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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
----------------------------Nguyễn Văn Hải

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH
TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG
SÓNG BIỂN
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 9 52 01 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ
KỸ THUẬT

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. Nguyễn Đông Anh

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng
… năm 2019.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Theo tính toán của các nhà khoa học với tốc độ sử dụng năng
lượng như hiện nay, nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 50
năm tới. Do vậy, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang là
nhu cầu cấp thiết. Đối với Việt Nam, định hướng phát triển kinh tế
đến năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50% GDP. Do đó nhu cầu
cần thiết về năng lượng điện để cung cấp cho nền kinh tế nói chung
và kinh tế biển nói riêng là rất quan trọng, đặc biệt điện năng phục vụ
an ninh quốc phòng trên biển (nguồn điện sử dụng trên các nhà dàn
DKI, các ngọn đèn hải đăng v.v.) là nhiệm vụ cấp bách.
Ngoài ra, Việt Nam với lợi thế là một quốc gia có bờ biển trải dài
trên 3260 km, cùng với hơn 3000 đảo, quần đảo lớn nhỏ và trên một
triệu km2 mặt biển cho thấy nguồn năng lượng từ biển là rất lớn.
Nhằm khai thác nguồn năng lượng to lớn của biển, tác giả đề xuất
hướng nghiên cứu của luận án về xây dựng mô hình thiết bị để
chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang điện năng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Xây dựng được mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển, thiết bị hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế
biển Việt Nam; Xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện, các
thông số mô hình để công suất điện thiết bị phát ra đạt lớn nhất;

Thiết kế, chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển. Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220
VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt
Nam. Thiết bị có khả năng ứng dụng trong việc làm phao báo dẫn
đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng ngoài biển.


2

3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp giải tích, kết hợp phương pháp
mô phỏng số và thực nghiệm, cụ thể được mô tả như sau:
- Sử dụng phương pháp giải tích xác định tối ưu hệ số cản của mô
tơ phát điện, hệ số đàn hồi của lò xo và kích thước phao của thiết bị.
- Trong tính toán mô phỏng số sử dụng phương pháp RungeKutta bậc 4 giải số phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình,
phương pháp Simpson tính tích phân số. Xác định mức công suất cơ
hệ của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển và khảo sát sự
hoạt động của thiết bị theo các điều kiện sóng biển.
- Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện, thử nghiệm thiết
bị hoạt động thực tế tại biển để kiểm chứng kết quả lý thuyết và phân
tích hiệu suất hoạt động của thiết bị.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đưa ra được một phương pháp nghiên cứu với cách tiếp cận từ
việc khảo sát các điều kiện thực tế của sóng biển để thực hiện xây
dựng mô hình cơ học, tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết
bị hoạt động thực tế tại biển.
- Chế tạo được một mẫu thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển, hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt
Nam.
- Thiết bị có khả năng sử dụng trong việc làm phao báo dẫn

đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng.
5. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án gồm: phần mở đầu, bốn chương nội dung,
phần kết luận và kiến nghị, phần danh mục công trình của tác giả, tài
liệu tham khảo và phụ lục.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN
CỨU VỀ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG
BIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TẠI VIỆT NAM
1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển trên thế giới
Trên thế giới, việc nghiêu cứu, chế tạo các thiết bị phát điện từ
nguồn năng lượng sóng biển đang được quan tâm và phát triển mạnh.
Đặc biệt ở các vùng đảo xa ngoài biển, các thiết bị phát điện từ
nguồn năng lượng sóng biển đã đáp ứng được một phần trong nhu
cầu sử dụng điện năng. Các mô hình thiết bị được nghiên cứu dưới
nhiều dạng khác nhau như thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ, thiết bị
phát điện hoạt động ngoài biển theo phương pháp thả nổi trên mặt
biển hoặc gắn cố định ở đáy biển. Hiện nay các mô hình thiết bị này
đã, đang được khai thác sử dụng tại một số nước như: Anh, Bồ Đào
Nha, Canada, Đan Mạch, Hàn Quốc, Mỹ, Na Uy, Nhật Bản, Pháp,
Tây Ban Nha, Thụy Điển v.v. [1-19].
Từ các nghiên cứu và phân tích cho thấy các mô hình thiết bị
phát điện đã, đang được nghiên cứu chế tạo theo nhiều cách thức.
Trong các mô hình thiết bị, mô tơ phát điện được thiết kế hoạt động
dưới dạng chuyển động quay tròn hoặc chuyển động tịnh tiến lên
xuống theo phương thẳng đứng. Mỗi thiết bị đều có các ưu nhược

điểm khác nhau, tùy theo khả năng chế tạo của từng đơn vị để thiết
bị nghiên cứu chế tạo hoạt động hiệu quả và phù hợp với thực tế sử
dụng.
1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển tại Việt Nam
Tại Việt Nam, một số đơn vị đã, đang tiến hành nghiên cứu chế
tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển như: Viện Nghiên cứu


