Thiết kế, chế tạo hệ thống sóng biển cho phép điều khiển tần số và biên độ sóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LƯ THỊ YẾN VŨ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO SÓNG BIỂN
CHO PHÉP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ BIÊN ĐỘ
SÓNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 60 52 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm . 2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. TRƯƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH ĐẠI NGUYÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày .
. . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LƯ THỊ YẾN VŨ ........................................... MSHV: 1570314
Ngày, tháng, năm sinh: 19/05/1976 ........................................... Nơi sinh: Bến Tre
Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ khí.................................................. Mã số : 60 52 01 03
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO SÓNG BIỂN CHO
PHÉP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ BIÊN ĐỘ SÓNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan về thiết bị tạo sóng biển.
- Thiết kế chế tạo hệ thống tạo sóng biển có khả năng điều khiển thơng số sóng.
- Thử nghiệm hoạt động và đánh giá độ tin cậy của thiết bị.
- Định hướng phát triển cho thiết bị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 1/3/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/6/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TRƯƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH ĐẠI NGUYÊN

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn Thầy TS.Trƣơng Quốc Thanh, TS. Bành Quốc Nguyên đã
giúp đỡ, hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này. Trong
thời gian thực hiện luận văn, Thầy đã cố vấn cho tôi những những lời khuyên thiết
thực giúp tôi tháo gỡ những khó khăn trong q trình nghiên cứu để kịp thời hồn

thành luận văn này đúng thời hạn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô trong PTN Cơ lƣu chất,
Trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM, các thầy cô trong bộ môn Chế tạo máy đã
luôn giúp đỡ và tạo điều kiện cho tơi thực hiện các thí nghiệm.
Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia
giảng dạy chƣơng trình Thạc sĩ trong thời gian tôi theo học ở trƣờng. Thầy/Cô đã
trang bị cho tơi những kiến thức để tơi có thể hồn thành luận văn của mình.
Đặc biệt, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến NCS. Hà Phƣơng, đã giúp đỡ tơi
trong suốt q trình làm thí nghiệm tại PTN Cơ lƣu chất.
Cuối cùng, tôi biết ơn sâu sắc đến anh Lê Công Sự, đã hỗ trợ việc nhà, chăm
sóc con nhỏ trong suốt thời gian tơi đi học, cảm ơn hai con trai Lê Lƣ Quốc Thắng
và Lê Lƣ Quang Thắng đã chăm ngoan, là động lực để tơi phấn đấu hồn thành luận
văn của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn.

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Năng lƣợng sóng là một trong những nguồn năng lƣợng thân thiện với môi
trƣờng và gần nhƣ vô tận. Mặc dù năng lƣợng sóng có nhiều lợi ích to lớn nhƣng
việc chế tạo thiết bị để khai thác nguồn năng lƣợng này cịn khó khăn. Từ nhu cầu
này, cần có những mơ hình thí nghiệm nhằm giảm thiểu chi phí thí nghiệm thực tế.

Một mơ hình tạo sóng đƣợc chế tạo trong nghiên cứu này với các thông số có
thể điều chỉnh và độ tin cậy cao. Thiết bị tạo sóng đƣợc thiết kế, chế tạo và lắp đặt
trong PTN Cơ lƣu chất của Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM. Hệ thống tạo
sóng đƣợc trang bị một hình nêm tam giác nằm ở một đầu của kênh và bộ hấp thụ
sóng thụ động đƣợc đặt ở đầu kia để hấp thụ sóng đƣợc tạo ra từ bộ tạo sóng. Nêm
đƣợc điều khiển bởi một máy tính để bàn, nó có thể di chuyển lên xuống với tốc độ
và biên độ dao động quy định tƣơng ứng với chiều cao và tần số sóng mong muốn.
Ở máng giữa đƣợc trang bị cảm biến khoảng cách micro laser cung cấp khả năng
ghi dữ liệu. Hệ thống sóng có thể tạo ra các sóng lớn nhất cao khoảng 0,2 mét, có
thời gian khoảng 1 giây và có bƣớc sóng khoảng 1,5 mét.
Các sóng đƣợc tạo ra đƣợc đo, phân tích để kiểm tra độ tin cậy của thiết bị
trƣớc khi đƣa vào vận hành thực tế nhằm thu đƣợc năng lƣợng sóng tối ƣu. Năng
lƣợng này sẽ đƣợc dùng để nghiên cứu cho việc chế tạo các thiết bị hấp thu năng
lƣợng sóng để tạo thành năng lƣợng điên.
Từ khóa: Sóng, thiết bị tạo sóng, nêm tạo sóng, hệ thống tạo sóng, máng
sóng, năng lƣợng sóng.
ABSTRACT
The biggest advantages of wave energy is that it is not only environment
friendly but also it will never run out. Although having many potential advantages
from wave energy but it is difficult in using and gathering. This problems has led to
need experimental models which decreasing reality experimental costs.
This study used to a wave flume with dynamic parameters and high
reliabilities. Experimental models are designed, fabricated and assembly at

