Nghiên cứu hệ thống phát điện công suất 100 w bằng sóng biển áp dụng nguyên lý thủy tĩnh

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------------------------------------


NGUYỄN XUÂN SƠN





NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT 100 W
BẰNG SÓNG BIỂN ÁP DỤNG
NGUYÊN LÝ THỦY TĨNH



Chuyên ngành

: Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí

Mã số

: MTK09-06




LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC






NGƯỜI HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC



TS. PHẠM VĂN THU





2

HÀ NỘI -2012

Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan


5

5
6


10
12
14
16
19

Danh mục các chữ viết tắt và các ký hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU

Chương 1: Nghiên cứu số liệu thủy văn Việt Nam
1.1 Địa hình ven biển Việt Nam
1.2 Đặc điểm khí tượng thủy văn vùng biển Việt Nam
1.3. Sóng biển

Chương 2: Nghiên cứu năng lượng sóng và các nguyên lý phát
điện bằng sóng
2.1

Năng lượng sóng.

2.1.1. Thế năng
2.1.2. Động năng
2.1.3. Quan hệ nước sâu, nước nông, ven bờ
2.2. Lý thuyết chiều cao sóng hữu hạn
2.3. Đặc trưng thống kê của sóng biển
2.3.1. Thông số tối đa
2.3.2. Chiều cao sóng H1/10
2.3.3. Chiều cao sóng H1/3 - chiều cao sóng có ý nghĩa
2.3.4. Chiều cao sóng trung bình
2.3.5. Quan hệ giữa các chiều cao sóng đặc trưng
2.4.
Năng lượng sóng biển - nguồn năng lượng tái tạo
2.5. Các nguyên lý thu nhận năng lượng sóng biển
2.5.1. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng
2.5.2. Phân loại theo tính chất định vị thiết bị trên biển
2.5.3 Phân loại theo tính chất sóng
2.6. Nguyên lý chuyển đổi năng lượng
2.6.1. Nguyên lý khí động
2.6.2. Nguyên lý thuỷ động
2.6.3.Nguyên lý thuỷ tĩnh
2.6.4. Nguyên lý máy phát cơ điện tĩnh
3

25
25
25
26
27
28
29
29
29
30
30
30
31
31
33
33
34
35
35
35
35
36

37
38
40
40
41
49
51
52
52
53
54
55

55
57
61
61
64
65
68
68
70
72
74
74
76

Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế bơm thủy tĩnh dẫn động bằng
sóng biển
3.1. Bơm thủy lực

3.1.1. Mô tả chức năng các bơm thủy lực
3.1.1 Truyền động của bơm thủy lực
3.2
Các dạng kết cấu thủy tĩnh được ứng dụng hiện nay
3.2.1. Dạng Rắn biển của công ty Pelamis Wave Power Ltd - Anh quốc
3.2.2. Dạng Dàn khoan của công ty Wave Star Energy Ltd - Đan Mạch
3.2.3. Dạng Thuyền lắc (McCabe Wave Power) của hãng Hydam Ltd Ireland
3.2.4. Dạng Tấm lắc (Wave roller) của hãng Aw-Energy Ltd - Phần Lan
3.3
Thiết kế bơm thủy lực dẫn động bằng sóng biển.
3.3.1 Sơ đồ cấu trúc
3.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực
3.3.3 Thiết kế hệ thống bơm thủy lực trong phao tiêu tự chiếu sáng
3.3.3.1 Phân tích kết cấu
3.3.3.2Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực
3.3.3.3. Tính toán năng lượng cho phao tiêu tự chiếu sáng
Chương 4: Tính toán thông số hệ thống phát điện bằng sóng biển cho
phao tiêu tự chiếu sáng
4.1. Tính toán các thông số cơ bản
4.2. Kết luận
4.3 Tính sức bền càng thu nhận năng lượng
4.4. Tính nổi và tính ổn định của phao chính
4.4.1. Tính nổi
4.4.2. Tính ổn định của phao chính

Chương 5: Kết Luận và kiến nghị

79

4






LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Xuân sơn


5






CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NCL – Nước lớn cao
NLT – Nước lớn thấp
NRC – Nước ròng cao
NRT – Nước ròng thấp
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG

H- Chiều cao sóng
L-Chiều dài sóng hay bước sóng
A-biên độ dao động
T(s)- thời gian để hai đỉnh sóng liên tiếp qua một điểm xác định
v- tốc độ dịch chuyển là tốc độ dịch chuyển của phân từ nước
c - tốc độ truyền sóng;

 - tần số dao động;
k - số sóng
A* -hằng số thế
hlv- Hành trình làm việc của bơm piston
hb -Hành trình làm việc bội của bơm piston
ηht- Hiệu suất của hệ thống
ηtl - Hiệu suất thủy lực
ηck -Hiệu suất cơ khí
.pb - Áp suất nạp bội
P – áp suất làm việc của hệ thống
i- Lưu lượng riêng của một piston:
Q-Lưu lượng của một piston
N - Công suất phát của hệ thống
N*-Công suất phát bội của hệ thống
f-Lực trên một piston nạp
f*-Lực một piston nạp bội trên
Fw -Lực đầu sóng trên một phần tử nạp
Fw *Lực đầu sóng trên một piston nạp bội.