4

Cơ khí thực hiện thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển, mô hình hoạt động nổi trên mặt biển dạng rắn biển
(pelamis), thiết bị đã hoạt động thử nghiệm tại biển Hòn Dấu - Hải
Phòng và cung cấp điện năng cho bộ đội biên phòng đóng trên đảo
sử dụng [24]; Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện chế tạo thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển dạng thả nổi trên mặt biển, với
mô tơ phát điện loại chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng.
Thiết bị được tiến hành thử nghiệm ở biển, với công suất điện phát
ra đã nhận được còn hạn chế [26,27]; Viện Khoa học Năng lượng –
VAST đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển hoạt động cố định trên mặt biển. Trong thiết bị chế tạo đã sử
dụng loại mô tơ phát điện thủy điện trục đứng công suất 60 W, công
suất điện phát ra khi thử nghiệm tại biển đã nhận được 50,92 W [28].
Tại Viện Cơ học - VAST, đã thực hiện các nghiên cứu về
khảo sát đặc tính năng lượng của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng
dạng phao nổi, để tiến tới đề xuất thiết kế, tính toán và chế tạo các
thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển phù hợp với điều kiện chế
tạo và thực tế sử dụng [30]. Ngoài ra từ năm 2013, trong công tác
chuyên môn, tác giả đã thực hiện nghiên cứu tính toán mô phỏng số

về mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển. Mô hình thiết
bị được tính toán với mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên
xuống theo phương thẳng đứng, phát điện trực tiếp và gắn cố định ở
đáy biển [31]. Tác giả đã chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế
tạo mẫu hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh đa năng, mã
số đề tài VAST 02.04/11-12” [32]. Trong đề tài đã thiết kế chế tạo
được một hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh từ ba nguồn
năng lượng đầu vào là năng lượng mặt trời, gió và sóng biển. Trong
đó phần nguồn đầu vào từ năng lượng sóng biển được tính toán thiết


5

kế, chế tạo chờ sẵn để ghép nối tích hợp với thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển sẽ được nghiên cứu chế tạo trong luận án.
1.3. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị phát điện từ năng
lượng sóng biển tại Việt Nam và định hướng nghiên cứu của luận
án
Việt Nam là một quốc gia có bờ biển trải dài trên 3260 km, cùng
hơn 3000 hòn đảo và trên 1 triệu km2 mặt biển cho thấy nguồn năng
lượng từ biển là rất lớn. Từ các số liệu quan trắc, khảo sát cho thấy
độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ 0,5÷1,2 m với chu kỳ sóng
từ 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với chu kỳ sóng từ
6÷8 giây, đặc biệt khi biển động độ cao sóng ven bờ đạt từ 3,5÷5 m
và ở ngoài khơi từ 6÷9 m [34-37]. Đây là nguồn năng lượng dồi dào,
rất phù hợp cho các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển có
công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ khai thác hoạt động. Hơn nữa,
nhu cầu về điện năng để cung cấp cho nền kinh tế biển, điện năng
phục vụ an ninh quốc phòng ngoài biển đảo là nhiệm vụ cấp bách.
Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo mẫu thiết bị phát điện từ năng

lượng sóng biển nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế là cần thiết.
Định hướng nghiên cứu của luận án:
Từ các phân tích đã cho thấy loại mô hình thiết bị phát điện gắn
cố định ở đáy biển là phù hợp. Trong các mô hình thiết bị này, các
mô tơ phát điện đều sử dụng loại chuyển động tịnh tiến lên xuống
theo phương thẳng đứng, các phương trình chuyển động được thiết
lập ở bài toán tuyến tính và sự phi tuyến trong mô hình cũng chưa
được xét đến. Việc nghiên cứu tối ưu mới chỉ được xét ở tối ưu hệ số
cản của mô tơ phát điện để sử dụng trong tính toán chế tạo mô tơ


6

phát điện chuyển động tịnh tiến [22]. Trong đó, các tính toán tối ưu
về kích thước phao và hệ số đàn hồi của lò xo cũng chưa được đề
cập. Ngoài ra, tác giả nhận thấy loại mô tơ phát điện công nghiệp
chuyển động quay tròn cũng chưa được đưa vào sử dụng trong các
tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển.
Với mục tiêu nghiên cứu của luận án, nhằm tính toán thiết kế và
chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển. Thiết bị
hoạt động hiệu quả, phù hợp với khả năng gia công chế tạo ở trong
nước. Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220
VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt
Nam. Thiết bị có khả năng ứng dụng trong việc làm phao báo dẫn
đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về các mô hình thiết bị phát
điện từ năng lượng sóng biển trên thế giới, đặc biệt các mô hình thiết
bị gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng. Đã
chỉ ra các đơn vị trong nước đã, đang tiến hành nghiên cứu chế tạo

về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển với các phân tích chi
tiết cho từng loại mô hình thiết bị. Đã thu thập và phân tích về đặc
trưng năng lượng sóng biển Việt Nam, với các số liệu về thông lượng
năng lượng sóng, độ cao sóng và chu kỳ sóng biển dọc theo bờ biển
trải dài trên 3260 km.
Đã chỉ ra nhu cầu và khả năng ứng dụng của mô hình thiết bị tại
Việt Nam. Đưa ra cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển và định hướng nội dung nghiên cứu của luận án, thiết bị
hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam.


