Nghiên cứu mô hình cơ học và tính toán sự ổn định của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

Nội dung text: Nghiên cứu mô hình cơ học và tính toán sự ổn định của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN STUDY ON THE MECHANICAL MODEL AND CALCULATING STABILITY OF AN ELECTRICAL GENERATOR FROM SEA WAVE ENERGY Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 27/05/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: TS. Nguyễn Quốc Tuấn Tóm tắt: Báo cáo đưa ra các kết quả đạt được trong nghiên cứu thiết lập mô hình cơ học về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển sang năng lượng điện. Mô hình thiết bị hoạt động theo phương thẳng đứng của sóng biển, phao thả nổi trên mặt biển và truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến môtơ phát điện được gắn cố định ở đáy biển thông qua dây cáp. Các tính toán đưa ra một cấu trúc mô hình thiết bị được nghiên cứu và thiết lập, chỉ ra vùng hoạt động ổn định và mất ổn định của mô hình, phạm vi dao động và xác định mức công suất thiết bị nhận được theo các điều kiện sóng biển thực tế Việt Nam. Từ khóa: Năng lượng tái tạo, năng lượng sóng biển, máy phát điện, chuyển đổi năng lượng. Abstract: This paper presents some results achieved in study on the mechanical model of device for converting sea wave energy into electrical energy. The device model works in the vertical direction of sea waves. The buoy of device floats on the sea surface to receive the energy from sea waves, it is directly connected via a rope to the electrical generating motor fixed on the seabed. The calculations give the main structure of device model to be studied and established, indicating the stable and unstable operating area of the model, the range of oscillation and determining the mechanical power level of device received according to Vietnam’s actual sea wave conditions. Keywords: Renewable energy, sea wave energy, electrical generator, power conversion. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Điển, Úc, Ý, Các mô hình thiết bị được Trên thế giới, các mô hình thiết bị phát chế tạo theo nhiều phương pháp và cách điện từ năng lượng sóng biển đã đang thức hoạt động khác nhau, nhưng chủ yếu được nghiên cứu và phát triển ở các nước được chia thành hai loại chính là thiết bị Anh, Mỹ, Nhật Bản, Tây Ban Nha, Thụy hoạt động nổi trên mặt biển và thiết bị lắp 24 Số 25
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đặt cố định ở đáy biển, tiêu biểu như Nghiên cứu cơ khí đã thực hiện đề tài [1-9]: KC.05-17/06-10, nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát điện sử dụng năng lượng Thiết bị phát điện lắp đặt cố định ở đáy sóng biển. Thiết bị được chế tạo gồm năm biển được nghiên cứu, chế tạo với phần khoang phao, trong đó ba khoang để thu phát điện của thiết bị gắn cố định ở đáy nhận năng lượng sóng và hai khoang chứa biển kết nối với phao thả nổi trên mặt biển môtơ phát điện, các khoang được kết nối qua dây cáp được định hướng chuyển bằng các bộ khớp thủy lực. Với công suất động lên xuống theo phương thẳng đứng. phát điện được tính toán từ 5÷10 kW [10]. Công suất phát điện của thiết bị được chế tạo vào khoảng 10 kW [1-6]. Ngoài ra, giữa Trường Đại học Bách khoa Thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển Hà Nội và Viện Nghiên cứu cơ khí đã với công suất phát điện từ 10÷750 kW, thực hiện nghiên cứu tính toán động lực chủ yếu gồm các loại: Thiết bị phát điện học hệ thống phát điện bằng năng lượng dạng phao trụ nổi sử dụng môtơ phát điện sóng. Các tác giả tính toán thiết kế mô loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo hình thiết bị được đặt trên một