Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí và cơ kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình cơ học và tính toán thiết kế thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

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

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

Hà Nội – 2019


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

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TSKH. Nguyễn Đông Anh

Hà Nội – 2019


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được
cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Hải


ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS.TSKH. Nguyễn
Đông Anh, người thầy đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực
hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào
tạo trong quá trình học nghiên cứu sinh. Tôi xin cảm ơn Viện Cơ học, Học viện
Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn tới Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã hỗ trợ kinh phí thông qua đề tài khoa học công nghệ VAST 01.10/16-17 để
có được các kết quả nghiên cứu của luận án.
Xin cảm ơn các đồng nghiệp ThS. Lê Chí Công, ThS. Nguyễn Như Hiếu,
cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận án này.


iii

MỤC LỤC

Trang
Lời cam đoan ………………………………………………………………….

i

Lời cảm ơn ……………………………………………………………………

ii

Mục lục ……………………………………………………………………….

iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ……………………………………….

vi

Danh mục các bảng ……………………………………………………………

viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………………

ix

MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………..

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ

4

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

4

sóng biển trên thế giới ………………………………………………………...
1.1.1. Các thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ …………………………………..

5

1.1.2. Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển ……………………………

6

1.1.3. Nhận xét và đánh giá …………………………………………………...

11

1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển tại Việt Nam ………………………………………………………
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 …………………….

13
17

1.3.1. Vị trí địa lý và tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam …………….

17

1.3.2. Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án ……...

22

Kết luận chương 1 ………………………………………………………..........

25

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 …………..

27
27


iv

2.1.1. Phân tích xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

27

2.1.2. Thiết lập phương trình chuyển động ……………………………………

29

2.2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp phi tuyến …………………..

31

2.2.1. Phương pháp trung bình hóa ……………………………………………

32

2.2.2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp cộng hưởng ………………

34

2.3. Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………….

41

2.3.1. Tính toán tối ưu hóa mô hình thiết bị theo điều kiện sóng biển Việt
Nam ……………………………………………………………………………

41

2.3.2. Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao ………………………...

49

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 ……………..
2.4.1. Xây dựng chương trình mô phỏng số ………………………..................
2.4.2. Tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng
lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……………………………………..
2.4.3. Khảo sát tính phi tuyến và chuyển động của mô hình theo biên độ sóng
biển …..………………………………………………………………………..

52
52
54
61

Kết luận chương 2 ………………………………………………………..........

63

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

65

3.1. Cấu trúc tổng thể của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………..

65

3.2. Tính toán thiết kế các bộ phận cơ học ……………………………………

67

3.2.1. Phân tích cấu trúc cơ hệ trong thiết bị ………………………………….

67

3.2.2. Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận trong thiết bị ……………………

68

3.2.3. Tính toán thiết kế vỏ thiết bị ……………………………………………

71

3.3. Tính toán thiết kế phần điện ……………………………………………...

74

3.3.1. Tính toán thiết kế tối ưu bộ chuyển đổi DC-AC ………………………..

75

3.3.2. Mạch bảo vệ …………………………………………………………….

82

3.4. Chế tạo thiết bị ……………………………………………………………

83

3.4.1. Chế tạo các cơ cấu bộ phận của thiết bị ………………………………...

83


v

3.4.2. Lắp ghép hiệu chỉnh thiết bị ……………………………………………

85

3.4.3. Kiểm tra sự hoạt động của thiết bị tại phòng thí nghiệm .........................

86

Kết luận chương 3 ……………………………………………………………..

87

CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT THIẾT BỊ
HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN …………………………………………

88

4.1. Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển …………………………...

88

4.1.1. Lắp ghép thiết bị và chuẩn bị thử nghiệm ……………………………...

88

4.1.2. Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển …………………………

89

4.2. Phân tích chất lượng điện áp của thiết bị phát ra …………………………

95

4.3. Phân tích hiệu suất của thiết bị hoạt động thực tế tại biển ………………..

97

Kết luận chương 4 ……………………………………………………………..

99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................

100

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ………………………………..

102

TÀI LIỆU THAM KHẢO .……………………………………………………

103

PHỤ LỤC …………………………………………………………………….