7

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU
HÓA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
2.1. Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển
Mô hình cơ học của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
được thiết lập để tính toán, xác định tối ưu các thông số mô hình và
mức công suất của thiết bị khi hoạt động. Mặt khác, từ đặc trưng hoạt
động của các mô tơ phát điện thường làm việc hiệu quả ở tốc độ
chuyển động quay lớn, để điện năng thiết bị phát ra đạt lớn nhất trong
mô hình thiết bị cần tính toán tăng tốc chuyển động quay, từ chuyển
động quay chậm nhận được do sóng biển truyền đến lên chuyển động
quay nhanh tại mô tơ phát điện với hiệu suất chuyển đổi đạt lớn nhất.
Hình 2.1 đưa ra sơ đồ nguyên lý với các cơ cấu bộ phận chính và mô
hình cơ học của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển.

zS(t)
m

z(t)

k

a. Sơ đồ nguyên lý mô hình thiết bị [33]

γ

b. Mô hình cơ học
thiết bị [33,42,43]

Hình 2.1. Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển


8

Thiết lập phương trình chuyển động:
Phương trình chuyển động của mô hình được thiết lập quy về
một vật là phao dạng trụ tròn được ghép nối gắn chặt với thanh răng
- piston, chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng z. Gốc tọa
độ được lấy ở đáy biển với hướng dương là hướng từ dưới lên. Mặt
khác, hệ số cản γ được xác định: γ = γf + γem, theo các tài liệu đã công
bố về độ cản nhớt của nước biển [44,45], tác giả nhận thấy hệ số cản
nhớt γf của nước biển sẽ là rất nhỏ so với hệ số cản điện γem của mô
tơ phát điện nên được bỏ qua. Do vậy, phương trình chuyển động của
mô hình thiết bị được viết dưới dạng:
2

m

d z
dt

2

 gSb ( z s  z )  mg  

dz
em

dt

3

 k L( z  z0 )  k N ( z  z0 ) .

(2.7)

Công suất trung bình cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng
lượng sóng biển tại thanh răng - piston được xác định từ công thức
[15,20,38-41]:
Pgm 

1
2
  em z (t ) dt ,

0
với τ là khoảng thời gian được xét.

(2.8)

2.2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp phi tuyến
Để đánh giá sự ổn định của mô hình khi hoạt động trong các
vùng biển có biên độ sóng lớn, tác giả khảo sát về đặc trưng biên độ tần số của hệ trong trường hợp cộng hưởng [46-49].
Từ phương trình chuyển động (2.7), thực hiện phép đổi biến
z  z0  x, phương trình (2.7) được viết lại dưới dạng:

m

d 2x
dt

2

 gSb ( zs  z  x)  mg  
0

dx
em

 k Lx k N x3 . (2.22)
dt


9

Sử dụng các ký hiệu  2 ,  , c và B, xét trường hợp gần cộng
hưởng  2   2   , thực hiện biến đổi ta nhận được:

d 2x
dt
với ký hiệu:

2

 2 x  f ( x, x , t ),

f ( x, x , t )  c

dx

(2.25)

 x  x3  B cos(t )  g.

dt
Sử dụng phép biến đổi: x  a cos(t   )  x .

(2.26)

0

Từ các đặc trưng của mô hình, trong luận án giả thiết hệ là phi
tuyến yếu. Áp dụng phương pháp trung bình hóa của cơ học phi
tuyến, xét tại a  0 và   0, thực hiện tính toán ta nhận được công
thức liên hệ giữa biên độ và tần số có dạng:
2

2

  

3
4

2

 a0  3x

0

2



B
a

2
2

2

2

c  .

(2.39)

0

Hình 2.2 đưa ra các đồ thị biểu diễn hàm biên độ a0 theo tần số
2

Ω với các hệ số được lấy như sau: m = 25 kg; a = 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. Kết quả nhận
được cho thấy, trong trường hợp đồ thị đường cong biên độ - tần số
với hệ số γem = 40, hệ dao động ổn định trong vùng tần số từ điểm (1)
đến điểm (2) và từ điểm (5) đến điểm (6). Trong vùng tần số đi từ
điểm (2) đến điểm (3) và giảm từ điểm (5) về điểm (4), hệ dao động
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 thiết bị hoạt động ở vùng tần số ổn
định gần điểm (2) để biên độ dao động của hệ nhận được là lớn nhất.


10

Hình 2.2. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2
2.3. Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển
Từ định hướng nghiên cứu, nhằm chế tạo được một thiết bị phát
điện hoạt động ở ven bờ. Với giả thiết ở sóng biển có độ cao dưới 1
m, ảnh hưởng của thành phần phi tuyến trong mô hình là không đáng
kể. Các thông số mô hình được xác định theo bài toán tuyến tính,
phương trình (2.7) được xét với kN = 0 và thực hiện đổi biến

z  z0  x. Xét hàm sóng biển tác dụng lên mô hình dưới dạng sóng
tuyến tính chuyển động theo phương thẳng đứng z có dạng:
zs  A sin(t )  z0 .
Phương trình chuyển động của hệ nhận được có dạng:
gS A
d 2 x  em dx gS b  k L
b


x  g 
sin(t ).
2
dt

m dt

m

m

(2.41)

(2.42)

Nghiệm của phương trình (2.42) tìm được như sau:
x

 mg
k L  gSb

  sin(t   ),

(2.53)


11

với χ là biên độ dao động của hệ đã nhận được là:
gSb A

.
2
2 2
2
 m  k L  gSb   em 





Công suất cơ hệ Pgm của thiết bị có dạng:
Pgm 

1



 em (gSb A) 2

2 k  gS  m 2

L
b

2   em2 2

.