trụ đứng phương thẳng đứng và phát điện trực tiếp và gắn cố định trên bề mặt sóng. Năng [5-7]; thiết bị phát điện dạng rắn biển lượng sóng biển từ phao nhận được thông (Pelamis) được chế tạo gồm bốn khoang qua hệ thống thủy lực truyền dẫn đẩy phao thả nổi trên mặt biển, các khoang quay môtơ phát điện và phát ra điện năng, phao được kết nối với nhau bởi các bộ công suất phát điện được tính toán ở mức khớp thủy lực. Dưới tác động của sóng dưới 0,5 kW [11]; Tại Viện Hàn lâm biển, hệ thống thủy lực hoạt động đẩy dầu Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nạp vào bình được tích áp. Dầu từ bình thực hiện nghiên cứu hai mô hình thiết bị tích áp được điều chỉnh cấp ra với dòng gồm: Thiết bị hoạt động nổi trên mặt biển năng lượng dầu có áp suất cao và lưu được chế tạo gồm hai khoang chứa trên lượng ổn định được truyền dẫn đẩy quay dưới, khoang ở trên nhận nước biển đổ các môtơ phát điện [5-7]; Ngoài ra, tại vào trong nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng Nhật Bản, các nhà khoa học đã đưa ra mô sóng đến đỉnh sóng và đồng thời khoang hình thiết bị phát điện lắp đặt cố định trên dưới xả nước đẩy quay môtơ phát điện mặt biển. Cấu trúc của thiết bị gồm phao [12]. Thiết bị gắn cố định ở đáy biển được chuyển động lên xuống theo phương xây dựng gồm hai phần chính, phần phát thẳng đứng và các cơ cấu truyền động để điện được gắn cố định ở đáy biển sử dụng kéo môtơ phát điện hoạt động và phát ra một môtơ phát điện ba pha loại nam châm điện năng [6,8,9]. vĩnh cửu và hoạt động theo phương thẳng Tại Việt Nam, đã có một số đơn vị thực đứng, phao của thiết bị được thả nổi trên hiện nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện mặt biển và truyền năng lượng sóng biển từ năng lượng sóng biển như: Viện nhận được xuống phần phát điện ở đáy Số 25 25
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) biển thông qua dây cáp [13,14]. ngoài khơi đạt từ 6÷9 m [15,16]. Do vậy, để xây dựng một mô hình thiết bị phù hợp Mặt khác, qua các số liệu quan trắc và và hiệu quả theo điều kiện thực tế biển thống kê, trung bình mỗi năm Việt Nam Việt Nam. Mô hình được nghiên cứu hoạt thường hứng chịu khoảng 10 cơn bão, đây động theo phương thẳng đứng, phần phát là mối gây nguy hại trực tiếp cho các thiết điện của thiết bị được gắn cố định ở đáy bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt biển kết nối với phao thả nổi trên mặt động ở biển. Các số liệu khảo sát cho thấy biển. độ cao sóng biển ở ven bờ trong khoảng 0,6÷1,4 m với chu kỳ sóng từ 2÷8 giây, ở Phân tích xây dựng mô hình thiết bị: ngoài khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ chu kỳ từ 6÷8 giây. Đặc biệt khi biển năng lượng sóng biển được xây dựng như động độ cao sóng ven bờ đạt từ 3,5÷5 m, hình 1. Phao Sóng biển Giá định hướng trục chuyển động theo phương thẳng đứng Piston Thanh răng Bánh răng Tăng tốc Tăng tốc chuyển động chuyển động Điện áp cấp ra Môtơ Môtơ phát 1 phát 2 Lò xo Tích hợp và ổn định điện áp Vỏ thiết bị Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển 26 Số 25
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong đó, các bộ phận chính của mô hình dưới tác dụng của sóng biển được đưa ra thiết bị được thiết lập gồm: phao dạng trụ ở hình 2. Trong đó, hình 2a là mô hình cơ tròn; dây cáp; các cơ cấu ghép nối thanh học của thiết bị được thiết lập sử dụng hai răng - piston; các bộ tăng tốc chuyển động môtơ phát và hình 2b là mô hình tương quay để chuyển đổi các chuyển động quay đương. chậm ban đầu nhận được từ sóng biển sang chuyển động quay nhanh tại môtơ zS(t) phát điện, bộ tăng tốc chuyển động một m đầu ghép nối với thanh răng và đầu còn z(t) lại ghép