6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Việt Nam (1956÷1995)
Bảng 1.2. Độ cao triều tại một số cảng phụ theo độ cao tại cảng chính Hòn Dấu
Bảng 1.3. Đặc trưng thủy triều ven biển Việt Nam
Bảng 1.4. Mực nước biển Việt Nam tại một số trạm quan trắc
Bảng 1.5. Mực nước cực đại, mực nước cực tiểu với tần suất hiếm
Bảng 1.6. Mực nước cao nhất, thấp nhất cho sáu vùng ở Việt Nam
Bảng 1.7. mực nước cực đại, mực nước cực tiểu với tần suất hiếm
Bảng 1.8. Dấu hiệu để xác định kiểu sóng
Bảng 9. Dấu hiệu để xác định dạng sóng
Bảng 1.10. Phân cấp sóng theo độ cao sóng
Bảng 1.11. Tần suất chiều cao (m) và chu kỳ sóng To(s) tại vùng biển miền Bắc Việt
Nam
Bảng 1.12. Tần suất chiều cao (m) và chu kỳ sóng To(s) tại vùng biển miền TrungViệt
Nam
Bảng 1.13. Tần suất chiều cao (m) và chu kỳ sóng To(s) tại vùng biển miền Nam Việt
Nam
Bảng 1.14. Sóng quan trắc tại khu vực dàn khoan mỏ Bạch Hổ (1986-2000)
Bảng 3.1. Các thông số ban đầu
Bảng 4.1. Trường hợp đường kính piston bơm d= 25 mm
Bảng 4.2. Trường hợp đường kính piston bơm d= 30 mm
Bảng 4.3. Trường hợp đường kính piston bơm d= 35 mm
Bảng 4.4. Trường hợp đường kính piston bơm d= 40 mm

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình1.1. Bản đồ lưới trạm thuỷ văn Việt Nam
Hình 1.2. Bản đồ phân bố độ sâu thềm lục địa Việt Nam.
Hình 1.3. Bão và áp thấp nhiệt đới trên biển Đông năm 1995
Hình 2.1 Thế năng
Hình 2.2 Các dạng thu nhận năng lượng sóng biển.
Hình 2.3. Các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng sang năng lượng điện.
Hình 2.4. Nguyên lý khí động (Turbin khí).
Hình 2.5. Nguyên lý thủy động (Turbin nước)
Hình 2.6. Nguyên lý thủy tĩnh.
Hình 2.7. Nguyên lý cơ điện tĩnh.
Hình 3.1 Đặc điểm chính của các dạng bơm thể tích
Hình 3.2 : Bơm bánh răng ăn khớp ngoài
Hình 3.3: Bơm bánh răng ăn khớp trong
Hình 3.4: Bơm trục vít
Hình 3.5 : Các bộ phận chính của bơm cánh gạt với rô-to và các cánh gạt.
Hình 3.6: Bơm cánh gạt tác động kép
Hình 3.7: Bơm cánh gạt đơn có điều chỉnh lưu lượng
Hình 3.8: Một pít tông trông bơm pít tông hướng kính trục lệch tâm
Hình 3.9: Bơm pít tông hướng trục
Hình 3.11: Nguyên lý làm việc thiết bị phát điện loại rắn biển (PELAMIS)
Hình 3.12: Modul tổ hợp phát điện của tập đoàn Pelamis - Anh quốc.
Hình 3.13: Rắn biển tại vị trí làm việc và
trạm thu nhận năng lượng chuyển tới hộ tiêu thụ.
Hình 3.14: Dạng Dàn khoan của công ty Wave Star Energy Ltd - Đan Mạch.

Hình 3.15: Dạng Thuyền lắc kiểu PeterMcCabe.
Hình 3.16: Dạng Tấm lắc của hãng Aw-Energy Ltd - Phần Lan
Hình 3.17: Sơ đồ cấu trúc thiết bị thu năng lượng sóng biển
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực
Hình 3.19: Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng
8






Hình 3.21: Kết cấu phao tiêu phát điện bằng sóng biển
Hình 3.22: Trạng thái lật nghiêng của phao
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực thiết bị phát điện bằng sóng biển
Hình 4.1: Thùng dầu thuỷ lực
Hình 4.2: Sơ đồ lực tác dụng lên cần thu nhận năng lượng
Hình 4.3: Biểu đồ mômen:
Hình 4.4: Phao tiêu chiếu sáng bằng năng lượng sóng biển.
Hình 4.5: Mômen lật phao tiêu
Hinh 4.6: Xác định trọng tâm C của lực nổi
Hinh 4.7: Xác định trọng tâm C của phao tiêu

9

MỞ ĐẦU
Hiện nay, Việt nam là một trong những nước có nền kinh tế phát triển mạnh
nhất trong khu vực. Tốc độ phát triển kinh tế trên 10% một năm, nhu cầu năng
lượng cho phát triển kinh tế là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Ngoài các nguồn
năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ thì nguồn năng lượng tái tạo như thủy
điện cũng đang được khai thác triệt để. Ngoài ra năng lượng gió, năng lượng mặt
trời, năng lượng sóng cũng đang được đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng nhắm đáp
ứng tốt nhất cho nhu cầu phát triển.
Việt Nam có bờ biển dài với hàng ngàn hòn đảo lớn nhỏ nên có thể nói
nguồn năng lượng từ sóng biển rất lớn, đặc biệt là ở miền Trung và các đảo. Các
chuyên gia đã tính toán, với điều kiện sóng, gió, địa lý như ở Việt Nam thì năng
lượng tạo ra từ 1m2sóng biển được xếp vào loại lớn trên thế giới.
So với thủy điện, điện sóng không phá hoại môi trường, không làm ảnh
hưởng đến hệ sinh thái, cảnh quan. So với điện hạt nhân, điện sóng có mức đầu tư
ít hơn, tính an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn, không cần
một bộ máy điều hành lớn và phức tạp... Vì vậy thế giới gọi điện sóng là nguồn
năng lượng sạch..
Ở Việt Nam đã có một số hội nghị cùng các đề tài nghiên cứu về vấn đề
tạo ra điện sóng, nhưng chưa được quan tâm đúng mức để có thể triển khai vào
thực tế. Chúng ta vẫn đang tập trung chủ yếu vào nhiệt điện, thủy điện, điện gió
và mới đây là điện hạt nhân.
Thiết bị thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt
trong khai thác năng lượng. Với ưu điểm về kích thước nhỏ gọn so với các kết
cấu cơ khí cùng công suất, thiết bị thủy lực rất phù hợp cho hệ thống làm việc
trên biển.