109

Phụ lục A: Các số liệu về sóng biển …………………………………………..

109

Phụ lục B: Các bản vẽ thiết kế ………………………………………………...

115

Phụ lục C: Thông số mô hình của mô tơ phát điện ……………………………

129


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A

Biên độ sóng biển (m)



Tần số góc sóng biển ( rad/s)



Mật độ khối lượng nước biển ( kg/m3)

T

Chu kỳ sóng biển (s)

L

Bước sóng (m)

z0

Độ sâu nước biển (m)

z

Chuyển động của phao theo phương thẳng đứng (m)

zs

Chuyển động của sóng biển (m)

γ

Hệ số cản (Ns/m)

γf

Hệ số cản nhớt (Ns/m)

γem

Hệ số cản điện (Ns/m)

t, τ

Thời gian (s)

Pgm

Công suất cơ hệ của thiết bị (W)

kL

hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo (N/m)

kN

hệ số phi tuyến của lò xo ( N/m3)

m

Khối lượng của mô hình thiết bị (kg)

Sb

Diện tích mặt đáy phao ( m2)

g

Gia tốc trọng trường ( m/s2)

Scanh, Snap, Sday, Sđai

Diện tích các mặt cạnh, nắp, đáy và vành đai ( m2)

D

Mật độ khối lượng ( kg/m3)

W

Chiều rộng (m)

Rp

Bán kính (m)

Tr, Tk

Chiều cao (m)

l, Lr, Lp

Chiều dài (m)

Փ

Đường kính (m)

h1, h2, h3

Chiều cao (m)

Pe

Công suất điện của thiết bị phát ra khi thử nghiệm (W)

UDC

Điện áp một chiều (VDC)

UAC

Điện áp xoay chiều (VAC)


vii

IDC

Cường độ dòng điện một chiều (A)

IAC

Cường độ dòng điện xoay chiều (A)

f

Tần số (Hz)

R

Điện trở ( Ω)

C, Cf

Điện dung tụ điện (F)

Lf

Độ tự cảm (H)

J

Mật độ dòng điện ( A/m2)

B

Cảm ứng từ (T)

s

Thiết diện dây ( m2)

d

Đường kính dây (m)

η

Hiệu suất chuyển đổi của thiết bị

ηm

Hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng từ
phao nhận được đến mô tơ phát điện

ηe

Hiệu suất phần điện của thiết bị

ηdc-ac

Hiệu suất bộ chuyển đổi DC-AC

ηg

Hiệu suất của mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định

điện áp 12 VDC

DC-AC

Chuyển đổi từ điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều

DC-DC

Chuyển đổi điện áp một chiều

VDC

Điện áp một chiều

VAC

Điện áp xoay chiều

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

PIC

Programmable Intelligent Computer

IC

Integrated circuit

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Công suất cơ hệ Pgm theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển

50

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

69

Bảng 4.1. Các kết quả thử nghiệm nhận được về công suất điện của thiết bị

93

phát ra tại biển ……………………………………………………………….
Bảng 4.2. Giá trị công suất điện phát ra trung bình theo tải thử ……………..

94


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric, Brazil ……………………...

5

Hình 1.2. Mô hình thiết bị phát điện Oyster …………………………………..

6

Hình 1.3. Thiết bị phát điện dạng rắn biển ……………………………………

7

Hình 1.4. Thiết bị phát điện dạng phao nổi …………………………………...

7

Hình 1.5. Cấu trúc mô hình thiết bị sử dụng bộ tăng tốc chuyển động quay …

8

Hình 1.6. Cấu trúc mô hình thiết bị thả nổi trên mặt biển …………………….

8

Hình 1.7. Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển ………………………

9

Hình 1.8. Mô hình thiết bị phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo

10

phương thẳng đứng ………………………………………………………...….

Hình 1.9. Sơ đồ đo kiểm tra thiết bị hoạt động tại biển của L. Ulvgard ………

11

Hình 1.10. Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí ………..

13

Hình 1.11. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện cố định trên mặt biển ………………

14

Hình 1.12. Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội ……...