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

University of Technology HCMC. Wave flume is equipped with a triangle wedge
located at one end of a channel and the passive wave absorber is located at the
other end for absorbing waves generated from the wave maker. The wedge is
controlled by a desktop computer, it can move up and down at a prescribed speed
and oscillation amplitude corresponding to the desired wave height and frequency.
At the middle flume is equipped micro laser distance sensor which provides datalogging capability. Wave flume can generate the largest waves are about 0.2 meter
high, have a period about 1 second, and have a wavelength about 1.5 meters.
The waves generated by a oscillating wedge have been measured, analyzed to
consider the generated wave energy. This energy will be used to research about the
fabrication of wave energy to create electric powers.
Keywords: wave, wave flume, triangle wedge, wave flume, wedge, wave
energy.

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung luận văn này do chính bản thân tơi thực
hiện cùng với nhóm nghiên cứu dƣới sự hƣớng dẫn của TS.Trƣơng Quốc Thanh và

TS.Bành Đại Nguyên. Nội dung luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác. Trừ những phần tham khảo đã ghi rõ trong
nội dung luận văn.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Ngƣời thực hiện

LƢ THỊ YẾN VŨ

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................ 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................. 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................................. 10
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .................................................................... 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT BỊ TẠO SĨNG BIỂN ......... 12
1.1. Tổng quan về thiết bị tạo sóng biển ............................................................................... 13
1.2. Tổng quan các hệ tạo sóng trong phịng thí nghiệm ................................................. 18
1.2.1. Các dạng cơ cấu tạo sóng biển một chiều trong máng sóng........................... 18
1.2.2. Các dạng cơ cấu tạo sóng đƣợc sử dụng phổ biến ............................................ 24

1.3. Các dạng hệ thống tạo sóng ba chiều trong bể tạo sóng .......................................... 25
1.3.1. Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Frontal (The frontal wave maker) ........... 25
1.3.2. Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Corner (The Corner wave maker) ........... 25
1.3.3. Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Curved /circular (The Curved / circular
wave maker) ................................................................................................................................. 26
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO SÓNG BIỂN ..................... 28
2.1. Lý thuyết về sóng ............................................................................................................... 28
2.2. Lựa chọn phƣơng án thiết kế hệ tạo sóng. ................................................................... 30
2.2.1. Lựa chọn phƣơng án thiết kế cơ cấu tạo sóng .................................................... 30
2.2.2. Lựa chọn phƣơng án thiết kế kênh tạo sóng ....................................................... 33
2.3. Thiết kế, chế tạo hệ thống tạo sóng. .............................................................................. 34
2.3.1. Kênh tạo sóng ............................................................................................................. 34
2.3.2. Nêm và cơ cấu tạo sóng ........................................................................................... 36
2.3.3. Cơ cấu thay đổi điều khiển tạo sóng ..................................................................... 37
2.3.4. Hệ thống đo thơng số sóng ........................................................................................... 38
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH THƠNG SỐ SĨNG CỦA HỆ
THỐNG TẠO SĨNG BIỂN .................................................................................................... 40
3.1. Thí nghiệm 1 ......................................................................................................40
3.2 Thí nghiệm 2 .......................................................................................................49

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

CHƢƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA HỆ THỐNG TẠO
SĨNG ............................................................................................................................................. 61
4.1. Mơ phỏng kênh tạo sóng bằng Ansys CFX .......................................................61
4.1.1. Dùng Ansys CFX mơ phỏng kênh tạo sóng ................................................61
4.1.2. Kết quả mơ phỏng ........................................................................................63
4.2. Sóng đo đƣợc trên thiết bị ..................................................................................64
4.3. Đánh giá giữa sóng thực và sóng mơ phỏng ......................................................65
4.3.1. Đánh giá chiều cao sóng ..............................................................................65
4.3.2. Đánh giá bƣớc sóng .....................................................................................66
4.3.3. Đánh giá chu kỳ sóng ..................................................................................66
4.4. Kết luận ..............................................................................................................66
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................. 68
5.1. Kết luận ................................................................................................................................. 68
5.2. Hƣớng phát triển của đề tài .............................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 69
PHỤ LỤC ………………………………………………………………………….73

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Chuyển đổi năng lượng đại dương thành năng lượng sạch……….

