi Nguyên Vọng – sinh viên Đại học Cần Thơ đã đoạt giải nhất cuộc thi Phát
minh xanh do Công ty Sony VN tổ chức.
Đặc biệt “Hệ thống thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển” do Kỹ sư
Nguyễn Trọng Dần cùng các cộng sự thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ công
thương) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thông qua thực hiện cấp đề tài nhà nước
KC.05.17/06-10 đạt công suất (5÷10)kW/h; điện áp phát xoay chiều 220VAC; dao
động điện áp ∆U = ± 10% đã bước đầu chứng minh cho việc đầu tư khai thác tối đa
nguồn năng lượng sạch trên biển Việt Nam đang được nhà nước ta quan tâm đẩy
mạnh.
1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng
sóng biển lai máy phát điện” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu khai thác năng
lượng tái tạo, trong đó đối tượng nghiên cứu là năng lượng sóng biển và các cơ cấu
tiếp nhận lực tác động của sóng và chuyển thành chuyển động thẳng, chuyển động
quay nhằm tạo ra điện năng. Đề tài được thực hiện trong phạm vi chế tạo mô hình
thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện.






8
CHƯƠNG 2

ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN VÀ PHÂN TÍCH LỰA CHỌN
PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
LAI MÁY PHÁT ĐIỆN

2.1. ĐẶC ĐIỂM SÓNG BIỂN
2.1.1.Khái niệm
Sóng biển là hình thức dao động có chu kỳ của nước biển theo chiều thẳng
đứng và có các tính chất không điều hòa, không ổn định, bước sóng thay đổi, đường
trung bình thay đổi theo thủy triều.
2.1.2. Phân loại sóng biển
Trên biển và đại dương tồn tại những sóng với hình dáng, nguyên nhân hình
thành khác nhau. Để phân biệt sóng người ta thường dựa vào nguyên nhân phát sinh
và tính chất chuyển dịch của hình dạng sóng.
Cho đến nay, trong tài liệu nghiên cứu sóng có những cách phân loại sóng như
sau:
a. Dựa vào nguyên nhân hình thành
• Sóng triều là do mối quan hệ tương tác giữa lực hấp dẫn vũ trụ của Mặt
Trăng và Mặt Trời sinh ra.
• Sóng gió là do các lực khí tượng thủy văn. Do bức xạ Mặt Trời trên Trái Đất
phân bố không đồng đều, dẫn đến sự phân bố năng lượng và áp suất khác nhau giữa
các vùng trên Trái Đất khi đó sinh ra những dòng không khí chuyển động (gió). Bề
mặt tiếp xúc giữa hai môi chất nước và không khí có đặc tính và mật độ rất khác
nhau, tại nơi đây xảy ra hiện tượng trao đổi năng lượng của gió cho nước nên cũng
tạo chuyển động dạng sóng.
• Sóng thần (Tsunami) là do các lực địa chấn trong lòng Trái Đất: động đất, núi
lửa…

9
• Sóng lừng (sóng ổn định) xảy ra ở những vùng gió thổi yếu hoặc không có
gió.

• Sóng khí áp là do sự chênh lệch khí áp.
Ở đây chúng ta chỉ quan tâm nghiên cứu sóng gió. Đây là loại chuyển động chủ
yếu và phổ biến nhất trên biển và đại dương, là động lực chính của biển trong quá
trình hình thành và phát triển bờ biển.
b. Dựa vào hình dạng sóng
• Sóng lăn tăn (sóng mao dẫn) là do gió nhẹ gây ra trông như những vảy cá độ
cao chỉ vài milimet, còn độ dài khoảng vài centimet.
• Sóng hai chiều là loại sóng có đáy, đỉnh sóng đều bằng nhau và nằm thẳng
hàng, là đặc trưng của sóng lừng.
• Sóng ba chiều xuất hiện khi tồn tại cùng một lúc nhiều hệ sóng, tạo nên mặt
nước như những ô bàn cờ.
• Sóng hỗn tạp thấy ở gần tâm bão.
c. Theo các đặc điểm của các yếu tố sóng
• Dựa vào độ dài
+ Sóng dài khi có λ > h
+ Sóng ngắn khi có λ < h
Trong đó h là độ sâu vùng nước
• Dựa vào độ cao
+ Sóng cao.
+ Sóng thấp.
• Dựa vào độ dốc
+ Sóng dốc.
+ Sóng thoải.
• Dựa vào chu kỳ
+ Sóng có chu kỳ dài ( T ≥ 1 giờ).
+ Sóng có chu kỳ ngắn [ T = (10÷12) giây].
Ngoài ra người ta còn dựa vào các đặc trưng khác để phân loại sóng như sau:

10
• Tính chất truyền sóng

+ Sóng ép (chịu trực tiếp ảnh hưởng của lực tác dụng).
+ Sóng tự do (sóng tồn tại khi không có lực tác dụng).
• Tính ổn định của sự truyền sóng
+ Sóng có xoáy.
+ Sóng không có xoáy (sóng thế).
• Tính chất truyền động của phần tử nước trong chuyển động sóng
+ Sóng tiến (có các chất điểm chuyển dịch theo phương truyền sóng).
+ Sóng đứng (các chất điểm nước không chuyển dịch theo phương truyền
sóng mà dao động quanh mực nước tĩnh).
• Dựa vào lực phục hồi
+ Sóng sức căng bề mặt (mao dẫn).
+ Sóng trọng lực.
• Dựa vào vị trí sóng được tạo thành
+ Sóng đại dương.
+ Sóng gần bờ hay sóng bờ.

Nhận xét: Các cách phân loại trên mang tính phiến diện, nhưng trong thực tế
sóng biển thường được hình thành bởi nhiều nguyên nhân tác động cùng một lúc.

2.1.3. Quá trình hình thành sóng biển và các yếu tố tạo sóng
2.1.3.1. Quá trình hình thành sóng biển do gió
Quá trình này chia thành 4 giai đoạn:
• Giai đoạn phát sinh
Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành sóng do gió. Việc nghiên
cứu sự cung cấp năng lượng gió cho sóng cho đến nay vẫn chưa có lý thuyết nào
hoàn hảo song có một số quan điểm cho rằng:
Theo quan điểm động lực học của L.Kenvin và V.V.Suleykin thì cho rằng
không khí là một trạng thái chất lỏng nhưng không đồng chất với nước biển về mật

11

độ và tốc độ chuyển động. Từ đó trên bề mặt tiếp xúc giữa hai môi chất chuyển
động khác nhau xuất hiện một dạng chuyển động, chuyển động này gây ra sóng.
- Một số người khác như H.Jeffrey, V.M Makaviev… cho rằng gió
phải thổi với tốc độ nhất định nào đó thì phát sinh ra sự chênh lệch về áp lực và trên
bề mặt tiếp xúc đó xuất hiện áp lực tiếp tuyến, lúc đó có khả năng sinh ra sóng.
- Dựa vào sức căng mặt ngoài và trọng lực, L.Kenvin tìm ra tốc độ gió
W = (6÷7) m/s thì phát sinh sóng, nhưng trong thực tế không phải vậy vì nó tương
đương với gió cấp (3÷4).
- Dựa vào áp lực tiếp tuyến và trọng lực, H.Jeffreys tính ra tốc độ gió
W = 4,8m/s, với tốc độ gió này tương ứng với chiều cao sóng H = (0,4÷0,6)m.
- Dựa vào kết quả quan trắc thực tế, năm 1949 G.Neumann tính ra tốc
độ gió W = 0,695m/s, tương ứng với chiều cao sóng H = 0,1m.
Ngày nay với thiết bị đo đạc hiện đại, đã đo được W = 0,25m/s mặt nước đã
hình thành sóng, sóng này được gọi là sóng mao dẫn.
Mọi người đều thừa nhận năng lượng mà gió truyền cho sóng phụ thuộc vào sự
chênh lệch áp lực của gió đối với sườn đón gió và sườn khuất gió. Ngoài ra còn phụ
thuộc vào trọng lực và sức căng mặt ngoài.
Những sóng ban đầu kích thước rất nhỏ, độ cao chỉ vài milimet, chiều dài vài
centimet. Nếu gió tiếp tục thổi năng lượng của gió truyền cho sóng tiếp tục tăng,
sóng dần lớn lên.
• Giai đoạn sóng phát triển
Khi gió thổi với một tốc độ nhất định, năng lượng của gió truyền cho sóng
nhiều hơn sóng ban đầu (sóng ban đầu là sóng mao dẫn hay còn gọi là sóng căng
mặt ngoài vì lực tác động chủ yếu là lực tiếp tuyến của gió lên mặt sóng, theo tài
liệu quan trắc thì sóng ban đầu có độ cao sóng H = 0,02cm, bước sóng λ =
(1,7÷1,8)cm, tốc độ sóng C = (23,1÷23,5)m/s). Sóng tuy rất nhỏ nhưng cũng đủ làm
mặt nước gồ ghề.
Bề mặt tiếp xúc có diện tích tăng, nên có khả năng tiếp nhận năng lượng của
gió ngày một nhiều hơn. Nhưng do độ nhớt của nước biển làm tắt dần một số