14

Hình 1.13. Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng

15

lượng .…… ……………………………………………………………………
Hình 1.14. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện trực tiếp gắn cố định ở đáy biển …...

16

Hình 1.15. Sơ đồ các điểm khảo sát và tính thông lượng năng lượng sóng …..

19

Hình 1.16. Độ cao sóng trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông …...

21

Hình 1.17. Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng ………….

21

Hình 1.18. Thông lượng năng lượng sóng trung bình trong năm ven biển Việt

22

Nam ……..………………………………………………………………….....
Hình 1.19. Mô hình thiết bị phát điện từ sóng biển ...........................................

24

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

29

Hình 2.2. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A=0,5 m

39

Hình 2.3. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A=0,8 m

39


x

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

46

Hình 2.5. Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC ……….

47

Hình 2.6. Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát

48

điện theo tốc độ chuyển động quay …………………………………………...
Hình 2.7. Các đường đặc trưng công suất cơ hệ theo tần số góc ……………...

49

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

51

Hình 2.9. Sơ đồ khối của chương trình ………..................................................

53

Hình 2.10. Đồ thị công suất cơ hệ theo tần số góc ……………..……………..

54

Hình 2.11. Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian với sóng bậc

55

nhất …………………………………………………………………………...
Hình 2.12. Đồ thị đặc trưng công suất theo tần số với sóng bậc nhất ………...

56

Hình 2.13. Quỹ đạo pha của phao với sóng bậc nhất …………………………

56

Hình 2.14. Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian với sóng bậc

58

hai Stockes ……………………………………………………………………
Hình 2.15. Đồ thị đặc trưng công suất theo tần số với sóng bậc hai Stockes …

58

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

59

Hình 2.17. Chuyển động của sóng biển theo hàm sóng bậc nhất và bậc hai ….

60

Hình 2.18. Đồ thị đặc trưng công suất theo biên độ sóng biển ……………….

60

Hình 2.19. Đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ sóng

61

tại các chu kỳ sóng biển ……………………………………………………….
Hình 2.20. Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ nhận được theo biên độ sóng

62

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

63

Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………..……

66

Hình 3.2. Cấu trúc tổng thể phần cơ hệ của thiết bị ……..……………………

67

Hình 3.3. Cấu trúc lõi thiết bị phát điện ………………………………………

68

Hình 3.4. Tốc độ chuyển động quay của mô tơ theo biên độ sóng biển ………

69

Hình 3.5. Tổng thể vỏ phần thiết bị phát điện ………………………………...

71


xi

Hình 3.6. Cấu trúc phao thiết bị .........................................................................

73

Hình 3.7. Sơ đồ khối phần điện trong thiết bị …………………………………

74

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

75

Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động IC TL494C …………………..

76

Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động sine tần số 50 Hz …………..

77

Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại DC-DC ………………………..

80

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điện áp 220 VAC ………………

81

Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ ……………………………………..

83

Hình 3.14. Chế tạo vỏ thiết bị và phao tại xưởng ……………………………..

84

Hình 3.15: Chế tạo trục piston, thanh răng và các khớp nối …………………..

84

Hình 3.16. Board mạch chuyển đổi DC-AC và bảo vệ ………...……………..

85

Hình 3.17. Lõi thiết bị phát điện ........................................................................

85

Hình 3.18. Lắp ghép toàn bộ thiết bị .................................................................

86

Hình 3.19. Đo kiểm tra điện áp thiết bị phát ra tại phòng thí nghiệm bằng

87

thiết bị đo Picoscope USB Oscilloscope 2204A ghép nối máy tính của Anh
sản xuất ………………………………………………………………………..
Hình 4.1. Vận chuyển thiết bị trên tàu HQ 1788 và tác nghiệp thử nghiệm ….

88

Hình 4.2. Thiết bị đo DASIM ghép nối máy tính để đo và phân tích dữ liệu về

89

sóng biển khi thử nghiệm thiết bị tại biển trên tàu HQ 1788 ………………….
Hình 4.3. Dạng sóng đo thực nghiệm tại biển từ sensor Futek ………………..