13

Hình 1.12. Sơ đồ điều khiển hệ thống sóng……………………………………….

15

Hình 1.3. Phao thu sóng của thiết bị Wavestar…………………………………..

16

Hình 1.5. Ngun lý tạo sóng biển dạng flexible………………………………...

19

Hình 1.6. Ngun lý tạo sóng biển dạng dạng tấm cứng với một khớp nối…

20

Hình 1.7. Ngun lý tạo sóng biển dạng piston…………………………………

21

Hình 1.8. Nguyên lý tạo sóng biển dạng tấm tạo sóng cứng với khớp nối đơi

21

Hình 1.9. Ngun lý tạo sóng biển dạng dao động pitton thẳng đứng……….

22

Hình 1.10. Nguyên lý tạo sóng biển dạng trục lệch tâm……………………….

22

Hình 1.10. Ngun lý tạo sóng biển dạng Paddle wheel……………………….

23

Hình 1.11. Ngun lý tạo sóng biển dạng khí nén………………………………

23

Hình 1.12. Sơ đồ điều khiển hệ thống sóng……………………………………….

24

Hình 1.12. Hệ thống tạo sóng dạng Frontal……………………………………...

25

Hình 1.12. Hệ thống tạo sóng dạng Corner…………………………………………

26

Hình 1.12. Hệ thống tạo sóng ba chiều dạng Curved /circular……………….

27

Hình 2.1. Các thơng số hình học của sóng biển………………………………….

29

Hình 2.2. Cơ cấu tạo sóng dạng piston chuyển động dọc- nêm tam giác ……

30

Hình 2.3. Cơ cấu tạo sóng có nêm tạo sóng hình thang………………………...

31

Hình 2.4. Cơ cấu tạo sóng có nêm tạo sóng hình cầu…………………………..

31

Hình 2.5. Biên dạng nêm tạo sóng…………………………………………………

32

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 7


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Hình 2.6. Kênh dẫn nước của PTN ……………………………………………….

33

Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống tạo sóng……………………………………...

34

Hình 2.8. Kênh tạo sóng…………………………………………………………….

35

Hình 2.9. Bộ phận hấp thụ sóng……………………………………………………

36

Hình 2.10. Bản vẽ nêm tạo sóng …………………………………………………..

36

Hình 2.11. Nêm tạo sóng của thiết bị……………………………………………...

36

Hình 2.12. Cơ cấu thay đổi điều khiển tạo sóng…………………………………

37

Hình 2.13. Đặc tính của sensor đo thơng số sóng………………………………

38

Hình 2.14. Hệ thống đo mật độ sóng……………………………………………..

38

Hình 2.15. Một số hình ảnh sóng thực tế khi thiết bị vận hành………………..

39

Hình 4.1. Đồ thị chiều cao sóng (e=80mm, =50vịng/phút)………………….

40

Hình 3.2. Đồ thị chiều cao sóng (ω=50vịng/phút)……………………………...

47

Hình 3.4. Ảnh hưởng của độ lệch tâm e đến mật độ năng lượng sóng P……..

48

Hình 3.5. Ảnh hưởng của  đến mật độ năng lượng sóng khi e=80mm……...

49

Hình 3.6. Ảnh hưởng của  đến mật độ năng lượng sóng……………………...

55

Hình 3.7. Ảnh hưởng của  đến chiều cao H…………………………………….

57

Hình 3.8. Ảnh hưởng của  đến mật độ năng lượng sóng P…………………...

57

Hình 3.9. Đồ thị biểu hiện ảnh hưởng của e và ω đến P………………………..

58

Hình 4.1. Xây dựng mơ hình 3D cho kênh tạo sóng để mơ phỏng…………….

60

Hình 4.2. Điều kiện biên cho mơ phỏng kênh tạo sóng…………………………

61

Hình 4.3. Biên dạng sóng mơ phỏng bởi phần mềm Ansys CFX………………

62

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 8


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH

TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Các thơng số của sóng biển………………………………………………

27

Bảng 3.1. Mức thay đổi cánh tay địn ở thí nghiệm 1……………………………..

39

Bảng 3.2. Kết quả đo khi e=80mm, = 50 vòng/ phút……………………………

39

Bảng 3.3. Tổng hợp kết quả đo khi = 50 vòng/ phút……………………………

40

Bảng 3.4. Thang đo theo độ lệch tâm e……………………………………………..

48

Bảng 3.5. Thang đo theo …………………………………………………………..