nối với môtơ phát điện; lò xo chuyển động một đầu được ghép nối với thanh răng, đầu còn lại gắn xuống chân đế thiết bị, chức năng của lò xo được thiết kế để kéo trục thanh răng - piston chuyển k1 γ1 k2 γ2 động đi xuống và môtơ phát điện hoạt động khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng. Trong mô hình tác giả đưa vào sử dụng hai môtơ phát điện, (a) Mô hình cơ học của thiết bị nhằm tối ưu về thiết kế lắp đặt và thuận sử dụng hai môtơ phát lợi trong việc lựa chọn loại môtơ phát zS(t) điện hiệu suất cao. m Trong nghiên cứu này, trước tiên tác giả thu thập và phân tích số liệu về sóng biển, z(t) tiếp theo thiết lập mô hình thiết bị, thực hiện các tính toán mô phỏng số nhằm xác định vùng hoạt động ổn định, phạm vi dao k γ động của hệ theo các thông số mô hình và mức công suất thiết bị nhận được theo các điều kiện thực tế sóng biển Việt Nam. 2. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH (b) Mô hình tương đương CHUYỂN ĐỘNG Hình 2. Mô hình cơ học thiết bị phát điện Từ sơ đồ nguyên lý của mô hình được xây từ năng lượng sóng biển dựng (hình 1), mô hình cơ học của thiết bị Trong đó, các hệ số cản và đàn hồi của lò phát điện từ năng lượng sóng biển được xo tương ứng: γ = γ1 + γ2; k = k1 + k2, ở quy về một vật khối lượng m chuyển đây γ1 là hệ số cản của môtơ phát 1, γ2 là động lên xuống theo phương thẳng đứng hệ số cản của môtơ phát 2, k1 là hệ số đàn Số 25 27
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hồi lò xo 1 và k2 là hệ số đàn hồi lò xo 2. cản điện γem của môtơ phát điện nên được Phương trình chuyển động của mô hình bỏ qua. Việc bỏ qua hệ số cản nhớt của được thiết lập quy về một vật là phao nước biển cũng tương đồng theo các được ghép nối gắn chặt với các trục thanh nghiên cứu ở các công trình [3,4]. Do vậy, răng – piston chuyển động lên xuống theo phương trình (1) được viết lại có dạng: phương thẳng đứng z, được viết như sau: d 2z dz m gS (z z) mg  2 b s em d 2z dz dt dt (2) m gS (z z) mg  2 b s dt 3 dt (1) k L(z z0) k N(z z0) . k (z z ) k (z z )3. L 0 N 0 3. TÍNH TOÁN SỰ HOẠT ĐỘNG ỔN Các thành phần trong phương trình (1) ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH THIẾT BỊ gồm: m là khối lượng phao và các thanh Để tính toán sự hoạt động ổn định của mô răng – piston, trong đó thành phần nước hình, ta khảo sát dao động của hệ trong kèm tác động lên mô hình được bỏ qua trường hợp cộng hưởng. Từ phương trình [3,4]; lực acsimet tác dụng lên phao chuyển động (2), ta thực hiện đổi biến ρgSb(zs - z) với ρ là khối lượng riêng nước z – z0 = x. Phương trình chuyển động (2) biển, g là gia tốc trọng trường, diện tích của hệ được viết lại dưới dạng: 2 của đáy phao là Sb=πr với r là bán kính, d 2x zs là khoảng cách từ đáy biển đến bề mặt m gS (z z x) mg 2 b s 0 sóng biển, z là chuyển động của phao và dt dx (3) thanh răng - piston (là khoảng cách từ đáy  k x k x3. em dt L N biển đến đáy phao); mg là trọng lượng của Xét hàm sóng có dạng: phao và các thanh răng - piston; lực cản z Acos(t) z . dz s 0  với γ là hệ số cản; lực đàn hồi của lò dt gS k k  Đặt:  2 b L ;  N ; c em ; xo kL(z - z0) với kL là hệ số đàn hồi của lò m m m xo, kN là hệ số phi tuyến của lò xo, z0 là gS A b khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao khi B . Thay vào biểu thức (3), ta m mặt biển tĩnh. được: Trong tính toán hệ số cản γ được xét gồm: d 2x dx 2x c x3 Bcos(t) g. 2 γ = γf + γem, với γf là hệ số cản nhớt của dt dt nước biển, γem là hệ số cản điện của môtơ (4) phát để chuyển đổi từ năng lượng cơ sang Trong trường hợp gần cộng hưởng năng lượng điện. Theo các tài liệu đã 2 2 ,thực hiện biến đổi ta được: công bố về độ cản nhớt của nước biển d 2x [17,18], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt 2x f (x, x,t), 2 (5) γf của nước biển sẽ là rất nhỏ so với hệ số dt 28 Số 25