(2.56)

Lực đàn hồi lớn nhất của lò xo: FL_max = kLHmax.

(2.57)

Lực Acsimet cực đại của phao: FAcs_max = ρgπa2h.

(2.58)

Mô hình thiết bị được nghiên cứu chế tạo với lựa chọn khu vực
biển Hòn Dấu - Hải Phòng để khai thác thử nghiệm. Tại biển Hòn
Dấu, các điều kiện sóng biển có chu kỳ thay đổi trong khoảng
3,5÷4,5 giây và độ cao sóng từ 0,5÷1,4 m [36], do vậy vận tốc
chuyển động theo phương thẳng đứng đạt từ 0,29÷0,62 m/s. Trong
luận án, mô hình được xác định với mức công suất cơ hệ Pgm của
thiết bị nhỏ nhất cần đạt 270 W, phạm vi dao động của hệ là 0,45 m.
Từ các biểu thức (2.57), (2.58) kết hợp các số liệu sóng biển tại biển
Hòn Dấu, các thông số mô hình được xác định kL = 2100 N/m với
phao thiết bị dạng trụ tròn chiều cao 0,42 m và bán kính 0,4 m.
Hình 2.4 đưa ra các đồ thị về mức công suất cơ hệ Pgm của thiết
bị theo hệ số cản γem tại các chu kỳ sóng biển T1 =3,5 giây, T2 =4,0
giây, T3 =4,26 giây và T4 =4,5 giây ở sóng biển có biên độ 0,5 m. Từ

các kết quả nhận được, trong luận án mô tơ phát điện được chọn có
hệ số cản là 3400 Ns/m tương ứng mức công suất cơ hệ đạt lớn nhất.
Với giá trị hệ số cản nhận được là cơ sở lựa chọn loại mô tơ phát
điện phù hợp để sử dụng trong thiết bị phát điện nghiên cứu chế tạo.


12

Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao:
Trong tính toán khảo sát, phao thiết bị có dạng trụ tròn bán kính
thay đổi từ 0,35÷0,55 m. Kết quả tính toán đưa ra bức tranh toàn diện
về mức công suất cơ hệ Pgm thiết bị nhận được từ năng lượng sóng
biển. Trong hình 2.8 là đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được
từ năng lượng sóng biển theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển.

Hình 2.4. Đồ thị công suất cơ
hệ theo hệ số cản

Hình 2.8. Đồ thị công suất cơ
hệ theo bán kính phao

2.4. Xây dựng chương trình mô phỏng số và khảo sát sự hoạt
động của thiết bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng
lượng cơ học
Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số:
Phương trình chuyển động (2.7) được giải bằng phương pháp
Runge – Kutta bậc 4, áp dụng phương pháp Simpson tính tích phân
số xác định mức công suất cơ hệ của thiết bị. Chương trình tính toán
mô phỏng số được lập trình trên phần mềm Matlab, để khảo sát sự
hoạt động của thiết bị với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo khi thiết bị

hoạt động ở sóng biển có độ cao từ 1 m trở lên.
Lưu đồ thuật toán thực hiện tính toán mô phỏng số:


13
Bắt đầu
Thông số đầu vào
t0, Z0, Δt, tmax, ps
Tính toán:

k1 = f(ti, Zi, ps)
k2 = f(ti+

ti:= ti+1

k3 = f(ti+

t
2
t
2

, Z(i) +
, Z(i) +

t
2
t
2

k1, ps)
k2, ps)

k4 = f(ti+Δt, Z(i) + Δtk3, ps)
Z

(i 1)

Z

Sai

(i )

ti+1:= ti + Δt
 ( k1  2k 2  2k3  k 4 ) t / 6

ti+1≥ tmax
Đúng
Xuất kết quả
( j)
( j)
Z1  Z1 ; Z 2  Z 2

Tích phân (2.8) theo Simpson:
n 1

( j)

kq1  4  Q ( Z 2 , ps )

j 1, 3,...
n2

kq 2  2 

j  2 , 4 ,...

( j)

Q ( Z 2 , ps )

 Q ( Z (0) , ps )  Q ( Z (n) , ps )  t
2
2

3

kq
1

kq
2



P

gm 

Kết thúc

Hình 2.9. Sơ đồ khối của chương trình
Chương trình mô phỏng số thực hiện tính toán mức công suất cơ
hệ Pgm, quỹ đạo chuyển động, phân tích đánh giá sự phi tuyến của
mô hình được xét ở các hệ số phi tuyến lò xo kN khác nhau, xác định
phạm vi dao động của mô hình theo các hàm sóng biển với sóng bậc
nhất tại biểu thức (2.41) và sóng bậc hai Stockes có dạng [38,51,52] :
zs  A sin(t ) 

A2k cosh( kz0 )
4 sinh 3 ( kz0 )

[ 2  cosh( 2 kz0 )] sin( 2t )  z0 .