90

Hình 4.4. Đo dữ liệu, phân tích điện áp và kiểm tra công suất điện phát ra

92

bằng thiết bị đo Picoscope USB Oscilloscope 2204A ghép nối máy tính …….
Hình 4.5. Đồ thị đặc trưng điện áp và cường độ dòng điện theo tải thử ………

94

Hình 4.6. Đồ thị dạng sóng điện áp do thiết bị chế tạo phát ra ………………..

95

Hình 4.7. Dạng sóng điện áp 220 VAC tần số 50 Hz của các thiết bị sẵn có

96

trên thị trường ………………………………………………………………..
Hình 4.8. Cấu trúc sơ đồ khối hiệu suất hoạt động của thiết bị ………………

97


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. Việc tìm kiếm
nguồn năng lượng thay thế đang là nhu cầu thiết yếu. Đối với Việt Nam, định
hướng chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn 2050
đã ghi rõ: “Phấn đấu tăng tỷ lệ nguồn năng lượng mới và tái tạo chiếm khoảng 5%
tổng năng lượng vào năm 2020 và khoảng 11% vào năm 2050”. Về kinh tế, đến
năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50% GDP. Do đó nhu cầu cần thiết về nguồn
năng lượng 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, trong
khi điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới. Do vậy, việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị

phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển là lựa chọn tốt, góp phần trong việc giải
quyết bài toán thiếu hụt về nguồn năng lượng điện sử dụng ngoài biển.
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 1 triệu km2 mặt biển cho thấy
nguồn năng lượng từ biển là rất lớn. Nhằm khai thác nguồn năng lượng to lớn từ
sóng 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. Với mục tiêu đưa ra một
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.
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 mẫu 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


2

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.
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 theo mức công suất
phát điện nhỏ nhất thiết bị cần đạt được.
- Trong tính toán mô phỏng số sử dụng phương pháp Runge-Kutta 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, phân tích đánh giá sự phi tuyến của mô hình, quỹ đạo chuyển động và
biên độ dao động của mô hình theo các điều kiện sóng biển.
- Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, 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, thiết bị
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”. Trong chương
này trình bày nghiên cứu tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển trên thế giới và Việt Nam, phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết
bị. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại
Việt Nam, phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án, nhằm
xây dựng được một mô hình thiết bị hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện
thực tế biển Việt Nam.

Chương 2: “Xây dựng mô hình cơ học và tối ưu hóa thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển”. Trong chương này thực hiện xây dựng mô hình thiết bị phát
điện từ năng lượng sóng biển, thiết lập phương trình chuyển động. Khảo sát dao
động phi tuyến của hệ, xác định vùng hoạt động ổn định và mất ổn định của mô
hình. Xác định tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện theo các thông số mô hình, mức
công suất cơ hệ thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển. Viết chương trình tính
toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị, tính toán mô phỏng số và khảo sát sự
hoạt động của thiết bị.
Chương 3: “Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị”. Trong chương này thực
hiện các tính toán thiết kế về toàn bộ thiết bị, bao gồm các tính toán thiết kế phần cơ
và các tính toán thiết kế phần điện. Thiết bị chế tạo đảm bảo nhỏ gọn và thuận lợi
trong sử dụng. Nguồn điện của thiết bị phát ra được ổn định tại 2 mức điện áp 12
VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt
Nam. Chế tạo, lắp ghép và hiệu chỉnh toàn bộ thiết bị.
Chương 4: “Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất thiết bị hoạt động thực tế tại
biển”. Trong chương này thực hiện thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển,
đo thử tải công suất điện của thiết bị phát ra và các thông số sóng biển thực tế khi
thử nghiệm. Phân tích chất lượng điện áp của thiết bị phát ra và đánh giá hiệu suất
hoạt động của thiết bị.
Phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết quả đã đạt được, những đóng
góp mới của luận án và một số nhiệm vụ cần tiếp tục thực hiện trong tương lai.
Danh sách các công trình đã công bố có liên quan đến nội dung luận án được
trình bày trong phần danh mục công trình của tác giả.
Các tài liệu trích dẫn trong luận án được trình bày trong phần tài liệu tham
khảo.