10

Để tài nghiên cứu năng lượng sóng và nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy lực cho
hệ thống khai thác năng lượng sóng là rất cấpthiết.
Luận văn với Đề tài: “Nghiên cứu hệ thống phát điện công suất 100 W bằng sóng
biển áp dụng nguyên lý thủy tĩnh”. Được chia làm 5 chương:
Chương 1: Nghiên cứu số liệu thủy văn Việt Nam
Chương 2: Nghiên cứu năng lượng sóng và các nguyên lý phát điện bằng sóng
Chương 3: Nghiên cứu bơm dẫn động bằng sóng biển theo nguyên lý thủy tĩnh
Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống phát điện bằng sóng biển cho phao tiêu tự
chiếu sáng
Chương 5: Kết luận và kiến nghị

11





CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU SỐ LIỆU THỦY VĂN VIỆT NAM

Nước Việt Nam ta có bờ biển dài trên 3000 km, trải dài từ Bắc đến Nam, lại
nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nên tiềm năng gió và sóng biển khá dồi dào. Tuy
nhiên, việc nghiên cứu để biến năng lượng sóng biển thành điện năng vẫn còn là vấn
đề mới mẻ, mang tính chất nghiên cứu thăm dò được thực hiện ở một số trường, viện
nghiên cứu hoặc chỉ được đề cập tới trong một số bài báo giới thiệu tiến bộ khoa học
kỹ thuật của thế giới cũng như trong một vài cuộc hội thảo khoa học.

Để tiến hành nghiên cứu phát triển công nghệ khai thác năng lượng sóng biển
chuyển hoá thành năng lượng điện chúng ta phải có được sự đánh giá đầy đủ về khả
năng thuỷ hải văn và địa lý biển các vùng miền của nước ta, các yếu tố liên quan và
ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp của chúng tới thời tiết của biển: gió, gió mùa, bão,
sóng biển nhiệt độ,độ ẩm, thuỷ triều, mức nước biển, đặc tính, tính chất lý hoá nước
biển, ảnh hưởng của chúng theo tháng, theo quý, theo mùa ...

12







Hìình1.1. Bản đồ lưới trạm
m thuỷ văn Việt
V Nam

Để có thể
t khai thhác được nguồn
n
nănng lượng sóng
s
biển đầy tiềm năng này,,
chúnng ta cần phhải nắm đư
ược các thôông tin sau:
-

Có đượcc các đặc tính

t
triều dâng
d
và mứ
ức nước biiển, chúng ta mới cóó được giảii
pháp neeo giữ trạm
m phát điện
n năng lượnng sóng biiển, xác địnnh vị trí lắắp đặt trạm
m
hợp lý so
s với bờ biển.
b

-

Có đượcc các thôngg số về gióó, giông bãão hoặc ho
oạt động củủa gió mùaa, chúng taa
mới có đầy đủ cơ sở đưa ra các giải pháp,
p
kết cấấu nhằm phòng ngừaa và chốngg
lại các hiện
h tượng cực đoan của
c thời tiếết.

-

Có đượcc các thôngg số về nhiiệt độ, đặc tính cơ lý,, độ muối (PH)
(
của biển, chúngg
ta mới có

c cơ sở và
v giải phááp vật liệu hợp lý chho thiết bị vận hành trong môii
trường biển.
b
13






-

Có các thông số đầy đủ về sóng: độ cao sóng (H/m/), tần số sóng (T/s/), bước
sóng (L/m), Các giá trị cực trị của thông số trong điều kiện cực đoan của thời
tiết. Đây là các thông số đặc biệt cần thiết và quan trọng phục vụ công việc
hoạch định và tính toán năng lượng sóng biển, đưa ra giải pháp nguyên lý, quy
mô kết cấu hợp lý cho tổ hợp thiết bị phát điện năng lượng sóng biển.
Dưới đây là kết quả tìm hiểu và thu thập tư liệu khảo sát một số vị trí vùng

miền bờ biển và hải đảo của Việt Nam, được viết dựa trên cơ sở nguồn tư liệu như các
sách giáo khoa, sách khảo cứu khoa học, các bài báo và báo cáo khoa học trong các
hội nghị khoa học chuyên nghành, trích dẫn của một số bài viết của các tác giả tham
gia các đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, cũng như tư liệu khảo sát về thuỷ văn biển
qua nhiều năm.
1.1. Địa hình ven biển Việt Nam
Biển Việt Nam nằm ở phía Tây Thái Bình Dương, chiếm hầu hết phía tây Biển Đông,
bao gồm quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa, có thềm lục địa rộng lớn được chia thành
bốn vùng dựa theo điều kiện khí tượng thủy hải văn địa lý.
 Vùng 1: Vùng liên lục địa Vịnh Bắc Bộ (có ranh giới phía Nam ở khoảng

vĩ tuyến 17° Bắc tức giữa vùng Quảng Bình).
 Vùng 2: Vùng thềm lục địa Miền Trung (nằm giữa khoảng vĩ tuyến 11° và
17° Bắc tức giữa vùng Quảng Bình và Ninh Thuận).
 Vùng 3: Vùng thềm lục địa phía Nam (nằm khoảng giữa vĩ tuyến 11° Bắc
và mũi Cà Mau).
 Vùng 4: Vùng thềm lục địa Đông Bắc Vịnh Thái Lan (nằm ở phía Tây
mũi Cà Mau).

