Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng điện ứng dựng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển việt nam

BỘ

GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHÙNG VĂN NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG - ĐIỆN ỨNG
DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG SÓNG
TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019


BỘ

GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHÙNG VĂN NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG - ĐIỆN
ỨNG DỤNG CHO KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG SÓNG
TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

GS.TS. NGUYỄN THẾ MỊCH

2.

PGS.TS. ĐẶNG THẾ BA

Hà Nội – 2019


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận án “Nghiên cứu thiết bị
biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng
biển Việt Nam” tại trường Đại học Bách khoa Hà nội tác giả nhận được nhiều giúp đỡ
từ các tổ chức và cá nhân:
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể các nhà khoa học là: GS. TS.
Nguyễn Thế Mịch và PGS.TS. Đặng Thế Ba đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo vạch ra
những định hướng khoa học để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô trong Bộ môn Máy và tự
động thủy khí, Viện cơ khí động lực, trường đại học Bách khoa Hà Nội. Tập thể giảng
viên Bộ môn Cơ kỹ thuật – Đại học Công nghệ - ĐHQGHN; Hội cơ học Thủy khí; Hội
máy thủy khí và các tạp chí khoa học đã động viên giúp đỡ hỗ trợ về tinh thần cũng
như vật chất trong thời gian tác giả thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn đến anh em đồng nghiệp nói chung và anh em đồng nghiệp
trong Viện khoa học Thủy lợi Miền Trung và Tây Nguyên đã luôn động viên, giúp đỡ,
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và công tác.

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình
đã động viên, tạo điều kiện khuyến khích cho tác giả vượt qua mọi khó khăn để hoàn
thành luận án tiến sĩ này.
Nghiên cứu sinh

Phùng Văn Ngọc

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng
dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam”.
Tôi xin cam đoan đề tài luận án của tôi hoàn toàn là do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn tận tình của tập thể các nhà khoa học gồm GS.TS Nguyễn Thế Mịch,
PGS.TS Đặng Thế Ba. Những kết quả nghiên cứu của luận án và số liệu đo đạc thí
nghiệm tại Phòng thí nghiệm và hiện trường của trường Đại học Công Nghệ ĐHQGHN là hoàn toàn trung thực và chưa có ai công bố.
Hà nội, ngày 22 tháng 08 năm 2019
Thay mặt tập thể hƣớng dẫn khoa học

Ngƣời cam đoan

GS. TS. Nguyễn Thế Mịch

Phùng Văn Ngọc

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC.................................................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU........................................................................................................... vi
DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH............................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................................ ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ....................................................................................... xi
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................................. 5
1.1. Nguồn năng lƣợng từ biển........................................................................................................ 5
1.2. Năng lƣợng sóng biển.................................................................................................................. 6
1.2.1. Các đặc trưng của sóng biển
.........................................................................................................................................................................

7

1.2.2. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng
.........................................................................................................................................................................

9

1.2.3. Đặc trưng năng lượng sóng biển...................................................................................... 11
1.3 Tiềm năng năng lƣợng sóng biển Việt Nam.................................................................... 15
1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi năng lƣợng
sóng biển................................................................................................................................................... 21
1.4.1. Sơ lược một số nguyên lý và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng
......................................................................................................................................................................

21

1.4.2. Tổng quan các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng của Thế giới
......................................................................................................................................................................

25
1.4.3 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ
......................................................................................................................................................................

28
1.4.4. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ
......................................................................................................................................................................

34
1.5. Tổng quan tình nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lƣợng trong nƣớc........37
1.6 Kết luận chƣơng 1....................................................................................................................... 39
Chƣơng 2. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI


NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN....................................................................................................... 41
2.1. Cơ sở tính toán dòng năng lƣợng sóng biển.................................................................. 41
2.2. Các đặc trƣng cơ bản vùng nghiên cứu phát triển thiết bị.................................... 41
2.3. Cơ sở tính toán tƣơng tác sóng biển với công trình nổi........................................... 43
2.2.1. Các giả thuyết đối với sóng trên công trình
......................................................................................................................................................................

44
iii


2.3.2. Xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình nổi
......................................................................................................................................................................

