Tóm tắt khóa luận tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Máy phát tịnh tiến dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay,quá trình công nghiệp hóa đang phát triển rất 
nhanh dẫn đến nguy cơ  thiếu hụt các nguồn nhiên liệu hóa 
thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt.Không những thế, việc sử 
dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong các nguyên nhân chính 
gây ra biến đổi khí hậu và nó có ảnh hưởng nghiêm trọng tới 
sức khỏe con người.Điều này đã và đang trở thành mối đe dọa  
hiện hữu đối với tất cả  các quốc gia trên thế  giới. Do vậy, 
việc nghiên cứu, sử  dụng các nguồn năng lượng mới, tái tạo 
như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay năng lượng  
sóng biển là điều tất yếu và phù hợp với nhu cầu phát triển  
bền vững của nhân loại. Nước ta là nước có bờ  biển rất dài,  
khoảng hơn 3.200 km, và nhiều hải đảo, quanh đảo là biển. 
Vì vậy năng lượng của sóng biển  ở ven bờ biển nước ta rất  
lớn.  Khai  thác  năng  lượng sóng có  thể  bổ  xung một  phần  
đáng kể vào nguồn năng lượng đang thiếu hụt của nước ta và 
phù hợp xu hướng sử dụng năng lượng sạch, tái tạo trên thế 
giới, đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc nghiên cứu phát triển máy phát điện tịnh tiến 5kW 
góp phần xây dựng,phát triển nguyên lý, cấu tạo cho các loại  
máy phát tịnh tiến sử  dụng cho nhiều mục đích khác nhau.  
Việc tính toán, thiết kế  thành công máy phát điện dùng cho 
thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng góp phần phát triển, khai  

1


thác, sử  dụng nguồn năng lượng sóng phục vụ  cho các nhu  
cầu hoạt động kinh tế xã hội trên biển và hải đảo.

Đối trượng và phương pháp nghiên cứu
Dựa trên nguyên lý của thiết bị  máy phát điện chuyển 
động   thẳng   như   của   Boström   và   M.Ericksson   [9,15],   công 
trình đã xây dựng một mô hình cơ cấu máy phát điện chuyển  
động thẳng phù hợp với điều kiện sóng Việt Nam, sau đó mô 
hình hóa thiết bị dưới dạng đơn giản và lập chương trình tính  
toán, mô phỏng số  cho hoạt động của thiết bị  để  tìm ra các  
thông số  cấu tạo tối  ưu. Phạm vi nghiên cứu của đồ  án mới  
chỉ  dừng lại  ở  việc xây dựng mô hình, mô phỏng tính toán 
khảo sát các đáp ứng đầu ra của máy phát điện tịnh tiến theo  
các thông số  cấu tạo khi biết trước chuyển động tương đối  
của cuộn dây và nam châm của máy phát mà chưa nghiên cứu 
cho toàn bộ hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng (bao gồm 
cả phao nổi).
Nội dung nghiên cứu
Chương 1.Tổng quan về  các loại thiết bị  chuyển đổi  
năng lượng sóng.
Chương 2. Mô hình máy phát tịnh tiến dùng cho thiết bị 
chuyển đổi năng lượng sóng.
Chương 3.Tính toán mô phỏng và xác định thông số cấu  
tạo máy phát điện tịnh tiến 5kW.
Chương 4. Thiết kế các chi tiết lõi máy phát điện.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN 
ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
1.1.Năng lượng sóng
Sóng biển là các sóng bề  mặt xuất hiện tại tầng trên 