14






Hình 1.22. Bản đồ ph
hân bố độ sââu thềm lục địa Việt Naam.

Bờ biểnn nước ta chỉ
c dài hơnn 3200 km,, nhưng địaa hình bờ biển
b
và địaa hình đáy
y
biểnn biến đổi phức
p
tạp. Bờ
B biển có nhiều đảoo che chắn:: đảo Hải Nam,
N
Bạchh Long Vĩ,,
Cô T

Tô, Hòn Ng
gư, … , lạii có nhiều vũng,
v
vịnh và bãi cạnn như vịnh Cam Ranhh, vịnh Báii
Tử L
Long … Bờ biển có độ dốc caoo, đáy biểnn thay đổi nhiều, có nơi
n cách bờ
b biển chii
khoảảng 5 ÷ 10 km, biển đã
đ sâu tới 20
2 m, nhưnng cũng cóó những nơ
ơi cách bờ biển
b tới 50
0
÷ 600 km, biển
n cũng chỉ sâu 20 m, đường đẳẳng sâu (đ
đường biểuu thị có độộ sâu bằng
g
nhauu) 50 m cáách bờ đếnn 100 km, nhưng
n
cũnng có nơi đường
đ
đẳnng sâu 50 m chạy sátt
vào bbờ, chỉ cácch bờ 5; 6 km.
k

15

Từ miền Bắc tới miền Trung bờ biển nước ta chỉ tiếp giáp với biển Đông qua eo
biển đảo Hải Nam. Nhưng từ miền Trung tới hết miền Nam, bờ biển nước ta tiếp giáp
với biển Đông và vùng Hà Tiên, Cà Mau, Phú Quốc tiếp giáp với vịnh Thái Lan
1.2. Đặc điểm khí tượng thủy văn vùng biển Việt Nam
Về mặt khí tượng, biển Đông và thềm lục địa Việt Nam chịu sự chi phối của hai hệ
thống khí áp:
 Cao áp Xiberi tràn xuống vào mùa mưa từ tháng 10 năm trước đến tháng 2 năm
sau với cường độ mạnh nhất 1010 mb vào tháng 12, tháng 01. Áp cao có xu
hướng giảm từ phía Bắc xuống phía Nam
 Áp thấp Ấn Độ - Birma tràn sang vào mùa khô từ tháng 5 đến tháng 9 và có
cường độ mạnh nhất vào tháng 6, tháng 7. Các vùng áp thấp này có xu hướng
giảm từ phía Nam lên phía Bắc
Tình hình và số liệu khí tượng thủy hải văn vùng biển Việt Nam đã được Tổng
cục Khí tượng Thủy văn tổ chức khảo sát đo đạc trên phạm vi rộng từ vĩ độ 6° ÷ 21°30
Bắc và từ kinh độ 103° ÷ 114° Đông, thuộc vùng thềm lục địa cùng quần đảo Trường
Sa và Vịnh Thái Lan đã xử lý, tính toán, biên soạn thành tài liệu với các bảng biểu,
biểu đồ cho nhiều yếu tố thủy hải văn (như mực nước sóng, dòng chảy, nhiệt,
muối…), các yếu tố khí tượng (như gió, nhiệt độ không khí, mây mưa, sương mù,
dông…) Các yếu tố thủy hoá như (oxi hoà tan, chỉ số PH, muối SiO2, NO2 hoà tan…)
trên cơ sở số liệu nhiều năm đo từ các trạm khí tượng hải văn ở bốn vùng thềm lục địa
Việt Nam (hai trạm tiêu biểu cho mỗi vùng) và các trạm ven bờ như các trạm Cửa
Ông, Hòn Gai, Cô Tô, Dấu, Bạch Long Vỹ, Văn Lý, Hòn Ngư, Đồng Hới, Cửa Tùng,
Cồn Cỏ, Sơn Trà, Quy Nhơn, Nha Trang, Phú Quý, Vũng Tàu, Côn Đảo, Phú Quốc.

16

Hình 1.3. Bão và áp thấp
t
nhiệt đới trên biển
n Đông năm 1995

Vùng biển Việt Nam
N
nằm trong
t
vùngg nhiệt đới gió mùa nên
n thời tiiết khí hậu
u
chịuu ảnh hưởnng luân phiiên của kh
hối không khí khô lạạnh từ phíaa Bắc trànn xuống vàà
khốii không khhí nóng ấm
m từ phía Nam
N
chuyểển lên, hình
h thành haai hệ thốngg gió mùa:
gió mùa
m Đông Bắc và gióó mùa Tây Nam.
Gió mùaa Đông Bắắc xuất hiệnn từ tháng 11 năm trư
ước đến thháng 4 năm
m sau trong
g
mùa khô và truung bình mỗi