45
2.4. Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển.......................... 46
2.4.1. Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp mục tiêu để
nghiên cứu phát triển
......................................................................................................................................................................

47
2.4.2. Lựa chọn dạng phao tiếp nhận cho thiết bị
......................................................................................................................................................................

49
2.5. Phƣơng pháp tính toán mô hình phao dạng hộp chữ nhật.................................... 51
2.6. Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị sử dụng dạng phao trụ chóp nón......54
2.6.1. Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng bằng phao nổi dạng chóp nón
......................................................................................................................................................................

54
2.6.2. Mô hình cơ cấu máy phát
......................................................................................................................................................................

56
2.6.3. Nguyên lý hoạt động của mô hình
......................................................................................................................................................................

57
2.7 Kết luận chƣơng 2....................................................................................................................... 57
Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG
LƢỢNG SÓNG BIỂN....................................................................................................................... 58
3.1. Xây dựng mô hình tính toán của thiết bị......................................................................... 58

3.1.1. Các phương trình cơ học của thiết bị
......................................................................................................................................................................

58
3.1.2. Phương trình chuyển động của phao 1:
......................................................................................................................................................................

59
3.1.3. Phương trình chuyển động của phao 2
......................................................................................................................................................................

60
3.2. Phƣơng trình cơ bản cho hệ thống máy phát............................................................... 63
3.2.1. Mô hình điện từ trường máy phát
......................................................................................................................................................................

63
3.2.2. Áp dụng trong cấu hình máy phát nam châm chuyển động thẳng
......................................................................................................................................................................

64
3.3. Phƣơng trình lực điện từ của máy phát.......................................................................... 68


3.4. Tính toán mô phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sóng
sang điện................................................................................................................................................... 69
3.4.1. Giới thiệu về các phầm mềm mô phỏng
......................................................................................................................................................................

69

3.4.2. Tính phân bố từ trường nam châm vĩnh cửu bằng FlexPDE
......................................................................................................................................................................

70
3.4.3. Tính toán mô phỏng hoạt động của máy phát bằng Matlab
......................................................................................................................................................................

77
3.5 Kết luận chƣơng 3....................................................................................................................... 81
Chƣơng 4. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ
CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN...................................................................... 83
4.1. Tính toán khảo sát đặc tính, tính toán thiết kế cho thiết bị có P= 50W............83
4.2. Thiết kế, chế tạo hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sóng thử nghiệm................87
4.2.1. Thiết kế, chế tạo máy phát điện
......................................................................................................................................................................

87
4.2.2. Thiết kế, chế tạo hệ thống phao thu nhận năng lượng
......................................................................................................................................................................

89
iv


4.2.3. Thử nghiệm, hoàn thiện thiết bị
......................................................................................................................................................................

91
4.3. Đề xuất mô hình chuyển đổi năng lƣợng sóng 5kW để phát triển thiết bị quy
mô thực tế.............................................................................................................................................. 101

4.4. Khảo sát một số đặc tính cơ bản........................................................................................ 104
4.5 Kết luận chƣơng 4..................................................................................................................... 110
a) Kết luận chung............................................................................................................................... 111
b) Khuyến nghị.................................................................................................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN....................... 118

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Awp: Phần diện tích tiếp xúc với nước biển.
với Awp = BL ( B là chiều rộng và L chiều dài của phao)
B: Bề rộng phao nổi (m)
BT: Cảm ứng từ (T)
Dc: Điện cảm
D : Đường kính phao thứ cấp (m)

D1: Đường kính phao sơ cấp (m)
E : Năng lượng sóng là tổng ( lb.ft hoặc N.m )

Ekz : Động năng toàn phần dao động của phao

(KJ).

Epz : Thế năng toàn phần dao động của phao

(KJ).

ET: Cường độ điện trường (V/m)

HT: Cường độ từ trường (A/m)
Hs : Chiều cao sóng (m)
2

g: gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s ).
m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp

Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại của phao (m).