48

Bảng 3.6. Tổng hợp kết quả đo và tính tốn ở thang đo e=80mm………………

49

Bảng 3.7. Tổng hợp kết quả đo ở thang đo e=85mm……………………………..

50

Bảng 3.8. Tổng hợp kết quả đo ở thang đo e=90mm…………………………….

51

Bảng 3.9. Tổng hợp kết quả đo ở thang đo e=95mm…………………………….

52

Bảng 3.10. Bộ số liệu thơng số sóng của hệ thống tạo sóng…………………….

55

Bảng 4.1. Tọa độ các điểm sóng……………………………………………………..

62

Bảng 4.2. Bảng đánh giá chiều cao sóng…………………………………………..

63

Bảng 4.3. Bảng đánh giá bước sóng………………………………………………..

64

Bảng 4.4. Bảng đánh giá chu kỳ sóng……………………………………………...

64

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
H: chiều cao sóng
λ: Bƣớc sóng
T: chu kì sóng
f: tần số sóng
c: tốc độ lan truyền sóng
a: Biên độ sóng
d: Độ sâu nƣớc
E: Năng lƣợng sóng
P: Cơng suất sóng
Ek: Động năng sóng
Ep: Thế năng sóng
ρ: Khối lƣợng riêng của nƣớc
g: Gia tốc trọng trƣờng
PTN: Phịng thí nghiệm
P: Mật độ năng lƣợng sóng

ω: số vịng quay của động cơ trong một phút
e: Độ lệch tâm của cánh tay đòn
RPM: số vòng quay của động cơ servo trong một phút

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 11


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT BỊ TẠO SĨNG BIỂN
Chúng ta đều biết rằng, hiện nay dầu mỏ là nguồn cung cấp năng lƣợng chủ
yếu. Tuy nhiên, sự phát triển thần tốc của nền kinh tế, của khoa học cơng nghệ, đi
kèm với sự khai thác khơng kiểm sốt của con ngƣời đã khiến cho dầu mỏ dần cạn
kiệt. Với việc sử dụng nguồn năng lƣợng hóa thạch sẽ thải khí CO2 gây ơ nhiễm
mơi trƣờng và hiệu ứng nhà kính nên việc sử dụng năng lƣợng khác có thể tái tạo
đƣợc và không gây ô nhiễm môi trƣờng để thay thế nhiên liệu hóa thạch là vấn đề
rất cần thiết.
Giờ đây, cả thế giới đang phải đối mặt với việc một ngày nào đó, khi nguồn
năng lƣợng khơng cịn thì các sản phẩm cơng nghệ cao cũng trở nên vơ dụng. Vì
vậy, hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lƣợng vĩnh cửu
để thay thế phần nào nguồn dầu mỏ.
Đã có rất nhiều phát minh và ý tƣởng đƣợc áp dụng, điển hình thành cơng nhất
là việc tạo ra năng lƣợng từ gió và mặt trời. Tuy nhiên, khơng phải gió lúc nào cũng
thổi và mặt trời lúc nào cũng chiếu sáng, cho nên cần phải có biện pháp tích trữ
năng lƣợng lấy từ hai nguồn này, và việc này tốn chi phí khá lớn – theo nghiên cứu

của các nhà khoa học.
Năng lƣợng đại dƣơng đã và đang đƣợc nghiên cứu, khai thác nhƣ một nguồn
năng lƣợng tái tạo. Ý tƣởng khai thác năng lƣợng đại dƣơng không phải là một ý
tƣởng mới mà ý tƣởng này đã có từ năm 1970[1] nhằm thu năng lƣợng sóng biển để
phục vụ các nhu cầu của con ngƣời. Biển chiếm 71% diện tích trái đất, và sóng thì
ln có đêm ngày. Đây là một nguồn năng lƣợng vô hạn vô cùng tiềm năng. Cho
nên, hiện tại có nhiều nƣớc trên thế giới sử dụng nguồn năng lƣợng này nhƣ một
nguồn năng lƣợng sạch và có thể tái tạo [2] [3].
Hình 1.1 diễn tả q trình biến đổi năng lƣợng đại dƣơng thành năng lƣợng
sạch phục vụ cho con ngƣời. Nguồn năng lƣợng này đƣợc xem nhƣ nguồn năng
lƣợng sạch xanh nhất hiện nay.