m tháng có
c từ 2 ÷ 3 đợt gió mùa
m này, mỗi
m đợt trunng bình từ
ừ
5÷7 ngày, có đợt
đ kéo dài tới 10 ngàày với tốc đđộ gió mạnnh nhất đạtt đến cấp 8, cấp 9 vớii
nhiệt độ trung bình vào khoảng
k
15÷
÷18°C, thấấp nhất từ 3÷5°C.
3
Vùùng biển phhía Nam từ
ừ
vĩ độộ 12° (Kháánh Hoà) trrở vào hầu như khôngg bị ảnh hư
ưởng của giió mùa Đônng Bắc.
Gió mùùa Tây Nam
m xuất hiệện từ thángg 5 đến thááng 10 tron
ng mùa m
mưa do ảnhh
hưởnng của hai hệ thống gió mùa phhía Tây vàà phía Nam
m Thái Bìn
nh Dương luân
l
phiên
n
hoạt động khốống chế vùng biển Việt Nam, với
v khối khhông khí nóng
n
ẩm oi bức kèm

m
theo dông gây nhiều mưa. Ở vùng biển miềnn Trung mư
ưa vào cácc tháng 10, 11, 12 vàà
có khhi kéo dài đến tháng 1 năm sau.

17






Ngoài hai hệ thống gió mùa, vùng biển Việt Nam còn chịu ảnh hưởng lớn của
bão và áp thấp nhiệt đới, xuất phát từ ổ bão Tây Thái Bình Dương, một trong năm ổ
bão chính của thế giới và từ ngay trên biển Đông và tất cả đều đi qua biển Đông.
Trên biển Đông hàng năm trung bình có khoảng 10 cơn bão và áp thấp nhiệt
đới hoạt động, chiếm gần một nửa tổng số bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động ở Tây
Thái Bình Dương. Năm có nhiều nhất 18 cơn, năm ít nhất 03 cơn.
Bảng 1.1. Bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Việt Nam (1956÷1995)
Tháng
Số cơn
bão

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0

1

2

2

3

25

26

45

53

62

39

4

Cả
năm
262

Số cơn
bão
chung

0

0,03 0,05 0,55 0,08 0,62 0,65 1,13 1,32 1,55 0,97 0,10

6,55

bình mỗi
năm
Nguồn: Phạm Văn Giáp - Sóng biển với cảng biển

Bão thường xảy ra từ tháng 5 đến tháng 12 theo quy luật đổ bộ chuyển dần

xuống phía Nam theo thời gian trong năm. Xuất hiện muộn dần như khu vực Quảng
Ninh đến Thanh Hoá, bão thường xuất hiện từ tháng 6 ÷ 10; khu vực Nghệ An đến
Thừa Thiên - Huế, bão thường xuất hiện vào tháng 8, 9, 10; khu vực Bình Định đến
Khánh Hoà, bão xuất hiện vào các tháng 10, 11; khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận bão
thường xuất hiện vào các tháng 11, 12. Còn khu vực Bà Rịa -Vũng Tàu trở vào ít chịu
ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới nhất và bão chỉ xuất hiện trong hai tháng 10,
11.
Số cơn bão và áp thấp nhiệt đới khu vực này tuy ít nhưng thiệt hại do bão gây
ra rất lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ bão, sóng bão, phạm vi hoạt động
của bão …
Tháng có nhiều bão nhất là tháng 10 và tháng 12. Bão thường có gió mạnh từ
cấp 9 ÷ 12, trong phạm vi rộng, có bán kính trên dưới 10 km gây sóng to với chiều cao
sóng từ 6 ÷ 8 m. Nước dâng ven bờ do bão từ 2 ÷ 3 m, đồng thời xuất hiện mưa to, lũ
18






lớn, gây tổn thất lớn về người và của nhất là khi bão lớn. Bão cùng áp thấp nhiệt đới
xuất hiện liên tục nhiều lần trong thời gian ngắn (1÷2 tuần) hay khi bão và áp thấp
nhiệt đới xuất hiện cùng không khí lạnh dễ gây mưa rất to.
Vùng có mật độ bão đổ bộ cao nhất ở khoảng vĩ tuyến 16 ÷ 22° Bắc (giữa
Quảng Ninh và Thừa Thiên Huế), giữa vĩ tuyến 12° và 13° Bắc (vùng Khánh Hoà, Phú
Yên), vùng có bão ít nhất là giữa vĩ tuyến 10° và 11°9’ (vùng Bình Thuận, Ninh
Thuận).
Dông: là hiện tượng thời tiết có ở khắp các vùng nhưng sự phân bố không đồng
đều, phụ thuộc vào vị trí địa lý và chế độ mây.
 Vùng 1: Dông xuất hiện chủ yếu ở ven bờ, nhiều nhất là vào tháng 6, 7, 8 và

trung bình mỗi tháng có 10 ngày dông, mỗi năm có 46 ngày dông, nhiều nhất là
76 ngày.
 Vùng 2: Dông ít hơn, chủ yếu tập trung vào tháng 5, trung bình mỗi năm có
khoảng 40 ngày dông, nhiều nhất là 70 ngày.
 Vùng 3: Dông nhiều hơn vùng 2 và vùng 1, mỗi năm trung bình có 64 ngày
dông, nhiều nhất là 96 ngày.
 Vùng 4: Dông nhiều nhất, trung bình mỗi năm có 93 ngày dông, nhiều nhất là
128 ngày.
Các giá trị cực trị của gió có thể xảy ra một lần trong n năm đã được xác định
dựa trên các chuỗi số liệu cực trị từng tháng và cả năm về tốc độ gió trong nhiều năm
(các trạm phía Bắc số liệu từ năm 1957÷1958 đến nay, các trạm phía Nam số liệu từ
năm 1979 ÷1980 đến nay), cho trong dạng các bảng tra cho từng trạm trong đó có tần
suất của các hướng gió và lặng gió, xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ, những
tốc độ gió lớn nhất với tần suất khác nhau, tốc độ gió với xác suất khác nhau tại một số
trạm hải văn ven bờ.
1.3. Sóng biển
Sóng biển là yếu tố hải văn quan trọng, có tác động lớn đến công trình biển, đặc
biệt với mục tiêu khai thác năng lượng sóng biển để phát điện phục vụ dân sinh và
phát triển kinh tế đất nước, nó sẽ là các thông số không thể thiếu để đánh giá tiềm
19