F0: Biên độ lực dao động (N).
ω: Tần số góc (rad/s).
2

J: Mật độ dòng điện (A/m )
ρc : mật độ điện tích (C/m3)
M : độ từ hóa (A/m)
n : Số vòng dây
T : Chu kỳ (s)
f : Tần số (Hz)
c : Vận tốc lan truyền (m/s)
3

ρ : Khối lượng riêng (kg/m )
Plt : Công suất lý thuyết thiết bị (kW)
Ptt : Công suất thực tế thiết bị (kW)
V : Vận tốc truyền sóng (m/s)
P : Công suất sóng ( ft.lb/sec hoặc W, kW)

f : Tần số ( 1/T ) ( Hz )
c : Vận tốc sóng ( ft/s hoặc m/s)

h : Độ sâu của mực nước biển ( ft hoặc m )
vi


L: Chiều dài của phao nổi
dn: Phần ngập nước của phao

(m)
(m)

Fz: Lực kích thích sóng lên phao (KN)
F0: Là biên độ lực dao động

(KN).

Pz: Công suất thu được từ phao (KW).
Tz: Chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s)
mw: Khối lượng phần nước biển tác động vào phao.
m: khối lượng kèm của nước chuyển động theo m = ρdAwp

Sb(t) là dịch chuyển đứng của phao khỏi vị mặt nước tĩnh ban
đầu mb1 là khối lượng của phao
sb (t) là gia tốc chuyển dịch đứng của phao

Fe,b(t) là lực kích thích theo chiều đứng của sóng tới
Fr,b(t) là lực theo chiều đứng do sóng phát xạ
Fb,b(t) là tổng lực đẩy thủy tĩnh và lực trọng trường
Fb,v(t) là lực cản
Fb,f(t) là lực ma sát nhớt của nước
Fb,u(t) là lực điện từ trường của máy phát

Z: Biên độ dao động phao nổi hình hộp chữ nhật (m)

vii


DANH MỤC CHỮ CÁI LATINH

λ: bước sóng ( ft hoặc m)
3

γ : Trọng lượng riêng (N/m )

η : Hiệu suất thiết bị (%)
εo : Độ điện thẩm chân không (εo = 8,854.10

-12

F/m)

ε : Độ điện thẩm của môi trường
-7

μo : Độ từ thẩm chân không (μo = 4π . 10 T.m/A)
μ : Độ từ thẩm môi trường
ωz: Tần số góc của dao động (rad/s).

viii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
CERT

EVN
HEB
IEA

LPM

NL
NLTT
NLSB
NTB
OWAP

OWC
OES
R&D
VKHTLVN
VN


ix

DA
Bảng 1.1. Mức năng lượng sóng biển tại một số vùng biển trên thế giới ..................
Bảng 1.2. Năng lượng TB tháng của một số vùng có tiềm năng nhất (kW/m) .........
Bảng 1.3. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ đang thực hiện .............
Bảng 1.4. Các thiết bị gần bờ đã và đang phát triển trên thế giới ...........................
Bảng 2. 1.

Các thông số kích t

Bảng 4. 1.

Các thông số thiết k

Bảng 4. 2.

Thống kê chi tiết cá

Bảng 4.3 Năng lượng có thể thu được theo kích thước phao (cả ma sát) ..............
Bảng 4.4. Thông số đặc trưng chủa máy phát điện LPM .......................................
Bảng 4.5. Công suất trung bình tối đa trên mỗi ống dây ứng với điều kiện sóng vùng
Nam Trung Bộ ........................................................................................................


x


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Biểu đồ phân bố mức năng lượng sóng trên toàn thế giới................................ 7
Hình 1.2. Các thông số cơ bản của sóng biển........................................................................... 8
Hình 1.3. Hình mô tả chuyển động của sóng biển................................................................... 9
Hình 1.4. Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng song [36]....................10
Hình 1.5. Các dạng năng lượng đặc trưng của sóng biển................................................. 11
Hình 1.6. Chuyển động của sóng tịnh tiến................................................................................ 12
Hình 1.7. Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo
đơn vị độ dài......................................................................................................................................... 13
Hình 1.8. Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng với chiều cao sóng và chu kỳ sóng theo