4

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
Chương 1 nghiên cứu tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng
lượng sóng biển trên thế giới và Việt Nam; Phân tích ưu nhược điểm của các mô
hình thiết bị đang được nghiên cứu chế tạo ở trong nước và trên thế giới; Thu thập,
phân tích các số liệu thực tế về điều kiện biển Việt Nam và nhu cầu sử dụng thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển trong thực tế, làm cơ sở để xác định phạm vi và
định hướng nghiên cứu của luận án. Mục tiêu xây dựng được một mô hình thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển
Việt Nam, khả năng gia công chế tạo trong nước, cũng như đáp ứng nhu cầu cần
thiết của xã hội.
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, chế tạo theo nhiều phương pháp và cách thức hoạt động khác nhau, với các
thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ, hay 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. Ví dụ ở Tây Ban Nha, họ định hướng phát triển mạnh nguồn
năng lượng tái tạo và đề ra đến năm 2020 đảm bảo 42,3% năng lượng điện tiêu thụ
được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó phát triển điện năng từ
nguồn năng lượng sóng biển là mũi nhọn. Tại Anh, các chuyên gia ước tính trong
tương lai việc phát triển điện sóng biển sẽ đáp ứng được 25% nhu cầu năng lượng
điện sử dụng. Tại Mỹ đã có các tính toán về kế hoạch phát triển nguồn năng lượng

5

điện sóng biển dọc theo các bờ biển với ước tính có thể sản xuất khoảng 2100
TWh/năm [1-19].
1.1.1. Các thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ
Các mô hình thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ được xây dựng ở những vùng
biển nước sâu gần bờ, địa hình hiểm trở và độ cao sóng biển lớn. Các mô hình được
xây dựng với phần thiết bị phát điện được lắp đặt cố định ở trên bờ và bộ phận thu
năng lượng sóng ở dưới biển. Tiêu biểu là các mô hình thiết bị phát điện sau:
- Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric được lắp đặt trên bờ và sử dụng các
cánh tay thủy lực kết nối với phao thả nổi trên mặt biển. Dưới tác dụng của sóng
biển, phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng, hệ thống thủy lực hoạt
động đẩy dầu nạp vào bình được tích áp. Dầu từ bình tích áp được điều chỉnh cấp ra
với dòng năng lượng dầu có áp suất cao và lưu lượng ổn định được truyền dẫn đẩy
quay các mô tơ phát điện lắp đặt trên bờ và phát ra điện năng. Công suất phát điện
của thiết bị đạt khoảng 50 kW [1].

Hình 1.1. Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric, Brazil [1]
- Ngoài ra, một mô hình thiết bị phát điện khác được chế tạo với kiểu dáng
hình con hàu (Oyster), thiết bị được thiết kế gồm một hệ thống các thùng chứa nước
và phao hứng sóng với bơm thuỷ lực. Khi sóng biển tác dụng đổ vào các thùng
chứa, đồng thời tạo lực kích hoạt bơm thuỷ lực thực hiện đẩy nước từ thùng chứa
qua một hệ thống đường ống dẫn nước áp suất cao theo một chiều lên bờ đẩy quay
mô tơ phát điện. Hệ thống có ưu điểm là phần phát điện đặt trên bờ dễ vận hành,


6

thuận lợi trong bảo dưỡng và sửa chữa, nhược điểm là tổn hao năng lượng cao do
dẫn nước theo đường ống chạy dài từ dưới biển lên bờ [1-5].