cùng của biển hay đại dương. Chúng thường được tạo ra do  
tác dụng của gió, nhưng đôi khi cũng do các hoạt động địa  
chấn, và có thể  lan truyền hàng nghìn kilômét. Năng lượng 
sóng là năng lượng tái tạo tạo  được lưu trữ  trong chuyển  
động của sóng ở dạng động năng và thế năng.
1.2.Chuyển đổi năng lượng sóng
Để  chuyển đổi năng lượng sóng biển, ta phải chuyển 
đổi   thành   dạng   thế   năng,   động   năng   hiệu   dụng   rồi   mới  
chuyển thành các dạng năng lượng khác theo mong muốn.
1.3.Những loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng
Có các dạng thiết bị  chuyển đổi năng lượng sóng như 
gần bờ, ven bờ, hay ngoài khơi, mỗi loại có  ưu nhược điểm  
riêng. 
1.3.1.Các hệ thống thiết bị ven bờ
Các thiết bị  này thường là những công trình biển, xây 
cố định, tốn kém và dễ bị hư hại do tác động khắc nghiệt của  
môi trường biển. Các thiết bị  này chuyển đổi năng lượng từ 
các sóng đứt quãng, không liên tục.
1.3.2.Các hệ thống thiết bị gần bờ

3


Các hệ  thống thiết bị  gần bờ thường có một bộ  phận  
cố định với đáy biển và một bộ phận nhận dao động từ sóng,  
chuyển động tương đối giữa 2 bộ phận này sẽ  được chuyển 
đổi thành cơ năng sau đó thành điện năng. 
1.3.3.Các hệ thống thiết bị ngoài khơi
Các thiết bị  thuộc nhóm này thường có mục đích khai 
thác nguồn năng lượng lớn từ  các sóng lớn  ở  các vùng nước  

sâu.
1.4.Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dùng máy phát tịnh 
tiến
Hiện nay đã có nhiều thiết bị  để  đề  xuất để  thu năng 
lượng sóng biển, tuy nhiên chúng thường có bộ  phận cơ học 
trung gian. Thiết bị  năng lượng sóng tịnh tiến có nhiều  ưu 
điểm hơn các thiết bị khác.
1.4.1.Nguyên lý chung của thiết bị chuyển đổi năng lượng 
sóng dùng máy phát tịnh tiến
Năng lượng sóng biển qua 1 bộ phận trung gian rồi tạo 
ra điện, qua bộ phân chuyển đổi để tạo ra dòng điện ổn định  
để sử dụng.
1.4.2.Lựa chọn nguyên lý, cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng 
lượng sóng để nghiên cứu, phát triển.
Cuộn dây chuyển động tịnh tiến trong khung nam châm  
để tạo ra điện.

4


CHƯƠNG 2.MÔ HÌNH MÁY PHÁT TỊNH TIẾN DÙNG 
CHO THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
2.1.Nguyên lý của máy phát điện tịnh tiến
Máy phát điện tịnh tiến về cơ bản giống như một động  
cơ  tịnh tiến và được sử  dụng như  một máy phát điện. Điều  
này sẽ  giúp loại bỏ  những cơ  cấu trung gian phức tạp của  
chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay  
khi sử dụng máy phát điện quay.
2.2.Cấu tạo của máy phát tịnh tiến không dùng lõi thép
Máy phát điện tịnh tiến  ở  đây là máy phát nam châm 

vĩnh cửu không dùng lõi sắt trong các cuộn  ứng.Cấu tạo của 
máy phát tịnh tiến cũng 2 phần tạm gọi “stato” và “roto” được 
đặt trong một ống trụ dài.
2.3. Các phương trình cơ bản mô tả hoạt động của máy phát
Theo mô hình cơ  cấu của máy phát và nguyên lý hoạt 
động của của máy phát thì công suất của máy phát phụ thuộc 
vào các thông số hình học và vật lý. Hệ  các phương trình mô  
tả hoạt động của máy đã được thu nhận.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH 
THÔNG SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN TỊNH TIẾN 5KW
3.1. Tính phân bố từ trường trong không gian chuyển động 
của cuộn dây[1]
Theo kết quả  phân bố  từ  trường ta nhận thấy, khi cho  
thêm lót sắt non làm kín mạch từ thì từ trường sẽ phân bố dày 

5


hơn và đều hơn  ở  khoảng giữa 2 mặt nam châm so với khi 
chưa lót sắt non. Khi đó, mật độ  từ  thông sẽ  lớn hơn, tương  
ứng suất điện động sinh ra cũng sẽ lớn hơn.
3.2. Các thông số cấu tạo cơ bản của lõi máy phát
3.3. Mô phỏng tính toán công suất cho các mẫu máy phát thiết 
kế
Từ các phương trình của mô hình mô phỏng hoạt động 
của   máy   phát,   đã   thiết   lập   được   chương   trình   tính   trong 
Matlab để  tính toán mô phỏng và tính toán các thông số  cấu 
tạo cần thiết.
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT LÕI MÁY PHÁT 
ĐIỆN