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 12


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Hình 1.1. Chuyển đổi năng lượng đại dương thành năng lượng sạch
1.1. Tổng quan về thiết bị tạo sóng biển
Tạo ra năng lƣợng từ đại dƣơng – đây không phải là ý tƣởng mới, nhƣng để
thực hiện đƣợc nó là cả một q trình đầy khó khăn về cả cách thức và chi phí. Máy
phát điện khơng thể đặt ở khắp mọi nơi, chúng cần phải tránh đƣờng đi của những
con tàu và tránh bị làm hƣ hại bởi các sinh vật biển.
Một điều trở ngại nữa là các đại dƣơng vô cùng dữ dội. Chúng không khoan
nhƣợng với bất kỳ vật thể nào. Nƣớc và sóng liên tục đập đánh, muối biển cũng góp

phần bào mịn kim loại, và các chuyển động mạnh mẽ và dữ dội của biển có thể
khiến cho bất kỳ thiết bị nào đặt ở dƣới đáy biển cũng cần đƣợc bảo trì hay sửa
chữa thƣờng xuyên. Điều này gây ra nhiều khó khăn cho việc lấy năng lƣợng từ
sóng biển.
Hiện nay, hệ thống này mới đang trong quá trình thử nghiệm chứ chƣa đƣợc
đƣa vào sử dụng. Các nhà khoa học sẽ mất một thời gian để năng lƣợng sóng có thể
đƣợc đƣa vào sử dụng trên tồn thế giới, tuy nhiên chúng sẽ có thể đƣợc sử dụng
một cách hữu ích đối với một số thị trƣờng nhỏ trƣớc, ví dụ nhƣ một hịn đảo khan
hiếm tài nguyên.

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 13


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Theo ƣớc tính mỗi năm lƣợng điện tiêu thụ trên tồn thế giới khoảng 10.000 tỉ
kW. Theo nhiều chuyên gia, năng lƣợng điện đƣợc coi là nguồn năng lƣợng quan
trọng nhất của ngành cơng nghiệp, các tồ nhà thƣơng mại, của các tổ chức và hộ
gia đình. Nguồn điện khổng lồ này đƣợc cung cấp bởi các nhà máy nhiệt điện, thủy
điện, hạt nhân, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió… Trong các nguồn cung cấp
điện năng, năng lƣợng mặt trời và gió có thể xem là năng lƣợng sạch, cịn tất cả các
nguồn cung cấp điện cịn lại đều có nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng, phá hủy hệ
sinh thái tự nhiên và ảnh hƣởng không tốt đến đời sống và sức khỏe con ngƣời.
Mặc dù vậy, với sự phát triển của nền văn minh nhân loại hiện nay, không
thể nào không sử dụng năng lƣợng điện. Nhiên liệu cung cấp cho nhà máy nhiệt

điện ngày càng ít, nhà máy thủy điện gây ô nhiễm và phá vợ sự cân bằng sinh thái,
nhà máy hạt nhân nguy cơ ngày càng cao.. năng lƣợng gió và pin mặt trời khơng đủ
khả năng làm nguồn năng lƣợng thay thế. Các vấn đề đó thúc đẩy các nhà khoa học
tìm kiếm nguồn năng lƣợng mới, sạch hơn, an toàn hơn và dồi dào hơn.
Ba phần tƣ diên tích bề mặt trái đất là biển, điều đó có nghĩa là khả năng khai
thác nguồn nguyên liệu từ biển là cực kì lớn. Các nghiên cứu để biến sóng biển
thành điện năng bắt đầu có kết quả cụ thể. Một cơng ty tại Đan Mạch đã cho ra đời
thiết bị Wavestar sử dụng sóng biển để tạo ra năng lƣợng điện công suất 1MW.
Trong khi đó, một trạm điện gió cỡ lớn có cơng suất vào khoảng 3MW. Mỗi trạm
điện sóng biển có 20 phao nổi, chúng di chuyển khi sóng biển tác động. Mỗi phao
có đƣờng kính lên đến 10m. Chuyển động lên xuống của phao đƣợc sử dụng để
chạy máy phát điện. Trong tƣơng lai, một trạm Wavestar sẽ có cơng suất lên đến
6MW, đủ để cung cấp cho 4.000 hộ gia đình[4]. Hình 1.2 cho ta thấy tồn cảnh thiết
bị này đang hoạt động ngoài biển.