(2.59)


14

Tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị:
Từ các kết quả tính toán mô phỏng số đã chỉ ra sự hoạt động của
thiết bị phụ thuộc vào cả biên độ và tần số của sóng biển. Các kết
quả tính toán cho thấy chuyển động của phao trễ pha so với chuyển
động của sóng biển là 33,60 (hình 2.11). Hình 2.16 cho thấy quỹ đạo
pha của mô hình biến đổi phụ thuộc vào hai thành phần tần số ω, 2ω
và các biên độ sóng biển tương ứng. Đường cong quỹ đạo pha là
đường khép kín, chuyển động không trơn đều và ổn định xung quanh
vị trí cân bằng ở mặt nước biển.

Hình 2.11. Chuyển động của

phao và sóng biển theo thời
gian với sóng bậc nhất

Hình 2.16. Quỹ đạo pha của
phao với sóng bậc hai Stockes

Hình 2.20 đưa ra đồ thị các đường đặc trưng về công suất cơ hệ
của thiết bị theo biên độ sóng biển, tại tần số sóng biển xuất hiện liên
tục khi thử nghiệm thiết bị thực tế ở biển đã đo được là 1,47 rad/s
theo các hệ số phi tuyến lò xo kN khác nhau. Hình 2.21 là chuyển
động của phao theo biên độ sóng biển với hàm sóng bậc hai Stockes.
Các kết quả nhận được cho thấy ở sóng biển có biên độ A = 0,5
m, mức công suất chênh lệch giữa hai trường hợp khi xét hệ tuyến
tính (kN = 0) và phi tuyến với kN = 1680 N/m3 là 4,4%. Với biên độ
sóng A = 1,5 m, giá trị chênh lệch là 17,1%. Do vậy, sự khác biệt khi
xét mô hình với ảnh hưởng của sự phi tuyến lò xo là rõ rệt.


15

Hình 2.20. Đồ thị đặc trưng công
suất cơ hệ theo biên độ sóng biển

Hình 2.21. Chuyển động của
phao theo biên độ sóng biển

Kết luận chương 2
Trong chương 2, tác giả đã xây dựng được sơ đồ nguyên lý và
mô hình cơ học của thiết bị. Thiết lập được phương trình chuyển
động phi tuyến của mô hình. Đã áp dụng phương pháp trung bình

hóa của cơ học phi tuyến, khảo sát hiện tượng cộng hưởng để thu
được đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ - tần số. Chỉ ra vùng
hoạt động ổn định, mất ổn định. Đưa ra khả năng chế tạo thiết bị hoạt
động ở miền phi tuyến sử dụng tại vùng biển có biên độ sóng lớn.
Đã xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi
của lò xo và kích thước phao của thiết bị theo số liệu sóng biển thực
tế. Lựa chọn được loại mô tơ phát điện sử dụng trong thiết bị của
hãng Windbluepower với công suất phát điện ổn định đến 1500 W.
Đã xây dựng chương trình tính mô phỏng số, tính mô phỏng số
sự hoạt động của thiết bị được xét đến với ảnh hưởng của phi tuyến
lò xo. Xác định được quỹ đạo chuyển động, mức công suất cơ hệ của
thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển. Khảo sát tính phi tuyến
và biên độ dao động của mô hình theo biên độ sóng biển.
Kết quả chương 2 được công bố ở các công trình [3], [4] và [5].


16

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ

3.1. Cấu trúc tổng thể của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển
Trong mô hình thiết bị phát điện được ghép thêm phần phát điện
từ pin năng lượng mặt trời lắp đặt trên mặt phao. Mục đích tạo ra
một hệ thiết bị phát điện hoạt động hiệu quả, giải quyết trường hợp
khi biển lặng không có sóng thiết bị vẫn duy trì đèn báo hiệu gắn trên
mặt phao hoạt động từ nguồn điện pin năng lượng mặt trời cung cấp.

Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
3.2. Tính toán thiết kế các bộ phận cơ học

Các bản vẽ được tính toán thiết kế trên các phần mềm chuyên
dụng Solidworks và AutoCad. Các cơ cấu bộ phận, các khối chức
năng được tính toán lắp đặt và ghép nối phù hợp trong thiết bị.


17

Trong đó, phao thiết bị được thiết kế dạng trụ tròn chiều cao 420
mm và đường kính 800 mm, vỏ phần thiết bị phát điện đường kính
500 mm và chiều cao 750 mm.