đơn vị diện tích.................................................................................................................................... 13
Hình 1.9. Thế năng theo thời gian............................................................................................... 14
Hình 1.10. Động năng theo chiều sâu........................................................................................ 14
Hình 1.11. Bản đồ phân vùng năng lượng sóng biển của Việt nam................................ 15
Hình 1.12. Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng.............................18
Hình 1.13. Thông lượng năng lượng sóng TB năm ven biển Việt Nam......................... 18
Hình 1.14. Phân bố năng lượng sóng TB tháng tại những vùng có tiềm năng nhất
(kW/m).................................................................................................................................................... 19
Hình 1.15. Sơ đồ các điểm đã tính thông lượng năng lượng sóng................................ 20
Hình 1.16. Thông lượng sóng tại điểm có tiềm năng nhất................................................. 20
Hình 1.17. Độ cao sóng của vùng tiềm năng nhất................................................................ 21
Hình 1.18. Biến đổi chu kỳ sóng theo tháng............................................................................ 21
Hình 1.19. Sơ đồ thống kê các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng........................ 25
Hình 1.20. Giá điện sóng trung bình toàn cầu

Hình 1.21. Giá điện thủy triều .. 27

Hình 1.22. Công nghệ điện sóng Pelamis ình 1.23. Tuabine gió biển Đan Mạch. . .27
Hình 1.24. Đồ thị biểu thị tốc độ phát triển điện sóng và điện gió gần bờ và xa
bờ.28
Hình 1.25. Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon.......................................... 29
Hình 1.26. Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển chuyển động thẳng. 30
Hình 1.27. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pelamis................................................. 31
Hình 1.28. Thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi....................................................... 31
Hình 1.29. Một số dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng ngoài khơi dạng chuyển động
tịnh tiến.................................................................................................................................................. 32
xi


Hình 1.31. Thiết bị Pendulor máy phát sinh ra điện.

...................................................................................................................................................................

35
Hình 1.32. Thiết bị Oyster

Hình 1.33. Thiết bị WaveRoller
35

Hình 1.34. Hệ thống sử dụng dao động của phao gần bờ.
...................................................................................................................................................................

36
Hình 1.35. Hệ thống kênh hẹp nhìn từ trên xuống.
...................................................................................................................................................................

36
Hình 1.36. Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển.
...................................................................................................................................................................

38
Hình 1.37. Cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển.
...................................................................................................................................................................

39
Hình 2. 1. Đảo Phú Quí nhìn từ Google Earth.
...................................................................................................................................................................

43
Hình 2. 2. Hệ tọa độ biểu diễn vật nổi trên mặt chất lỏng
...................................................................................................................................................................

43
Hình 2. 3. Mô hình thiết bị chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp.
...................................................................................................................................................................

47
Hình 2. 4. Một số dạng kết cấu phao thu nhận năng lượng sóng
...................................................................................................................................................................

50
dạng chuyển động tịnh tiến
...................................................................................................................................................................

50
Hình 2. 5. Cấu tạo của thiết bị phao nổi hình hộp chữ nhật.
...................................................................................................................................................................

51
Hình 2. 6. Mô hình làm việc của phao dạng hộp
...................................................................................................................................................................

52
Hình 2. 7. Đường quan hệ các hệ số Km và K1 phụ thuộc tỷ lệ B,L,d
...................................................................................................................................................................

53
Hình 2. 8. Thiết kế mô hình bằng phần mềm SolidWork
...................................................................................................................................................................

55

Hình 2. 9. Mô hình máy phát chuyển động thẳng.


...................................................................................................................................................................

56
Hình 2. 10. Cấu tạo và cách bố trí các nam châm trong lõi của máy phát.
...................................................................................................................................................................

56
Hình 3. 1. Mô tả chuyển động của các phao dưới tác dụng của sóng.
...................................................................................................................................................................

58
Hình 3. 2. Mô hình hóa hệ thống thiết bị
...................................................................................................................................................................

61
Hình 3. 3. Mô hình phao sơ cấp và phao thứ cấp.
...................................................................................................................................................................

62
Hình 3. 4. Mặt cắt dọc theo trục đối xứng của nam châm, dùng trong tính toán của
FlexPDE.
...................................................................................................................................................................

66
Hình 3. 5. Lực Ampere sinh ra trên mỗi vòng dây.
...................................................................................................................................................................

68
Hình 3. 6. Mô hình thiết bị nghiên cứu.
...................................................................................................................................................................

71
Hình 3.7. Cấu tạo chi tiết của phao sơ cấp thiết bị mô phỏng thí nghiệm
...................................................................................................................................................................