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 14


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Hình 1 2. Thiết bị Wavestar thu năng lượng từ sóng biển
Việc tận dụng năng lƣợng sóng biển khơng phải là ý tƣởng mới. Từ thời Trung
cổ, ngƣời ta đã biết dùng sóng biển để chạy máy xay xát. Ƣu điểm của năng lƣợng
sóng biển là nó có chu kỳ và dự đốn đƣợc. Vì nƣớc đặc hơn khơng khí 800 lần nên
tác động của sóng biển lên máy phát cũng lớn hơn nhiều lần gió. Để có thể chịu

đƣợc tác động của sóng biển, Wavestar đƣợc thiết kế đặc biệt để hoạt động trong
nhiều điều kiện thời tiết. Khi bão lớn đến, các phao nổi có thể đƣợc kéo lên để tránh
hƣ hỏng.
Niels và Keld Hansen là tác giả của nghiên cứu trên. Năm 2004 họ đã thử
nghiệm tại Trƣờng đại học Aalborg, Đan Mạch. Năm 2009, thiết bị Wavestar có
cơng suất 600kW đã đƣợc lắp đặt tại Hanstholm. Dự kiến sản phẩm thƣơng mại
đầu tiên sẽ đƣợc bán ra thị trƣờng vào năm 2017. Tuy nhiên, với chi phí nghiên cức
chế tạo thiết bị rất cao thì việc thƣơng mại hóa thiết bị này đến nay vẫn chƣa đƣợc
thực hiện [4].

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 15


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Hình 1.3. Phao thu sóng của thiết bị Wavestar
Có đến hơn 1.000 thiết kế các bộ chuyển đổi năng lƣợng từ sóng biển, Reza
Alam, một nhà nghiên cứu về năng lƣợng sóng tại Đại học Berkeley, California,
Hoa Kỳ cho biết. Ted Brekken, một nhà nghiên cứu các hệ thống năng lƣợng tại Đại
học bang Oregon bổ sung thêm: “Thực tế là chúng ta chƣa có một mơ hình cơng
nghệ nào chiếm ƣu thế. Có thể là sẽ khơng có mơ hình nào nhƣ vậy.”
Theo ƣớc tính, chỉ cần khai thác 0,1% năng lƣợng sóng biển trên tồn cầu sẽ
đủ cung cấp cho cả nhân loại. Do đó nhiều nhà khoa học, nhiều quốc gia bắt đầu
đầu tƣ nghiên cứu nguồn năng lƣợng này để thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch
sắp cạn kiệt. Nghiên cứu mới nhất cho thấy năng lƣợng sóng ở Mỹ có thể sản xuất

đến 1,170 nghìn tỉ Wh một năm, tƣơng đƣơng gần một phần ba tổng điện năng sử
dụng của nƣớc này. Nhận thấy tiềm năng to lớn này, Bộ Năng lƣợng Mỹ (DOE)
đang đầu tƣ rất lớn vào năng lƣợng sóng. DOE đã trao giải 2,25 triệu đô la cho
ngƣời chiến thắng trong cuộc thử nghiệm thiết kế bộ chuyển đổi năng lƣợng sóng
và 40 triệu đô la cho Đại học Oregon State để xây dựng một cơ sở mới để kiểm
nghiệm năng lƣợng sóng.
Tuy vậy, Brekken đƣa ra đánh giá thận trọng hơn về tiềm năng của năng lƣợng
sóng trong thực tế, dự đốn rằng nó sẽ đóng góp khoảng 6% tổng sản lƣợng điện

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 16


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

của nƣớc Mỹ. Sự thận trọng này xuất phát từ một số rào cản kỹ thuật cần phải đƣợc
khắc phục. Môi trƣờng biển khắc nghiệt với nƣớc, gió lớn, và sóng dữ sẽ thử thách
cả những thiết bị bền chắc nhất. Việc triển khai và thử nghiệm các bộ chuyển đổi
năng lƣợng sóng yêu cầu sử dụng tàu thuyền và thợ lặn cũng làm tăng chi phí triển
khai các thiết bị.
Tuy năng lƣợng đƣợc tạo ra từ sóng biển vơ cùng lớn nhƣng để khai thác hiệu
quả năng lƣợng từ sóng biển, cần phải nghiên cứu, thí nghiệm thực nghiệm lâu dài.
Chi phí cho việc nghiên cứu này là cực kì lớn, để giảm chi phí ngƣời ta có thể làm ở
phịng thí nghiệm trƣớc khi đƣa ra ngồi biển. Vì vậy, những thí nghiệm về năng
lƣợng sóng biển đƣợc thực hiện trong PTN thơng qua kênh tạo sóng rất quan trọng
cho việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng. Các phịng thí nghiệm về

thủy lực trên thế giới có rất nhiều hệ thống tạo sóng để thực hiện các nghiên cứu
khác nhau về sóng nƣớc cũng nhƣ khai thác năng lƣợng sóng.
Tại Hà Lan, một quốc gia có lãnh thổ hầu nhƣ dƣới mực nƣớc biển, tuy khả
năng phát triển năng lƣợng từ sóng biển là rất cao nhƣng phải thƣờng xuyên đối
diện với ngập, lụt hay cả sóng thần. Do đó các nhà khoa học Hà Lan đã cho ra đời
một thiết bị tạo sóng nƣớc nhân tạo lớn nhất thế giới, có thể gây ra những đợt "sóng
thần" cao tới 5 mét đổ vào một con kênh dài 300 mét và sâu 9,5 mét.[5]