Hình 3.3. Cấu trúc lõi thiết bị
phát điện

Hình 3.5. Tổng thể vỏ phần
thiết bị phát điện

Bảng 3.1. Các thông số chính trong mô hình
Thông số

Giá trị

Chiều dài vỏ trục piston (mm)

400

Chiều dài thanh trục piston (mm)

450

Chiều dài thanh răng (mm)

450

Đường kính bánh răng (mm)

60

Bộ tăng tốc chuyển động

1:30

Với các thông số:
h1 = 250 mm
h2 = 750 mm
h3 = 750 mm
l = 1634 mm

3.3. Tính toán thiết kế phần điện
Phần điện trong thiết bị được tính toán thiết kế sử dụng loại mô
tơ phát điện xoay chiều ba pha, kết hợp đồng bộ với bộ chuyển đổi
điện áp xoay chiều ba pha sang điện áp một chiều và ổn định tại điện
áp 12 VDC loại công nghiệp hiệu suất cao của hãng Windbluepower.


18

Điện áp của mô tơ phát điện phát ra sau khi được ổn định điện áp tại
12 VDC được truyền đến bộ chuyển đổi DC-AC. Trong luận án, bộ
chuyển đổi DC-AC được tính toán thiết kế với công suất 2000 W,

chất lượng điện áp thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt
Nam. Mạch bảo vệ đồng thời được xây dựng nhằm kiểm soát sự hoạt
động của thiết bị theo các điều kiện về sự quá tải, quá nhiệt và điện
áp yếu để bảo vệ an toàn cho hệ thống thiết bị khi hoạt động [39,61].
2

2

13 VSS
U5

3

COM
VCC

+

SHDN

DB102

3
C13

6

D11

10uF

104

HO

2.2R

5

7

D19

LO

D12
22R

1

D4

22R

6
7

4

8

3
Q13
40N60

1
R29
3.3K

4148
R28

L1
294SN
3

D14
22R

D26

R21
1

22R
C22
104

T13

+

12

HIN

VS

LIN

VCC

R10
R

4

8

DIODE

Q10
IRF140

5
3

8
RA1

RB0/INT

3

7

D18
22R
6

16F716

VDK

Q18
40N60

1

5

R39
3.3K

4148
R38
4

R18
R

R37
3.3K

4148
R36
R47 10K

18

GND

T14
TRANSFORMER ISOLATED

Q17
40N60

1

RB2

10

11

12

914
RB3

RB4

D17

VDD

U10

3

4

U9

2.1. ( Chữ in đậm, 11, Times New Roman)
R

Q16
40N60

1
R35
3.3K
C20 105

4148
R34

R49 10K

RB1

OSC1/CLKIN

C19
225

C18
225

22R

R48

RA0

16
22n
C17
C1
0.1uF

RB5

13

D30
D31

RB6

RB7

Y 1 20M
DIODE

RA2

8

RA3

6
7

4

R43

OSC2/CLKOUT

MCLR

2
3

VCC

C16 22n

RA4/TOCKI

15

D10

R42

17

R17

22R
D16

1K

1K

R45

1

R16
R

R46

D9

5

1K 1K

U7

2

Q9
IRF140

1K

3

T11

CHƯƠNG 2. ……
R

D33

1

LO

1

R33
3.3K

4148
R32

R51
330R

1

2

3
22R

1

2

R50
521
22R

521

DD

2.1.1. (Chữ in đậm, nghiêng, 11, Times new Roman)
R56

5.6K

5
6
14

18k
C28
393

C27
103

3
4
13

IN1+
IN1IN2+
IN2-

CT
RT
VREF

Q20

V 12

C1
C2

E1
E2

8
11

4148

2.2K

R54
1M

12

3 +

Q21

COMP
DTC
OC
VCC

1

2 -

TL494C

A1013

20M

U19A

U12A

3 +

1

2 -

11

R55

C26
33

D32

LM324

D34

LM324

4148

( Chữ thường, Times New Roman, 11)