Hình 1.2. Mô hình thiết bị phát điện Oyster [4]
1.1.2. Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển
Hiện nay các mô hình thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển đang được
nghiên cứu chế tạo theo nhiều phương pháp, cách thức khác nhau và được phân
thành hai loại chính: thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển và thiết bị phát điện gắn
cố định ở đáy biển.
* Thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển: loại mô hình thiết bị này đang
được nghiên cứu chế tạo ở nhiều nước trên thế giới, tiêu biểu như: thiết bị phát điện
dạng rắn biển (Pelamis), thiết bị phát điện dạng phao nổi (Buoy). Chúng được chế
tạo để sử dụng trong các hoạt động ngoài khơi xa và ở vùng nước sâu, với công suất
phát điện từ vài chục đến vài trăm kW [1,4-8]:
- Thiết bị phát điện dạng rắn biển: được thiết kế chế tạo gồm bốn boong phao
thả nổi trên mặt biển, thiết bị có dạng ống hình trụ nửa chìm nửa nổi trên mặt biển
và được kết nối với nhau bằng các khớp thủy lực. Thiết bị có chiều dài khoảng
140÷150 m, đường kính ống 3÷3,5 m, sử dụng ba mô tơ phát điện với tổng công
suất phát điện vào khoảng 750 MW. Dưới tác dụng của sóng biển, hệ thống phao
chuyển động uốn theo sóng và truyền chuyển động kích bơm thủy lực hoạt động để
đẩy quay các mô tơ phát điện được lắp đặt bên trong các boong phao. Hiện nay,
dạng mô hình thiết bị này đã, đang được chế tạo và khai thác sử dụng tại các nước:
Anh, Bồ Đào Nha, Na Uy v.v. [1,3-5].


7

Hình 1.3. Thiết bị phát điện dạng rắn biển [4]
- Thiết bị phát điện dạng phao nổi: được thiết kế chế tạo dạng trụ đứng và
hoạt động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng. Thiết bị gồm hai phần, phần
tĩnh đứng yên lơ lửng trong môi trường biển chứa các cuộn dây của máy phát, phần
chuyển động chứa các nam châm máy phát được gắn cố định trong thân phao và thả

nổi trên mặt biển. Khi sóng biển tác dụng, các nam châm máy phát chuyển động lên
xuống theo phương thẳng đứng với cảm ứng từ biến thiên trên các cuộn dây. Trên
các cuộn dây ở phần tĩnh sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng và phát ra điện năng.
Công suất phát điện định mức của thiết bị được chế tạo vào khoảng 10÷40 kW [1,38].

Hình 1.4. Thiết bị phát điện dạng phao nổi [1]
- Ngoài ra một mô hình thiết bị phát điện khác được thiết kế như hình 1.5, hệ
thiết bị được lắp đặt ở trên mặt biển sử dụng mô tơ phát điện loại chuyển động quay
tròn (loại mô tơ phát phát điện công nghiệp truyền thống). Cấu trúc của thiết bị gồm
phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của sóng biển,
thông qua dây cáp kéo hệ trục thiết bị chuyển động quay tròn được sử dụng bởi cơ
cấu ròng rọc [2], hay cơ cấu chuyển động sử dụng bánh cóc tạo chuyển động quay
một chiều (ratchet) kết nối đồng trục với một ròng rọc chính được gắn trên hệ trục
thiết bị và hai ròng rọc phụ nhận lực từ phao truyền đến [8,9]. Bộ phận tăng tốc


8

chuyển động (với tỷ lệ chuyển đổi 1:20 [2]) chuyển đổi các chuyển động quay chậm
nhận được từ phao do sóng biển tác dụng sang chuyển động quay nhanh tại đầu
ghép nối với mô tơ phát điện, kéo mô tơ phát điện hoạt động và phát ra điện năng
[2,8-11].

Hình 1.5. Cấu trúc mô hình thiết bị sử dụng bộ tăng tốc chuyển động quay [2]
Một mô hình nghiên cứu của Carlos Velez và các cộng sự tại Đại học Florida
- Mỹ [12], đã tính toán thiết kế và tối ưu các cơ cấu cơ hệ để chuyển đổi từ chuyển
động tịnh tiến lên xuống sang chuyển động quay tròn. Mô hình được thiết kế với
việc sử dụng mô tơ phát điện được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu chuyển động
quay tròn. Toàn bộ hệ thiết bị được đặt trong phao đóng kín và thả nổi trên mặt
biển, dây cáp kéo thiết bị chuyển động được gắn cố định xuống đáy biển (xem hình

1.6). Dưới tác dụng của sóng biển, phao thiết bị chuyển động lên xuống theo
phương thẳng đứng được truyền dẫn kéo mô tơ phát điện hoạt động và phát ra điện
năng. Thiết bị được thiết kế chế tạo với công suất phát điện khoảng 5 kW.