năng thực sự, thông qua đó đề ra các giải pháp công nghệ quy mô và kết cấu thiết bị
hợp lý cho các tổ hợp năng lượng trong tương lai của nhóm đề tài nói riêng và cho các
mục tiêu lâu dài nói chung. Các yếu tố sóng biển như chiều cao cột sóng, chiều dài
(bước sóng), chu kỳ (tần số sóng). Tất cả các thông số trên có thể xác định qua theo

dõi, đo đạc hoặc tính toán trong một giai đoạn dài.
Sóng có hai kiểu sóng là sóng gió và sóng lừng, các bảng dưới đây liệt kê các
dấu hiệu đặc chưng của từng loại sóng cũng như dấu hiệu để xác định sóng đều hay
không phải sóng đều. Thông thường sóng được phân thành 9 cấp theo độ cao sóng.
Bảng 1.8. Dấu hiệu để xác định kiểu sóng
Sóng gió

‐
‐
‐
‐
‐

Sóng lừng

‐ Tồn tại sau khi gió gây ra
đã lặng yên hoặc yếu đi vào
Vào lúc quan trắc, gió vẫn tác động trực tiếp lên
lúc quan trắc, hay đã đổi
sóng do nó gây ra.
hướng nhiều ở vùng biển
Hướng sóng gió và hướng gió ở vùng nước sâu
sâu, hướng sóng và hướng
trùng nhau hoặc trênh lệch nhau không quá 45o.
gió có thể lệch nhau quá
Sườn đón gió ở phía khuất gió dốc hơn ở phía
45o.
đón gió.
‐ Sóng lừng thường do gió
Đầu sóng thường đổ xuống, tạo thành bọt hoặc

gây ra từ nơi xa vị trí quan
bị gió mạnh cuốn tung lên, mặt biển hỗn độn.
trắc .
Khi truyền vào vùng nước nông và vào gần bờ, ‐ Sóng lừng có dạng đều
hướng gió và hướng sóng có thể lệch quá 45o
thoai thoải và dài, nhìn mặt
biển tựa những luống cầy
Bảng 9. Dấu hiệu để xác định dạng sóng
Sóng đều

‐

‐

Dấu hiệu điển hình của ‐
sóng đều hai chiều là sự
xuất hiện rõ ràng của các
đầu sóng dài, lưỡi sóng
song song với nhau. Nhin
mặt biển tựa như những ‐
luống cầy

Sóng không đều

Đầu sóng không đều (ba chiều) không thành lưỡi
dài như trường hợp sóng đều. Đầu sóng vỡ ở từng
đoạn của chiều cao hay chiều dài không đều nhau
theo tuyến chuyển động. Đầu và chân sóng xen kẽ
nhau, trông tựa như những ô bàn cờ.
Khoảng cách giữa hai đầu sóng liên tiếp lớn hơn

độ dài của những đầu sóng liên tiếp theo tuyến

Khoảng cách giữa hai đầu
20






‐
‐

sóng liên tiếp nhỏ hơn độ
dài của những đầu sóng ‐
liên tiếp theo tuyến chuyển
động của chúng.
‐
Sóng lừng là dạng sóng
đều.
Sóng gió ở giai đoạn phát ‐
triển mạnh và ổn định có
dạng đều

chuyển động của chúng.
Sóng gió vào giai đoạn bắt đầu phát triển, sóng
lăn tăn bắt đầu bị phá vỡ là sóng không đều.
Sóng giao thoa kết hợp của nhiều hệ sóng khác
nhau hoặc nhiều kiểu sóng có các hướng khác
nhau là sóng không đều.

Một trong những dạng phát triển của sóng không
đều là sóng hỗn tạp, đầu sóng ngắn, hình nón và
thấy sóng không có vẻ lan truyền, còn gọi là sóng
đứng.

Bảng 1.10. Phân cấp sóng theo độ cao sóng

Cấp sóng

Độ cao sóng h (m)

Tóm tắt đặc điểm của sóng

0

0

Lặng sóng

I

0 < h < 0,25

Sóng yếu

II

0,25 < h < 0,75

Sóng vừa

III

0,75 < h < 1,25

Sóng lớn

IV

1,25 < h < 2,00

Sóng lớn

V

2,00 < h < 3,50

Sóng mạnh

VI

3,50 < h < 6,00

Sóng mạnh

VII

6,00 < h < 8,00

Sóng rất mạnh

VIII

8,00 < h < 11,00

Sóng rất mạnh

IX

h> 11,00

Sóng mạnh khác thường

Các đặc trưng về chế độ sóng biển ở vùng biển Việt Nam như cực trị độ cao
sóng (độ cao sóng xuất hiện 1 lần trong n năm) được Trung tâm Khí tượng thủy văn
Biển tính toán theo hàm Gumbel dựa trên các chuỗi quan trắc cực trị theo từng tháng
và cả năm tại từng trạm thuộc 4 vùng dọc bờ biển Việt Nam. Các kết quả đo đạc tính
toán tại từng trạm được cho:
 Dưới dạng hệ số chuyển đổi Kh từ chiều cao sóng trung bình H của chuỗi sóng
thành chiều cao sóng có tần suất đảm bảo 20%, 5% và 1% cho từng quý (tháng

21






11÷1, 2 ÷4, 5 ÷7, 8 ÷10) cả năm phụ thuộc vào tỉ số H* giữa chiều cao sóng
trung bình H và độ sâu h tại điểm quan trắc (H*=H/h).