TIP41CQ19

LS2

10
8
7
VCC5

4
1

R58

470R

R10-E1Y2-V52

9
6

5VDC

12VDC

3

4.7u

C25
33

5VDC

9
10

2.1.1.1. (Chữ thường, nghiêng, 11, Times New Roman)
C28

Y2

A1013

12VDC AQ
Sensor7

+

U21A
LM339
1

-

RB7
RB6

RB5
RB4
RB3
RB2
RB1
RB0
VDD
VSS
RD7
RD6
RD5
RD4
RC7
RC6
RC5
RC4
RD3
RD2

12

6
Ap chuan

RE3
RA0
RA1
RA2
RA3
RA4

RA5
RE0
RE1
PIC16LC74/FP
RE2
VDD
VSS
RA7OSC1
RA6OSC2
RC0
RC1
RC2
RC3
RD0
RD1

R57 10K

R58

U20

1
2
16
15

4

R59 1.8K

11

10u

4

C29

220V AC

225

C14

D29

R12
R
1

R15

D28

10uF
104

9

6
7

3

2
3

Q6
IRF140

R

2.2R
C15

7

HO

VCC

3 30VDC

R11

COM

13 VSS

Q5
IRF140

R

2

6

VB

11 IR2110
SHDN

4

R9

330uF

5

C23

Q15
40N60
2

C2

( Chữ thường, Times New Roman, 11)
T10

3

D15

5

3

2

10
+

D7
D20

1

C24
104

R41

U8

2

R8
R

1

C3

330uF

2

1

1

150K

1

Q4
IRF140

R

R19

2

L 220uH

3.3K

D27

VDD

R7

R52

VCC

150K

R6
R

R

2

D8
DIODE

2

330uF

2

10K

+

3.3K
R44

+

R22

R20

1
S

R31
3.3K

4148
2

2

0.15R

1.1.1.1. (Chữ thường, nghiêng, 11, Times New Roman)
R23

8

1

5

DD

Q14
40N60

1

R30

D5

5

D13

L2
294SN

4

T9

2
3

C10
104

470uF

D6

Q3
IRF140

C11

+

C7
104

8

R5

C6

470uF

2

D25

4

+

1

330uF
C5
10K

D24

R4
R

R

8

VCC

8

1

GND

VCC
4

Q2

IRF140

7

DSCHG
C4

6
7

3

R3

2
3

+

6

THR

IR4427
TRG

R2
R

3 30VDC

1

OUT

Q1
IRF140

R

5

CV

3

2

RST

Q12
40N60

1
R27
3.3K
C21 105

4148
R26

1

3

U1

1
S

R1

4

R25
3.3K

4148
R24

DIODE

3

OUT

7805

Q11
40N60

1

C12

2

5

-

4

D3

VB

IR2110

3

D23

VS

LIN

1

1

T8

2

R40

HIN

2

8

Q8
IRF140

11

GND
IN

4

330 VDC

VCC

R14
R

D21

2

D22
1

6
7

3

3

U4
10
12

2
3

R13
R

2

GND

7815
V 12

VDD

IN

D2

+

Q7
IRF140

5

D1

9

1

C8
104

OUT

U6
1

C9
2200uF +

T7

G 3. ……….

U11
5VDC

Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DC-AC và bảo vệ [39]


19

3.4. Chế tạo thiết bị
Tổng thể phần thiết bị phát điện được chế tạo và lắp ghép gồm
lõi thiết bị phát điện, chân đế, các cơ cấu bảo vệ thiết bị khi hoạt
động thử nghiệm thực tế tại biển như sau:

Hình 3.17. Lõi thiết bị phát điện

Hình 3.18. Lắp ghép toàn
bộ thiết bị

Kết luận chương 3
Trong chương 3 đã thực hiện được các kết quả chính như sau:
Xây dựng được cấu trúc tổng thể thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển và chỉ ra chức năng của từng khối bộ phận trong thiết bị.
Đã tính toán thiết kế chi tiết các cơ cấu bộ phận cơ học của thiết bị,
tính toán thiết kế phần điện với bộ chuyển đổi DC-AC từ điện áp 12
VDC sang điện áp 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn
điện lưới quốc gia Việt Nam, cùng với hệ thống kiểm soát bảo vệ

thiết bị khi hoạt động.
Đã chế tạo được toàn bộ các cơ cấu bộ phận của thiết bị, ghép
nối hoàn thiện thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, kiểm tra sự
hoạt động của thiết bị tại phòng thí nghiệm và cân chỉnh.
Kết quả chương 3 được công bố ở các công trình [2] và [6].


20

CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT
THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN
4.1. Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển
Hình 4.1 đưa ra một số hình ảnh vận chuyển thiết bị lên tàu HQ
1788 tại cảng biển Hòn Dấu, đưa thiết bị ra biển thử nghiệm [33,40].

a. Vận chuyển thiết bị ra biển

b. Thiết bị hoạt động ở biển

Hình 4.1. Vận chuyển thiết bị trên tàu HQ 1788 và thử nghiệm
Chu kỳ sóng biển: được đo thực tế tại biển khi thử nghiệm bởi thiết
bị đo DASIM của Đức kết nối sensor Futek của Mỹ. Các kết quả
nhận được cho thấy tần suất sóng biển xuất hiện nhiều và liên tục tại
chu kỳ 4,26 giây, tương ứng tần số sóng biển 1,47 rad/s. Áp suất do
sóng biển tác động lên phao trung bình ở mức 0,31 psi (tương ứng
0,021 atm) và đạt giá trị lớn nhất 0,74 psi (tương ứng 0,05 atm). Các
giá trị áp suất này sẽ được tác giả sử dụng trong các bài toán nghiên
cứu về vật liệu vỏ thiết bị ở các nghiên cứu tiếp theo.
Điện áp thiết bị phát ra: được đo thử nghiệm về công suất điện
của thiết bị phát ra tại biển trên tàu HQ 1788. Bảng 4.2 đưa ra mức

giá trị trung bình về điện áp, cường độ dòng điện nhận được từ mô tơ
phát điện của thiết bị phát ra ở các mức tải thử (không bao gồm điện
năng từ pin năng lượng mặt trời) và hiệu suất bộ chuyển đổi DC-AC.