12
chuyển động của nước biển nên một lượng con sóng bị triệt tiêu, năng lượng của nó
chuyển sang con sóng khác tạo nên những con sóng lớn hơn.
Theo B.Đ.Zaicov, khi gió chuyển động với tốc độ W = (1÷2)m/s, sóng được
hình thành gọi là sóng trọng lực, lúc này lực tác dụng lên sóng chủ yếu là trọng lực
và lực tiếp tuyến của gió. Sóng này còn khá nhỏ, theo kết quả nghiên cứu thì độ cao
sóng chỉ đạt H = 0,49cm, chiều dài sóng λ = 5cm.
Nếu như gió tiếp tục thổi với tốc độ ngày càng lớn, năng lượng của gió truyền
cho sóng ngày càng nhiều, sóng lớn dần lên thành cả con sóng. Sóng này trở nên
không cân đối, ngọn sóng tương đối nhọn nghiêng về phương truyền sóng. Sườn
đón gió thoải và dài, sườn khuất gió ngắn và dốc. Vì áp lực tiếp tuyến giữa hai phía
là không đều, khi sườn đón gió đạt độ dài xác định thì trên bề mặt lại hình thành
sóng mao dẫn mới gọi là sóng thứ sinh, sóng ban đầu là sóng nguyên sinh. Sóng này
có thể bị triệt tiêu nhưng cũng có thể cộng hưởng thành sóng dài. Số lượng sóng có
thể là (4÷5) con. Độ dài sườn đón gió càng lớn thì số lượng sóng thứ sinh càng
nhiều. Các con sóng này hợp thành hệ sóng (hình minh họa 2.1)
W
?
W

Hình 2.1 – Giai đoạn hình thành sóng

Đặc điểm của gió là cường độ và hướng luôn thay đổi nên sóng 2 chiều rất dễ
trở thành sóng 3 chiều.


13
• Giai đoạn sóng ổn định
Khi gió thổi liên tục với tốc độ không đổi trong khoảng thời gian dài thì sóng
dần chuyển đến giai đoạn ổn định, lúc này sóng dần trở lại sóng 2 chiều cân đối.