 Dưới dạng chiều cao trung bình của sóng H(m), chiều cao H1% của sóng (m),
chu kỳ trung bình T của sóng (s), tốc độ gió V(m/s) ứng với tần suất bảo đảm
(1, 5, 20, 50%). Các trị số của các thông số có thể xảy ra 1 lần trong n năm (1,
5, 10, 20, 50 năm) cho từng quý cả năm.
Phân bố năng lượng sóng e theo hướng o (theo 8 hướng với  = 0, 45, 90,
135, 180, 225, 270, 305°) và theo tần suất p cho từng quý, cả năm cho các trạm Hòn
Gai, Cô Tô, Hòn Dấu, Bạch Long Vĩ, Văn Lý, Hòn Ngư, Cồn Cỏ, Sơn Trà, trạm vùng
Đà Nẵng - Quy Nhơn - Nha Trang, các trạm Phú Quý, Vũng Tàu, Côn Đảo, Phú Quốc.
Phân bố tần suất chiều cao, chu kỳ sóng cho các vùng biển miền Bắc, miền
Trung, miền Nam theo từng hướng cũng đã được Trung tâm Khí tượng thủy văn Biển
thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn xây dựng theo tài liệu quan trắc trong nhiều năm
tại các trạm khí tượng thủy văn dọc biển Việt Nam.
Bảng 1.11. Tần suất chiều cao (m) và chu kỳ sóng To(s) tại vùng biển miền Bắc Việt Nam
H3%
To
0÷ 1
1÷ 2
2÷ 3
3÷ 4
4÷ 5
5÷ 6
6÷ 7
7÷ 8
8÷ 9
9÷ 10
10÷11
11÷12
Fi

0÷1

1÷ 2

0,09
11,04
36,67
12,68
2,10
0,09

1,19
12,41
16,06
7,85
0,55

62,67
65,31

38,06
65,31

2÷ 3

3÷4

0,09
0,18
0,73
0,09

0,09

1,18
0,83

4÷5

5÷6

6÷7

7÷8

8÷9

9÷
10

10÷
11

>11

Fj
0,00
0,09
12,23
49,17
29,01
10,68

0,73
0,09

0,09

0,09
0,74

Nguồn: Phạm Văn Giáp - Sóng biển với cảng biển

Bảng 1.12. Tần suất chiều cao (m) và chu kỳ sóng To(s) tại vùng biển miền TrungViệt Nam
H3%

0÷1

1÷ 2

2÷ 3

3÷4

4÷5

5÷6

To

22

6÷7

7÷8

8÷9

9÷
10

10÷
11

>11

Fj




0÷ 1

0,00

1÷ 2

0,00

2÷ 3

0,09

3÷ 4

0,26

0,17
0,09

0,60

0,17

0,09

0,95

4÷ 5

0,34

0,95

1,12

0,26

0,09

5÷ 6

5,31

9,04

14,80

1,20

0,26

0,09

30,90

6÷ 7

1,46

3,36

15,60

1,99

1,55

0,17

24,13

7÷ 8

0,77

0,86

8,09

1,89

1,46

0,17

0,09

8÷ 9

0,43

1,38

4,65

1,72

3,10

0,95

0,17

0,60

1,81

0,86

1,38

0,60

0,26

0,17

1,03

0,60

1,38

0,17

0,17

0,26

0,09

0,09

0,09

9÷ 10
10÷11

0,26

11÷12

2,76

12÷13

0,26

0,17

0,17

0,26

13÷14

0,69

0,52

0,26

0,09

>14

0,43

0,95

1,55

0,09

0,09

0,09

Fi

10,24
10,86

18,26
19,73

49,68
50,24

9,30
8,59

9,66
7,91

2,51
2,04

13,33
0,09

12,49
5,51

0,09

0,09

3,79

0,09

0,61
1,04

0,09

1,65
3,20

0,52

0,4

0,27
0,17

0,18
0,11

Nguồn: Phạm Văn Giáp - Sóng biển với cảng biển

Bảng 1.13. Tần suất chiều cao (m) và chu kỳ sóng To(s) tại vùng biển miền Nam Việt
Nam
H3%