21

Bảng 4.2. Giá trị công suất điện phát ra trung bình theo tải thử
Tải
thử
Pe (W)
100
140
200
300

Điện áp
UDC
(VDC)
12
12
12
12

Cường độ
dòng điện
IDC (A)
9,92
13,47
20,33

29,5

Điện áp
UAC
(VAC)
224
223
223
221

Cường độ
dòng điện
IAC (A)
0,45
0,61
0,92
1,35

Hiệu suất
ηdc-ac (%)
84,67
84,15
84,09
84,27

4.2. Phân tích chất lượng điện áp của thiết bị phát ra
Dạng sóng điện áp của thiết bị phát ra được đo và phân tích phổ
tần số trên thiết bị đo Picoscope USB Oscilloscope 2204A ghép nối
máy tính của Anh sản xuất, cũng như phần mềm phân tích phổ điện
áp được tác giả viết trên ngôn ngữ lập trình Matlab cho thấy giá trị

điện áp nhận được 220 VAC ± 1,52% tần số 50 Hz ± 0,06% với chất
lượng điện áp thực sine. Do vậy, tác giả nhận thấy chất lượng điện áp
của thiết bị phát ra đã đáp ứng theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia
Việt Nam [71].
4.3. Phân tích hiệu suất của thiết bị hoạt động thực tế tại biển
Hiệu suất chuyển đổi điện áp từ 12 VDC sang 220 VAC tần số
50 Hz được xác định từ các số liệu trên bảng 4.2 như sau:


dc  ac



84,67  84,15  84,09  84, 27
4

 84,3%.

(4.2)

Với công suất điện Pe của thiết bị đã phát ra và hoạt động ổn
định trong suốt thời gian thử nghiệm thực tế tại biển là 200 W, giá trị
công suất tính mô phỏng số thiết bị nhận được từ năng lượng sóng
biển ở chương 2 là 295,8 W. Hiệu suất chuyển đổi η của thiết bị được
xác định bởi biểu thức:


22



P

e

Pgm

100% 

200
295,8

100%  67%

(4.3)

Trong đó hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng
mà phao đã nhận được từ năng lượng sóng biển đến mô tơ phát điện
là 88%, hiệu suất phần điện của thiết bị nhận được là ηe = 75,8%.
Các kết quả nhận được đã cho thấy sự phù hợp giữa nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm.
Kết luận chương 4
Trong chương này, tác giả đã tiến hành thử nghiệm thiết bị phát
điện từ năng lượng sóng biển hoạt động thực tế tại biển Hòn Dấu –
Hải Phòng. Thiết bị gồm phao thả nổi trên mặt biển, phần phát điện
được gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng.
Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC
tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam.
Mức hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng cơ của thiết bị đã hấp thụ
được sang năng lượng điện đạt 67%. Trong quá trình thử nghiệm,

công suất điện của thiết bị phát ra lớn nhất đạt 300 W và hoạt động
ổn định ở tải 200 W trong suốt thời gian thử nghiệm tại biển.
Kết quả chương 4 được công bố ở các công trình [1], [2], [3] và [4].
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận của luận án
Kết luận chung
Luận án này trình bày kết quả nghiên cứu của tác giả về xây
dựng mô hình cơ học và tính toán thiết kế thiết bị phát điện. Trong
luận án đã đưa ra phương pháp nghiên cứu được tiếp cận từ việc


23

khảo sát các điều kiện thực tế của sóng biển, sau đó xây dựng mô
hình cơ học, tiếp theo tính toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết
bị hoạt động thực tế tại biển. Với kết quả chính của luận án là:
- Đã thu thập và phân tích được đặc trưng năng lượng sóng biển
Việt Nam, với các số liệu về chu kỳ và độ cao của sóng biển.
- Đã xây dựng được một mô hình cơ học và thiết lập phương
trình chuyển động phi tuyến của thiết bị. Đã áp dụng phương pháp
trung bình hóa của cơ học phi tuyến, khảo sát hiện tượng cộng hưởng
để chỉ ra được vùng hoạt động ổn định và mất ổn định của mô hình.
Đưa ra khả năng chế tạo thiết bị hoạt động trong miền phi tuyến sử
dụng tại các vùng biển có biên độ sóng lớn, với năng lượng thiết bị
nhận được là lớn nhất. Trong tính toán, tác giả sử dụng phương pháp
giải tích đối với bài toán tuyến tính, phương pháp Runge-Kutta bậc 4
và phương pháp Simpson đối với bài toán phi tuyến để tính toán
nghiệm và khảo sát sự hoạt động của thiết bị. Xác định tối ưu hệ số
cản của mô tơ phát điện, mức công suất thiết bị nhận được từ năng
lượng sóng biển theo các thông số mô hình và phù hợp với điều kiện

thực tế biển Việt Nam.
- Đã tính toán thiết kế và chế tạo được một thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển, ưu điểm của thiết bị đã đưa vào sử dụng với
mô tơ phát điện loại công nghiệp hiệu suất cao chuyển động quay
tròn sẵn có trên thị trường. Đã thực hiện thử nghiệm thiết bị hoạt
động thực tế tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng, nguồn điện của thiết bị
phát ra đã cấp điện cho tải 200 W hoạt động ổn định trong suốt thời
gian thử nghiệm tại biển, với hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng
sóng biển của thiết bị đã nhận được sang điện năng đạt 67%.
Những đóng góp mới của luận án
- Tác giả đã đề xuất và xây dựng được một mô hình thiết bị phát
điện hiệu năng cao từ năng lượng sóng biển, phù hợp với điều kiện
thực tế biển Việt Nam và khả năng gia công chế tạo ở trong nước.