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) với ký hiệu: Áp dụng phương pháp trung bình hóa của cơ học phi tuyến, hệ phương trình (8) dx 3 f (x, x,t) c x x Bcos(t) g. được viết dưới dạng: dt Thực hiện biến đổi phương trình vi phân da 1 1 2 (5) về dạng chuẩn Lagrange-Bogoliubov, F(a, , )sin d, dt  2 sử dụng phép biến đổi [19,20]: 0 d 1 1 2 x acos(t ) x . (6) a F(a, , )cos d. 0 dt  2 0 Thực hiện tính toán, ta có hệ phương trình (9) xác định a và a  như sau: Thực hiện tính toán ta được: f (acos(t ) x0 , 1 da 1 a asin(t ), sin(t ), ca B sin , dt 2  2 t)  x d 1 3 3 0 (7) a a a 3ax 2 B cos . 0 f (acos(t ) x0 , dt 2 4 1 a  asin(t ), cos(t ).  Cho a 0, 0 ta được các công thức t) 2 x 0 xác định nghiệm dừng: Để xác định nghiệm của hệ phương trình (7), ta thực hiện phép đổi biến: Bsin 0 ca0, 3 2 2  t . Thực hiện biến đổi, ta được: B cos 0  a0 3x a0. 4 0 casin  a cos (10) x  (a cos x )3 da 1 0 0 sin , Giải hệ phương trình (10), ta nhận được  B cos cos dt phương trình hàm biên độ - tần số như B sin  sin 2 x g 0 sau: casin  a cos 2 3 2 2 B 3 2  2 a 3x c22 . x  (a cos x ) 0 0 2 d 1 0 0 4 a0 a cos. dt  B cos cos (11) B sin  sin 2 x g 0 Hình 3 đưa ra các đồ thị biểu diễn sự phụ (8) 2 thuộc giữa biên độ a0 theo tần số Ω với Ta đặt: các thông số được lấy như sau: m = 25 kg; 2 F(a, , ) casin  acos x r = 0,35 m; g = 9,81 m/s ; x0 = 0,4 m; 0 3 3 kL = 1900 N/m và kN = 700 N/m , ở các (a cos x0) Bcos cos trường hợp hệ số cản γem khác nhau tại 2 Bsin sin  x0 g. sóng biển có biên độ 0,5 m. Số 25 29
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tần số với hệ số cản γem = 40 trên hình 3 2 và γem = 80 trên hình 4, cho thấy khi Ω tăng, biên độ dao động dừng a0 nhận các giá trị trên nhánh đi từ điểm (I) qua điểm (II) đến điểm (III). Tại điểm (III) xảy ra hiện tượng mất ổn định, biên độ dao động tụt xuống điểm (V), rồi nhận các giá trị trên nhánh đi từ điểm (V) sang điểm (VI). Khi Ω2 giảm, biên độ dao động dừng nhận các giá trị trên nhánh đi từ điểm (VI) qua điểm (V) đến điểm (IV). Tại điểm (IV) có Hình 3. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A = 0,5 m hiện tượng nhảy vọt biên độ dao động từ điểm (IV) lên điểm (II), rồi biên độ nhận Hình 4 đưa ra các đồ thị biểu diễn sự phụ các giá trị trên nhánh đi từ điểm (II) về 2 thuộc giữa biên độ a0 theo tần số Ω với phía điểm (I). Do vậy, nhìn chung vùng các thông số mô hình: m = 35 kg; r = 0,45 dao động ổn định là nhánh trong vùng tần m; g = 9,81 m/s2; x = 0,5 m; k = 2200 0 L số từ điểm (I) đến điểm (II) và vùng tần N/m và k = 2000 N/m3, các hệ số cản γ N em số từ điểm (V) đến điểm (VI). Trong vùng thay đổi tại sóng biển có biên độ 0,75 m. tần số đi từ điểm (II) đến điểm (III) và giảm từ điểm (V) về điểm (IV), dao động của hệ có nhảy mức với biên độ dao động không ổn định, đây là vùng nguy hiểm cần tránh khi tính toán chế tạo thiết bị hoạt động. Mặt khác, nếu có đủ số liệu về điều kiện sóng biển thực tế tại các vùng biển có biên độ sóng lớn, ta có thể khai thác mô hình hoạt động ở vùng tần số ổn định gần điểm (II) để biên độ dao động của hệ nhận được là lớn nhất và năng lượng hệ nhận được từ sóng biển là lớn Hình 4. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A = 0,75 m nhất. Do vậy, để thiết bị hoạt được ổn định và phù hợp với điều kiện thực tế của Từ biểu thức (11) và các đồ thị trên cho sóng biển, thiết bị nên được lựa chọn chế thấy, với từng hệ số cản γem, dạng đường tạo hoạt động trong vùng tần số ở miền cong biên độ theo tần số Ω2 của hệ là (I), các giá trị tần số trong miền (I) là đều khác nhau và phức tạp. Cụ thể, trong an toàn so với phạm vi dao động của sóng trường hợp đồ thị đường cong biên độ - biển thực tế Việt Nam. 30 Số 25