4.1 Nam châm
Nam châm có tác dụng tạo ra từ  trường cho máy phát 
điện,   ở   đây   dùng   nam   châm   vĩnh   cửu.   Nam   châm   có   kích 
thước như bản vẽ tại phụ lục.
4.2 Lõi sắt
Lõi sắt có tác dụng   dẫn từ  trường cho nam châm, có 
kích thước như tại bản vẽ của phụ lục.
4.3 Thanh trong chứa nam châm
Dùng để chưa lõi sắt và nam châm rồi tạo thành khung 
nam châm trong.
4.4 Thanh ngoài chứa nam châm

6


Dùng để chứa nam châm và lõi sắt rồi tạo thành khung 
nam châm ngoài
4.5 Đế
Gồm   hai   đế   trên   và   dưới   để   cố   định   khung   dây   và  
khung nam châm, định hướng cho khung dây chuyển động.
4.6 Vành ngăn cách cuộn dây
Dùng để ngăn cách các cuộn dây trên khung dây.
4.7 Khung cuốn dây
Có tác dụng làm khung để  cuốn dây là phần  ứng, và 
định hướng chuyển động trong lõi máy phát.
4.8 Trục định hướng chuyển động
Có tác dụng định hướng chuyển động của khung dây 
trong lõi máy phát.
4.9 Ổ bi trượt
Định   hướng   cho   trục   định   hướng,   làm   chuyển   động 

trơn tru.
KẾT LUẬN
Phát triển mô hình và tính toán mô phỏng máy phát điện 
5kW dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng là một quá 
trình tương đối phức tạp với nhiều giai đoạn, đòi hỏi tư  duy 
khoa  học,   ngoài   ra  nó  còn  đòi   hỏi   sự   kết   hợp  của   nghiều 
ngành khác nhau, nhiều môn khoa học khác nhau. Mặc dù còn 
thiếu một số kiến thức nâng cao và kinh nghiệm thực tế, kiến 

7


thức lý thuyết, nhưng với sự  giúp đỡ  của thầy giáo hướng 
dẫn thì trong đồ  án này, em đã đạt được những kết quả  như 
sau:
Những kết quả đạt được
Tìm hiểu và nắm được tổng quan nguyên lý cơ  bản 
chuyển đổi năng lượng sóng, nguyên lý hoạt động của máy 
phát điện nói chung, đặc biệt là máy phát điện theo mô hình 
chuyển động tịnh tiến dùng nam châm vĩnh cửu.
Xây   dựng   được   mô   hình   cơ   cấu   máy   phát   điện 
chuyển động thẳng.
Sử dụng ở mức cơ bản các công cụ thiết kế, lắp ráp, 
mô phỏng của phần mềm thiết kế Siemens NX.
Học tập thêm được 1 số kỹ năng tính toán bằng phần 
mềm Matlab.
Những mặt hạn chế
Chưa tối  ưu được kích thước, vật liệu và hiệu năng 
của lõi máy phát điện.
Tính thẩm mỹ còn chưa cao.

Tính bền vững và ổn định cơ học chưa được tính đến 
do còn hạn chế về thời gian và kiến thức.
Hướng phát triển

8


Tìm hiểu các nguyên liệu để làm khung cuốn dây nhẹ 
hơn, để  giảm bớt  đi năng lượng nâng khung cuốn dây lên 
xuống thẳng đứng.
Thiết kế thêm vỏ máy và phần phao nổi trên mặt biển 
để  có một máy phát điện hoàn thiện. Từ  đó có thể  tính đến  
bước sản xuất điện thương mại, đặc biệt nước ta có bờ biển  
dài, cùng với nhiều hải đảo chưa có lưới điện quốc gia, thì 
máy phát điện dựa vào năng lượng sóng này là vỗ  cùng hữu 
ích.

9