Hình 1.4. Sóng nước được tạo bởi Delta Flume

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 17


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Thiết bị này có tên Delta Flume nói trên đƣợc thiết kế nhằm thí nghiệm để
nâng cao khả năng bảo đảm an toàn trƣớc lũ quét ở Hà Lan, nơi một nửa dân số
toàn quốc đang sống dƣới mực nƣớc biển. "Với hệ thống này, chúng tơi có thể thử
nghiệm những gì xảy ra nếu các đợt sóng khổng lồ tấn công các đê ngăn nƣớc của
chúng tôi. Nƣớc và hệ thống kiểm soát chúng của Hà Lan đã nổi tiếng khắp thế
giới", Bộ trƣởng Cơ sở hạ tầng Hà Lan Melanie Schultz van Haegen cho biết tại lễ
ra mắt Delta Flume ở thành phố Delft.
Các kỹ sƣ Hà Lan đã mất tới 3 năm để chế tạo hệ thống Delta Flume. Chƣa có
cỗ máy tạo sóng nhân tạo nào trên thế giới có thể làm khởi phát những cơn sóng cao
đến 5 mét nhƣ hệ thống này.

Về cơ chế hoạt động của cỗ máy "khủng", các kỹ sƣ Hà Lan cho biết, 4 piston
cực mạnh phía sau một tấm chắn kim loại cao 7 mét sẽ đẩy 9 triệu lít nƣớc sạch
xuống dƣới kênh dẫn nƣớc với tốc độ 1.000 lít/giây, Hình 1.4. Thách thức đối với
họ là tái tạo sức mạnh của các đại dƣơng.
1.2. Tổng quan các hệ tạo sóng trong phịng thí nghiệm
1.2.1. Các dạng cơ cấu tạo sóng biển một chiều trong máng sóng
Mơ hình vật lý cho thí nghiệm rất quan trọng trong kỹ thuật, nhờ đó mà chúng
ta có thể kiểm tra sự đáp ứng cũng nhƣ khả năng hoạt động của các thiết bị thí
nghiệm đặt trong PTN mà khơng cần phải đem ra mơi trƣờng thực bên ngồi, nên
có thể làm giảm chi phí cho các thí nghiệm, giảm các tác động khác ngồi ý muốn
của mơi trƣờng tự nhiên tác động lên thiết bị làm thí nghiệm,…Mơ hình vật lý trong
nghiên cứu này là hệ thống tạo sóng. Hệ thống tạo sóng rất cần thiết cho việc
nghiên cứu các vấn đề về kỹ thuật biển cũng nhƣ về khai thác năng lƣợng sóng
biển, hệ thống có thể tạo ra sóng với các thơng số có thể điều chỉnh đƣợc khác nhau
và có độ ổn định cao. Dƣới đây là một số dạng cơ cấu tạo sóng cơ bản đã đƣợc
nghiên cứu và chế tạo trên thế giới [6].
1. Dạng flexible (flexible flap)
Nguyên lý của dạng flexible đƣợc thể hiện ở Hình 1.5

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 18


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Ƣu điểm: Phù hợp với kênh ngắn, lực quán tính nhỏ nên có thể tạo ra các dao

động đều đặn, sóng tạo đƣợc khá đều dọc chiều dài của tấm.
Nhƣợc điểm: Hệ thống truyền động phức tạp, khơng chắc chắn, khó hiệu
chỉnh, khó bảo dƣỡng do hệ khớp nối nằm dƣới nƣớc.

Hình 1.5. Ngun lý tạo sóng biển dạng flexible
2. Dạng tấm cứng với một khớp nối (Flap-type Wave Generator with Single
Articulation)
Ở phƣơng pháp tạo sóng này, dùng lực tác động đến nêm, làm nêm chuyển
động theo phƣơng di chuyển của sóng, Hình 1.6. Mỗi sự chuyển động khác nhau sẽ
tạo nên sóng có biên dạng và tần số khách nhau.
Ưu điểm của dạng tạo sóng này là:
- Qn tính nhỏ và dễ dàng điều chỉnh, cơ cấu đơn giản.
- Ngoài ra hình dạng của tấm lắc có thể thay đổi cho phù hợp với từng thí
nghiệm cụ thể.
- Loại này phù hợp cho cả kênh tạo sóng có độ sâu nhỏ.
- Thay đổi tần số và và biên độ của piton-xilanh điều khiển đƣợc dễ dàng.
Nhược điểm của dạng tạo sóng này là:
- Kênh tạo sóng phải đủ dài để biên dạng sóng phát triển đầy đủ.