72
Hình 3.8. Cắt ngang chi tiết mô hình thiết bị nghiên cứu.
...................................................................................................................................................................

73
Hình 3.9. Phân bố từ thế vector.
...................................................................................................................................................................

74
Hình 3.10. Từ trường quanh nam châm.
...................................................................................................................................................................

74
Hình 3. 11. Hình ảnh các đường đồng mức độ lớn từ trường.
...................................................................................................................................................................

75
Hình 3.12. Hình ảnh từ thế vector
...................................................................................................................................................................

75
Hình 3. 13. Phân bố từ trường trong không gian quanh nam châm.

...................................................................................................................................................................

76


Hình 3.14. Các đường đồng mức độ lớn từ trường.
...................................................................................................................................................................

76
xii


Hình 3.15. Hình ảnh từ thế vector................................................................................................ 77
Hình 3. 16. Mô hình thí nghiệm thiết bị.................................................................................... 78
Hình 3.17. Mô hình thí nghiệm thiết bị làm việc trong bể sóng tại VKHTLVN..........79
Hình 3.18. Sức điện động trong ống dây................................................................................... 79
Hình 3. 19. Cường độ dòng điện trong mạch khi nối với máy phát................................ 80
Hình 3. 20. Lực điện từ xuất hiện trên ống dây...................................................................... 80
Hình 3. 21. Công suất máy phát................................................................................................... 81
Hình 4. 1. Sơ đồ cấu tạo và hệ cơ học của thiết bị 2 phao................................................. 83
Hình 4. 2. Mô hình mạch tương đương của máy phát......................................................... 83
Hình 4. 3. Dịch chuyển và vân tốc của các phao................................................................. 85
Hình 4. 4. Lực sóng kích thích lên các phao và lực điện từ............................................... 86
Hình 4. 5. Điện thế và công suất trên tải.................................................................................. 86
Hình 4. 6. Thiết bị thí nghiệm và kết quả so sánh với mô phỏng..................................... 87
Hình 4. 7. Sơ đồ mặt cắt ngang máy phát và vị trí của rotor, stator trong mô hình 88
Hình 4. 8. Phần ứng máy phát điện bao gồm thanh gắn..................................................... 88
nam châm và lõi gắn nam châm................................................................................................... 88
Hình 4. 9. Khung quấn dây........................................................................................................... 89
Hình 4. 10. Máy phát sau khi chế tạo......................................................................................... 89

Hình 4. 11. Mô hình thiết kế phao sơ cấp................................................................................. 90
Hình 4. 12 Phao sau khi chế tạo................................................................................................... 90
Hình 4. 13 Hình ảnh tổng thể thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao hoàn
thiện......................................................................................................................................................... 90
Hình 4. 14 Bộ tạo chuyển động tịnh tiến theo sóng cho máy phát.................................. 92
4.2.3.2. Kết quả thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng.................................. 92
Hình 4. 15. Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, không thanh sắt dẫn từ, công
suất trung bình thu được Ptb = 30, 905w.................................................................................. 93
Hình 4. 16. Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, có thanh sắt dẫn từ, công
suất
trung bình thu được Ptb = 31,198w............................................................................................. 93
Hình 4. 17. Đo 1 pha, 2 mặt nam châm, không có khung sắt từ, công suất trung bình
thu được Ptb = 41,112w.................................................................................................................... 93
Hình 4. 18. Đo 1pha, 1 mặt nam châm, có khung sắt từ, công suất trung bình thu
được
Ptb = 42,189w...................................................................................................................................... 94
Hình 4. 19. Kiểm tra máy phát trong phòng thí nghiệm..................................................... 94


xiii


Hình 4. 20. Đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian...................................................... 95
Hình 4. 21. Công suất trung bình tính được là 11,351 (W)................................................ 95
Hình 4. 22. Biểu đồ công suất phụ thuộc vào bán kính phao............................................ 95
Hình 4. 23. Biểu đồ công suất phụ thuộc vào m của phao thu Pmax khi m =270(kg) 96