Hình 1.6. Cấu trúc mô hình thiết bị thả nổi trên mặt biển [12]


9

* Thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển: các mô hình thiết bị phát điện
này chủ yếu gồm hai loại thiết bị phát điện phao nổi và thiết bị phát điện phao chìm.
Các mô hình thiết bị này hoạt động phù hợp ở các vùng nước nông, gần bờ với công
suất phát điện mức vừa và nhỏ. Thiết bị được chế tạo hoạt động theo phương thẳng
đứng, phần phát điện gắn cố định ở đáy biển, phần phao nhận năng lượng sóng biển
được thả nổi trên mặt biển hay chìm lơ lửng trong nước biển. Dưới tác động của
sóng biển, phao truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến mô tơ phát điện qua
dây cáp và một hệ thống cơ cấu phù hợp. Công suất phát điện của thiết bị thường từ
vài trăm oát cho đến cỡ 10 kW, các mô tơ phát điện được nghiên cứu chế tạo dạng
chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng [4,8,13-21]. Trong đó,
tiêu biểu là các công trình nghiên cứu tại Đại học Uppsala – Thụy Điển như: tính
toán mô phỏng số sự tương tác giữa phần thiết bị phát điện gắn ở đáy biển và phao
thiết bị thả nổi trên mặt biển, với công suất phát điện định mức 10 kW của Mikael
Eriksson [13]. Trong nghiên cứu của Cecilia Bostrom tính toán thiết kế hệ thiết bị
chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang điện năng, tác giả thực hiện tính toán mô
hình thiết bị sử dụng mô tơ phát điện ba pha chuyển động tịnh tiến lên xuống theo
phương thẳng đứng, xây dựng các mạch lọc để ổn định điện áp đầu ra với công suất
phát điện lên đến 20 kW, đồng thời đưa ra phương pháp tích hợp các thiết bị phát
điện riêng lẻ thành một hệ thống phát điện ổn định để truyền tải điện năng đến nơi
tiêu thụ [14].

a. Thiết bị phát điện dạng phao chìm [4]

b. Thiết bị phát điện dạng phao nổi [13]

Hình 1.7. Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển


10

Trong các nghiên cứu của Marco Tranpanese [18]; nghiên cứu của V.
Franzitta, A. Messineo và M. Tranpanese [19]. Các tác giả đã đưa ra mô hình thiết
bị sử dụng loại mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng
đứng, với sóng biển tác dụng lên mô hình được xét là sóng tuyến tính. Trong nghiên
cứu đã thực hiện các tính toán về sự tương tác giữa cảm ứng từ và cường độ dòng
điện trong mô tơ phát điện, xác định mức công suất điện phát ra theo các thông số
thiết kế của mô tơ và đưa ra giải pháp tích hợp các thiết bị phát điện riêng lẻ thành
một hệ thống thiết bị phát điện ổn định.

Hình 1.8. Mô hình thiết bị phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương
thẳng đứng [19]
Nghiên cứu của Yue Hong thực hiện xây dựng mô hình, tính toán thiết kế
thiết bị phát điện loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng. Tác
giả tính toán mô phỏng số mức công suất cơ hệ của thiết bị hấp thụ được từ năng
lượng sóng biển theo hệ số cản của mô tơ phát điện ở các số liệu sóng biển thực tế
(cụ thể sử dụng các số liệu về biên độ và chu kỳ sóng biển tại 12 vùng biển của
Thụy Điển). Từ hệ số cản tối ưu của mô tơ phát điện nhận được, tác giả thực hiện
thiết kế chế tạo mô tơ và thiết bị phát điện để sử dụng tại từng vùng biển cụ thể,


11

nhằm thu được mức công suất điện phát ra đạt lớn nhất [22]. Công trình nghiên cứu
của Liselotte Ulvgard [23], nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị đo kiểm tra đánh
giá trong thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động thực tế
tại biển, áp dụng cho mô hình thiết bị phát điện sử dụng loại mô tơ phát điện chuyển
động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng. Tác giả đưa ra phương pháp thực
hiện, thiết kế chế tạo hệ thống đo với các thông số đo kiểm tra về công suất trên cơ
sở đo điện áp và cường độ dòng điện của thiết bị phát ra, đo biến dạng vỏ thiết bị và
độ lớn lực thiết bị nhận được tại đầu trục piston từ phao truyền đến.