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 19


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

- Hệ thống dễ bị rỉ nƣớc ở viền của tấm tạo sóng với thành kênh làm cho các

thơng số sóng tạo ra khơng ổn định [7].

Hình 1.6. Ngun lý tạo sóng biển dạng dạng tấm cứng với một khớp nối
3. Dạng piston (Piston-type Wave Generator)
Nguyên lý làm việc của dạng cơ cấu này là chuyển động của nêm tạo sóng
theo phƣơng ngang, Hình 1.7.
Ưu điểm của hệ tạo sóng dạng piston:
- Cơ cấu đơn giản, dễ bảo trì, cơ cấu thƣờng đƣợc dùng nghiên cứu cho những
khu vực có khoảng cách từ mặt thoáng nƣớc đến đáy ngắn hơn chiều dài sóng.
- Loại này phù hợp cho kênh tạo sóng có độ sâu nhỏ.
- Thay đổi tần số và và biên độ của piton-xilanh điều khiển đƣợc dễ dàng

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 20


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Nhược điểm: Hệ thống dễ bị rỉ nƣớc ở viền của piston tạo sóng với thành kênh
làm cho các thơng số sóng tạo ra khơng ổn định.

Hình 1.7. Ngun lý tạo sóng biển dạng piston
4. Tấm tạo sóng cứng với khớp nối đôi (Rigid flap with double articulation)
Nguyên lý làm việc của cơ cấu tạo sóng này thể hiện ở Hình 1.8.
Ưu điểm của cơ cấu: Cơ cấu đơn giản, bảo dƣỡng dễ dàng vì các khớp nối
khơng ở dƣới nƣớc.

Nhược điểm của cơ cấu: Hệ thống dễ bị rỉ nƣớc ở viền của piston tạo sóng với
thành kênh làm cho các thơng số sóng tạo ra khơng ổn định.

Hình 1.8. Nguyên lý tạo sóng biển dạng tấm tạo sóng cứng với khớp nối đôi

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 21


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

5. Hệ tạo sóng dạng dao động pitton thẳng đứng (Plunger-type Wave
Generators)
Sóng đƣợc tạo từ nêm tạo sóng là dạng dung khá phổ biến, đƣợc dùng rộng rãi
vì tính ƣu việt của nó. Ngun lý làm việc thể thiện ở Hình 1.9, nêm có thể chuyển
động thẳng đúng hay chuyển động lắc.

Hình 1.9. Ngun lý tạo sóng biển dạng dao động pitton thẳng đứng
Ưu điểm của dạng này:
- Đây là cơ cấu đƣợc dùng khá phổ biến trong các kênh tạo sóng khá dài vì cơ
cấu này dễ dàng thay đổi vị trí dọc theo kênh tạo sóng.
- Năng lƣợng tiêu thụ ít hơn các cơ cấu trên.
Nhược điểm: Lực quán tính lớn, địi hỏi mơ men lớn khi vận hành.
6. Dạng trục lệch tâm
Dạng này đƣợc thể hiện ở Hình 1.10, sóng đƣợc tạo ra do sự lệch tâm của quả
cầu.

Hình 1.10. Ngun lý tạo sóng biển dạng trục lệch tâm

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 22


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS.TRƢƠNG QUỐC THANH
TS. BÀNH QUỐC NGUYÊN

Ưu điểm của dạng tạo sóng này: Cấu tạo đơn giản có thể tạo đƣợc sóng có độ
dốc nhỏ
Nhược điểm của dạng tạo sóng lệch tâm:
- Biên độ sóng thay đổi trong phạm vi khơng lớn.
- Biên độ sóng lớn nhất khi cơ cấu ngập hoàn toàn trong nƣớc.
- Kênh phải có độ sâu đủ lớn.
- Hệ có lực qn tính lớn, bảo dƣỡng khó khăn.
7. Dạng Paddle wheel

Hình 1.10. Ngun lý tạo sóng biển dạng Paddle wheel
Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ dàng bảo trì.
Nhược điểm: Lực qn tính nhỏ khi hệ đƣợc cân bằng tốt.
8. Dạng khí nén

Hình 1.11. Ngun lý tạo sóng biển dạng khí nén

HVTH: LƢ THỊ YẾN VŨ

Trang 23