Hình 4.24. Biến thiên công suát theo độ dài của lồng......................................................... 96
Hình 4.25. Thực hiện quá trình thí nghiệm thiết bị tại Hồ Tây........................................ 97
Hình 4. 26. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao thử nghiệm hiện trường

97
Hình 4.27. Chuẩn bị các thiết bị đo khao sát hiện trường................................................ 98
Hình 4. 28. Đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian...................................................... 98
Hình 4. 29. Đồ thị lực phao tác dụng lên cuộn dây.............................................................. 98
Hình 4.30. Dao động riêng của phao........................................................................................ 98
Hình. 4.31. Chuyển động của phao tự do, không ma sát và không thu hồi.................99
Hình 4.32. Chuyển động của phao trên mặt sóng, hệ số thu hồi Rbu=250Ns/m, hệ số
ma sát Rbf=20Ns/m............................................................................................................................ 99
Hinh 4.33. Công suất và năng lượng của phao khi Rbu=250Ns/m, Rbf=20Ns/m. .. 100

Hình 4.34. Biến thiên năng lượng thu được trong một chu kỳ theo hệ số thu hồi . 100
Hình 4. 35. Sơ đồ cấu tạo hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng 5kW......................103
Hình 4. 36. Mặt cắt ngang máy phát điện LPM.................................................................. 104
Hình 4. 37. Mặt cắt dọc máy phát điện LPM........................................................................ 104
Hình 4. 38. Điện áp máy phát trên 1 pha............................................................................... 104
Hình 4. 39. Công suất máy phát trên 1 pha........................................................................... 104
Hình 4. 40. Sự phụ thuộc giữa Ptb vào n ứng với các thông số của thiết bị.............105
Hình 4. 41. Sự phụ thuộc giữa Ptb vào n ứng với a=0.083(m),b=0.12(m)...............106
Hình 4. 42 Sự phụ thuộc của Ptrung bình vào độ dài cạnh b............................................. 106
Hình 4. 43. Sự phụ thuộc giữa L vào b................................................................................... 107
Hình 4. 44. Quan hệ giữa độ cao sóng – chu ký sóng của vùng biển NTB...............108
Hình 4.45. Công suất trung bình theo độ cao sóng............................................................ 109
Hình 4. 46. Biểu đồ quan hệ đường kính, điện trở và công suất................................... 109
Hình 4.47. Biểu đồ quan hệ đường kính và công suất...................................................... 109
Hình 4. 48. Biểu đồ quan hệ công suất P và ω.................................................................... 110

xiv


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng (NL) cũng ngày
càng cao. Thế giới đang phải đối đầu với cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng
nhất trong lịch sử nhân loại, an ninh năng lượng được các quốc gia đặt lên hàng đầu.
Trong khi đó, các nguồn NL truyền thống trên thế giới như dầu mỏ, than đá, thủy điện,
hạt nhân đang ngày một cạn kiệt tuy nhiên nhu cầu sử dụng NL đang tăng cao. Thêm
vào đó, việc sử dụng các nguồn NL hóa thạch đang gây ra những tác động xấu đến môi
trường và là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí hậu dẫn đến những thảm họa tự
nhiên đe dọa đến sự sống của con người.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang hướng đến
những nguồn năng lượng mới, tái tạo, trong đó có năng lượng sóng biển.
Từ vài năm nay, giá dầu mỏ tăng và triển vọng các nguồn năng lượng cổ truyền
bị cạn kiệt đã tạo ra một đà tiến mới cho các dự án khai thác năng lượng biển. Năng
lượng biển có hai đặc tính đáng chú ý, thu hút các chuyên gia nghiên cứu khai thác nó,
đó là khả năng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường. Có nghĩa là, đây là nguồn
năng lượng không bao giờ cạn kiệt và là nguồn năng lượng sạch. Ưu thế này khác hẳn
các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang được sử dụng từ trước tới nay. Tuy
nhiên, việc khai thác và sử dụng năng lượng biển cũng đặt ra những vấn đề rất phức
tạp. Cũng giống như các nguồn năng lượng khác của môi trường, năng lượng Mặt Trời
hay địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng biển phân tán trên bề mặt Trái Đất, đồng
thời mật độ năng lượng không ổn định theo không gian và thời gian. Việc khai thác nó
thường gặp rất nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật và triển vọng về hiệu quả kinh tế vẫn
còn chưa thật chắc chắn. Dù vậy, hiện nay nhiều dự án sử dụng năng lượng biển vẫn
đang được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Phần lớn đang nằm trong giai đoạn
thăm dò. Tuy nhiên cũng có những dự án đã được thực hiện dẫn tới việc khai thác có
lợi nguồn năng lượng này.
2. Mục tiêu nghiên cứu