Hình 1.9. Sơ đồ đo kiểm tra thiết bị hoạt động tại biển của L. Ulvgard [23]
1.1.3. Nhận xét và đánh giá
Từ các nghiên cứu và phân tích ở trên cho thấy, các mô hình thiết bị phát
điện được nghiên cứu và chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau như thiết bị phát
điện đặt trên bờ, thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển hay thiết bị phát điện thả
nổi trên mặt biển. Mỗi mô hình thiết bị chế tạo đều có các ưu nhược điểm khác
nhau, tùy theo khả năng chế tạo của từng đơn vị và mục đích sử dụng thiết bị trong
thực tế.
- Các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển lắp đặt trên bờ được
xây dựng với các mô tơ phát điện công nghiệp truyền thống. Ưu điểm: toàn bộ phần
phát điện của thiết bị được lắp đặt trên bờ sẽ thuận lợi trong bảo dưỡng, sửa chữa và
truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ. Nhược điểm: các mô hình phát điện này được
xây dựng cố định không có khả năng di động trong sử dụng, hiệu suất chuyển đổi


12

năng lượng thấp do phần phát điện được lắp đặt trên bờ cách xa bộ phận thu nhận
năng lượng hoạt động ở dưới biển.
- Các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động ngoài biển thường

ở dạng đóng kín (phát điện trực tiếp), được nghiên cứu phát triển theo nhiều cách
thức khác nhau, với công suất phát điện từ nhỏ đến vài trăm kW. Thiết bị phù hợp
trong các nhu cầu sử dụng điện tại địa phương trong ngắn hạn hay ổn định lâu dài,
cơ động trong khai thác sử dụng, thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.
+ Thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển được chế tạo chủ yếu hoạt động
tại các vùng nước nông gần bờ với công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ, nhằm đáp
ứng nhu cầu sử dụng điện lâu dài tại địa phương. Phần phát điện của thiết bị được
tính toán thiết kế gắn cố định ở đáy biển khi hoạt động. Phao thiết bị được thả nổi
trên mặt biển, truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến mô tơ phát điện thông
qua dây cáp. Ưu điểm của thiết bị là phần phát điện gắn cố định ở đáy biển sẽ không
gây ảnh hưởng đến tàu thuyền đi lại trên mặt biển, đặc biệt trong những ngày biển
bão thiết bị phát điện vẫn có khả năng hoạt động và tránh được tác động của bão
biển. Nhược điểm là phần phát điện gắn cố định ở đáy biển nên rất khó khăn trong
việc sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ. Thiết bị sử dụng loại mô tơ phát điện hoạt
động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng hiện chưa được chế tạo thông
dụng trong công nghiệp, cũng như chưa được thương mại sẵn trên thị trường.
+ Thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển dạng thả nổi trên mặt biển được
chế tạo để đáp ứng nhu cầu về năng lượng điện trong các hoạt động ngoài khơi xa, ở
các vùng nước sâu với công suất phát điện ở mức vừa và lớn. Thiết bị được chế tạo
sử dụng với mô tơ phát điện loại công nghiệp hiệu suất cao và sẵn có trên thị
trường. Ưu điểm: các thiết bị phát điện hoạt động nổi trên mặt biển dễ lắp đặt và cơ
động trong khai thác sử dụng, thiết bị rất hữu ích trong các nhiệm vụ cấp điện có
tính chất ngắn hạn ở ngoài biển. Nhược điểm: do thiết bị hoạt động nổi trên mặt
biển, nên trong những ngày biển động hay bão biển việc khai thác thiết bị hoạt động
sẽ khó khăn. Ngoài ra thiết bị cũng gây ảnh hưởng đến các phương tiện di chuyển
trên mặt biển, cũng như khó khăn trong việc bảo dưỡng thiết bị do hoạt động ở
ngoài khơi xa.