Khảo sát giai đoạn ổn định, khi tỷ số C/W = (0,7÷0,8), hình dạng sóng tương
đối thoải, năng lượng của gió cung cấp cho sóng lúc này cân bằng năng lượng của
sóng bị tiêu hao, năng lượng này chỉ để duy trì sự tồn tại của sóng.
Năng lượng tiêu hao một phần vào việc giữ cho độ cao sóng không bị giảm,
một phần thắng lực ma sát và trọng lực. Chiều dài và tốc độ sóng phát triển nhưng
giai đoạn này không tồn tại lâu, tùy theo thời gian gió ổn định.
Nếu vận tốc tăng thì sóng thay đổi, nhưng nếu gió yếu thì sóng yếu dần.
• Giai đoạn triệt tiêu
Khi gió thổi yếu năng lượng của gió không cung cấp đủ để duy trì sóng, lại do
tác động của trọng lực, ma sát và sức căng mặt ngoài nên độ cao sóng giảm nhanh.
Khi gió ngừng thổi, sóng không tắt ngay mà vẫn tiếp tục dao động dưới tác dụng
của lực quán tính. Thời gian dao động ngắn hay dài tùy thuộc vào kích thước của
sóng.
Kích thước của sóng thể hiện năng lượng mà gió cung cấp cho sóng nhiều hay
ít, sóng càng lớn thì thời gian duy trì càng dài. Lúc này sóng chuyển từ sóng cưỡng
bức sang sóng tự do. Hình dạng, kích thước sóng dần trở nên cân đối, sóng thoải
dần, độ cao giảm, chiều dài và tốc độ truyền sóng tăng nhanh, sóng chuyển thành
sóng lừng, đây là sóng tự do, chuyển động không theo hướng gió thổi. Sóng lừng bị
triệt tiêu khi năng lượng gió cung cấp cho sóng tiêu hao hết.

14


Hình 2.2 - Mô tả chuyển động của từng phần tử nước trong sóng biển

2.1.3.2. Những nhân tố chính quyết định sự phát triển của sóng
- Tốc độ gió
- Thời gian hoạt động của gió
- Đà (độ dài khoảng không gian kể từ điểm tính sóng về phía ngược chiều gió
tác động cho tới nơi gió thay đổi đáng kể về hướng hoặc tới đường khuất gió và độ

sâu biển nơi tính sóng).
Nếu gió có cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian rất
lớn trên đại dương trong thời gian đủ dài thì sóng sẽ tăng trưởng cho đến khi đạt
trạng thái hoàn toàn ứng với tốc độ gió đang xét. Khi đó phổ sóng sẽ bao gồm toàn
dải chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng. Độ cao, chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng sẽ chỉ phụ
thuộc vào một tham số - tốc độ gió W. Trong trường hợp này tốc độ gió càng lớn thì
thời gian cần để sóng phát triển càng phải lớn.




15
2.1.4. Các thông số đặc trưng của sóng biển
Trong một con sóng, phần nhô lên khỏi mặt nước trung bình gọi là ngọn sóng
(lưng sóng); điểm cao nhất của ngọn sóng gọi là đỉnh sóng; phần thấp hơn mực
nước trung bình gọi là bụng sóng và điểm thấp nhất của bụng sóng gọi là đáy sóng
(chân sóng).

Hình 2.3 - Các đặc trưng sóng

• Biên độ sóng a ,m là khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng hoặc đáy sóng
đến mực nước trung bình.
• Độ cao sóng H ,m là khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng tới đáy sóng. Như
vậy ta có H = 2a.
• Độ sâu nước biển h ,m là khoảng cách thẳng đứng tính từ mặt nước biển tới
đáy biển.
• Độ dài sóng hay bước sóng λ ,m là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng hoặc hai
đáy sóng kế tiếp nhau theo phương truyền sóng.
• Độ dốc sóng α là tỉ số giữa độ cao sóng với nửa độ dài của nó.
• Chu kỳ sóng T , s là khoảng thời gian giữa hai lần đỉnh sóng hoặc đáy sóng

kế tiếp nhau xuất hiện tại một thời điểm trong không gian.
Đối với sóng đứng, chu kỳ sóng được xác định bằng khoảng thời gian cần thiết
để mực nước thay đổi từ thấp nhất qua vị trí cao nhất rồi lại trở về vị trí ban đầu.
Chu kỳ cũng được hiểu là khoảng thời gian cần thiết để đỉnh sóng di chuyển
được quãng đường bằng độ dài sóng.