0÷1 1÷2

2÷3

To
0÷1
1÷2
2÷3
3÷4
4÷5



0,05
0,59
0,10

5,51




0,20
0,10
6,98

5÷6

4,18

7,18

6÷7

2,26

4,87

7÷8
8÷9

0,20
0,20

1,43
0,98

0,05
0,20
4,13
11,3
1
15,6
3
4,72
5,41

9÷10

0,25

0,25

10÷11
11÷12
12÷13

0,29

0,10

0,49
0,10
0,10

3÷4

4÷5

5÷6

6÷7

7÷8

0,05
0,20
0,10
0,05

0,05

8÷9

0,05
0,10

0,05
0,05
0,34

0,69

0,34

0,10







0,97

1,43

0,15

0,05





1,72
2,06

0,93

0,39

0,98

0,34

0,44

0,34

0,05

0,05







1,48
0,29
0,20

0,34
0,15
0,05

0,84
0,20
0,25

0,20
0,05

0,10

0,15

0,05

0,05









23


0,05

0,10

9÷ 10÷
>11
10 11

0,0


5
0,0


5






Fj
0,10
0,25
1,09
0,55
17,06
23,85
25,41

9,39
2,70
3,89
0,79
0,85




13÷14
>14
Fi

0,20
0,20
14,1
3
16,7
0

0,44
0,74
23,8
6
25,2
7

0,25
0,59
45,2

4
42,5
8

0,20
6,67
6,24

6,05
4,93

0,10
0,05

0,05

1,92
1,34

0,70
1,94

0,30 0,05
0,94 0,03

0,99
1,83



0,1
0





Nguồn: Phạm Văn Giáp - Sóng biển với cảng biển

Trong đó:
Fi(%) phân biệt là tổng tần suất chiều cao sóng theo cột ứng với chiều cao sóng
lớp i ứng với các lớp chu kỳ sóng j khác nhau, tức không phụ thuộc vào chu kỳ sóng
(tức tổng các trị số của cột trong bảng), với Fi =  Fij (%) và Fj(%) là tổng tần suất
chiều cao sóng theo hàng ứng với chu kỳ sóng lớp j không phụ thuộc vào chiều cao
sóng (tức tổng các trị số của hàng trong bảng) .
Lớp chiều cao sóng thường được xét chênh nhau 0,5m hoặc 1,0m, lớp chu kỳ sóng
được xét chênh nhau 1s và các sóng thường được xét cho 8 hướng; Fi là xác suất xuất
hiện của chiều cao sóng cho từng lớp chiều cao sóng (i%o); To(s) là chu kỳ trung bình
của sóng. H3% (m) là chiều cao sóng có tần suất đảm bảo là 3% (H3% = 1,234Hs) (trong
đó Hs là chiều cao sóng có ý nghĩa đại diện - Significant Wave Height).
Từ bảng số liệu về tần suất của chiều cao và chu kỳ sóng chúng ta có thể xác định
chiều cao sóng ứng với chu kỳ lặp lại nhất định (1, 20, 50, 100 năm…) theo lý thuyết
xác suất thống kê.
Bảng 1.14. Sóng quan trắc tại khu vực dàn khoan mỏ Bạch Hổ (1986-2000)

Tháng

1
2,6

2
1,9

3
1,5

4
1,0

5
0,9

6
1,4

7
1,2

8
1,5

9
1,8

10
1,5

11
2,3

12
3,0

T S (s)

6,1

5,7

5,5

5,1

4,5

5,1

5,1

5,0

4,8

5,9

6,0

6,4

H max
(m)

7,0

6,3

6,9

4,5

5,0

4,7

4,0

5,0

5,0

5,0

7,0

10,5

Tmax
(s)

8,7

8,2

8,0

10,0 6,8

7,1

7,7

7,0

7,3

8,4

8,4

11,5

HS
(m)

24






CHƯƠN
NG 2
NGHIÊN CỨU
C
NĂNG
G LƯỢNG
G SÓNG VÀ
V CÁC NGUYÊN
N
LÝ PHÁT
T ĐIỆN
BẰNG SÓ
ÓNG
ng sóng
2.1. Năng lượn
Năng lư
ượng sóng bao gồm hai
h thành phần
p
: Thếế năng và động
đ
năng. Người taa
thườ

ờng tính năng lượng sóng
s
E cho một đơn vị
v diện tíchh. Sau đó nh
hân lên choo diện tíchh
chịuu sự tác độnng của sóngg.
2.1.11. Thế năn
ng

H
Hình
2.1 Thhế năng
Chuyểnn động sóngg là một qu
uá trình vậtt lý: kéo - hút
h - đẩy, có
c liên quaan chặt chẽẽ
đến lực hút củaa trái đất. Vì
V vậy, thếế năng của sóng là một
m hàm củaa chiều caoo cột nướcc
và trrọng lượngg cột nước đó.
đ
‐

K
Khi không sóng, thế năng
n
của 1 cột nước có
c diện tíchh đáy là dx
x , trọng tâm S1 là

d
.
2

T
Trọng lượn
ng dG1 cột nước
n
sẽ là::

dG1 .gg.d.dx
dS1 
Thế năn
ng:
‐

d
2

d
dE p1  d S1 .dG1  . .g.d 2 .dx
x
2

K
Khi có sóngg, thế năngg của cột nư
ước có diệnn tích đáy dx, trọng tâm là S2 , với
v chiều
ccao trọng tââm S2 là

d 
, trọng
g lượng cộtt nước dG 2 sẽ là:
2
25






dG 2  g.(d  ).dx
dS2 

d
2

Thế năng:

dE P2  dG 2 .dS2  g(d  )dx.

d
2

1
dE P2  g.(d  ) 2 .dx
2
Độ chênh thế năng của sóng:
dE p  dE p2  dE p1
1

1
= g(d  ) 2 .dx  gd.dx
2
2
2
=g(d.  0,5. ).dx

Ở đây:

 - khối lượng riêng nước biển
g - gia tốc trọng trường
d - độ sâu
 =f(x) -hàm mặt thoáng -tính từ (1.5.4-4).
Thay vào, giải ra, ta tính được:
L
1
 g L d.H
H2
E p   dE P 
(
.cos
Kx

.cos 2 K.x).dx
L0
L 0 2
8
L

 g  d.H

H 2 x H 2 .sin 2Kx 

Ep 
.
.sin Kx 

L  2K
16
32K
0
Ep 

 gH 2
16

Với H  1 m, F=1km 2
Ep 

1000.9,81.12.106
 6,13.108 J  6,13MJ  170kw.h
16

2.1.2. Động năng

Động năng của một vật thể đang chuyển động được tính theo công thức:
Ek 

1
m.v 2

2
26