a) Về cơ sở khoa học

1


Luận án nghiên cứu tổng hợp các thông tin về năng lượng sóng biển ở Việt Nam để
định hướng nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng phù hợp với từng
vùng. Tìm hiểu phân tích nguyên lý hoạt động và cấu tạo của thiết bị chuyển đổi năng
lượng sóng biển đang được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới để đề xuất ứng dụng
mô hình phù hợp với vùng biển tiềm năng tại Việt Nam. Nghiên cứu phát triển sơ đồ
cấu tạo, mô hình mô phỏng và tiến hành tính toán xác định khả năng hoạt động của
thiết bị. Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị để kiểm tra nguyên lý hoạt động của thiết
bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động thẳng.
b) Về thực tiễn

Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển
đổi năng lượng sóng biển ứng với từng mức năng lượng sóng biển của vùng biển phù
hợp với đặc điểm sóng tại Việt Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là năng lượng sóng biển và các loại thiết bị
chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới
dạng chuyển động tịnh tiến.
+ Phạm vi nghiên cứu:
Luận án đề cập đến các thiết chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển đổi
trực tiếp sử dụng khai thác nguồn năng sóng biển tại vùng biển Việt Nam. Trên cơ sở
nghiên cứu tiềm năng năng lượng sóng biển của Việt Nam. Luận án nghiên cứu tính
chọn tính toán thiết kế thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển ứng dụng
vào vùng biển ngoài khơi Nam Trung Bộ. Thiết bị nghiên cứu có nguyên lý dạng
chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp thành điện.
4. Ý nghĩa khoa học của luận án

Nội dung của luận án “ Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng
dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam ” có ý nghĩa to lớn về mặt
lý thuyết và thực tiễn. Kết quả của luận án nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu và
những hiểu biết về các đặc trưng kỹ thuật về NLSB Viêt Nam, phát triển các phương
pháp tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng. Góp phần nghiên
2


cứu, phát triển và áp dụng các vấn đề khoa học về tương tác sóng lên công trình, tính
toán mô phỏng, thiết kế chế tạo các thiết bị chuyển đổi NLSB. Nội dung nghiên cứu
của đề tài đáp ứng được các yêu cầu về ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính cấp thiết
đối với luận án tiến sỹ.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu

Luận án được nghiên cứu trên cơ sở kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực
nghiệm, nghiên cứu lý thuyết sóng biển, lý thuyết thiết bị chuyển đổi năng lượng và
phương pháp mô phỏng số kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng kết quả
nghiên cứu.
6. Điểm mới của luận án
Luận án đóng góp cho chuyên ngành những điểm mới như sau:
+ Luận án đã tổng hợp thông tin về tiềm năng NLSB tại việt nam đồng thời phân

tích các nguyên lý làm việc thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển để làm định
hướng cho lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển áp dụng vào khai thác tại
Việt Nam. Đồng thời thiết lập hệ phương trình (3.13) mô tả chuyển động giữa thiết bị
chuyển đổi và sóng biển.
+ Thiết kế và chế tạo được một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng – điện

dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 50W, sử dụng nam châm không lõi sắt lần

đầu tiên được nghiên cứu tại Việt Nam. Thiết bị không cố định dưới đáy biển mà dùng
giải pháp hai phao chuyển động chậm pha nhau.
+ Luận án đã đề xuất thiết kế và khảo sát các thông số của thiết bị chuyển đổi năng

lượng dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 5kW, làm cơ sở cho các nghiên cứu để

mở rộng phát triển hướng nghiên cứu trong lĩnh vực khai thác năng lượng sóng biển
còn non trẻ tại Việt Nam.
7. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, khuyến nghị nội dung của luận án bao gồm các
nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng
biển tại Việt Nam.
3