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 4. KHẢO SÁT SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA Các kết quả tính toán cho phép xác định THIẾT BỊ VÀ THẢO LUẬN biên độ dao động của phao, quỹ đạo pha Trong tính toán mức công suất cơ hệ P và đồ thị công suất cơ hệ P của thiết bị của mô hình thiết bị nhận được từ năng nhận được từ năng lượng sóng biển. Hình lượng sóng biển được xác định theo biểu 5 đưa ra đồ thị về chuyển động của phao thức [1,2]: và sóng biển theo thời gian. 1  P  z(t)2 dt, (12) em  0 với τ là khoảng thời gian được xét. Trong thực tế sự biến đổi của sóng biển là phức tạp, các số liệu về sóng biển thường được xác định từ quan trắc và khảo sát thực nghiệm. Giá trị độ cao sóng biển được sử dụng trong các tính toán là mức độ cao sóng trung bình, tần số của sóng biển được sử dụng là tần số sóng xuất Hình 5. Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian hiện với tần suất liên tục trong thời gian dài. Do vậy, hàm sóng biển tác dụng lên Từ kết quả đồ thị nhận được cho thấy mô hình được xét dưới dạng sóng tuyến chuyển động của phao luôn trễ pha so với tính chuyển động theo phương thẳng đứng chuyển động của sóng biển là 33,93o. Với z có dạng: biên độ của sóng biển là 0,75 m, biên độ dao động của hệ phao ghép nối thanh răng zs Asin(t) z0, (13) - piston là 0,418 m. Trong mô phỏng số các thông số mô hình được xác định với: A = 0,75 m; m = 30 Hình 6 đưa ra đồ thị quỹ đạo pha mô hình 2 chuyển động dưới tác dụng của sóng biển. kg; Sb = 0,5027 m ; γem = 3400 Ns/m; kL = 3 2200 N/m; kN = 2000 N/m ; z0 = 5,5 m và ω = 1,47 rad/s (là tần số sóng biển xuất hiện với tần suất lớn tại biển Hòn Dấu – Hải Phòng đã được khảo sát đo đạc thực tế [13]). Các thông số của mô hình đã được tác giả tính toán tối ưu với kết quả nhận được ở các công trình [13,14,21]. Các số liệu về biên độ và chu kỳ sóng được tính toán cho biển Hòn Dấu – Hải Phòng để tiến tới sau khi chế tạo sẽ đưa thiết bị vào sử dụng tại biển Hòn Dấu. Hình 6. Quỹ đạo pha Số 25 31
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Từ đồ thị nhận được cho thấy quỹ đạo đồ thị đường cong công suất nhận được chuyển động của mô hình thiết bị có dạng cho ta định lượng mức công suất điện đường elip khép kín. Do vậy, mô hình phát ra của thiết bị khi hoạt động thực tế thiết bị hoạt động ổn định dưới tác dụng tại biển. của sóng biển, phạm vi dao động xung Để khảo sát sự ảnh hưởng của thành phần quanh vị trí cân bằng ở mặt nước biển phi tuyến trong mô hình, tác giả tính toán 5,5 m (với hệ tọa độ được gắn ở đáy biển). mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận Hình 7 đưa ra đồ thị xác định mức công được theo biên độ sóng biển tại tần số suất cơ hệ của thiết bị nhận được từ năng sóng biển 1,47 rad/s (xem hình 8). Trong lượng sóng biển tại các chu kỳ sóng đó, hệ số phi tuyến kN được lấy với các T1 = 3,5 giây; T2 = 4,0 giây; T3 = 4,26 giây giá trị kN = 0 (xét hệ tuyến tính); kN = 700 3 3 3 và T4 = 4,5 giây theo biên độ sóng biển. N/m ; kN = 1400 N/m và kN = 2000 N/m . Các kết quả nhận được cho thấy ở biên độ sóng nhỏ, chẳng hạn ở biên độ sóng 0,3 m, giá trị công suất chênh lệch giữa hai trường hợp khi xét hệ tuyến tính và phi 3 tuyến với kN = 2000 N/m là rất nhỏ. Với sóng biển có biên độ 0,75 m, giá trị công suất chênh lệch trong hai trường hợp là 5,5%. Tương tự với sóng có biên độ 1,5 m giá trị chênh lệch là 19,4%. Hình 7. Đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ sóng tại các chu kỳ sóng biển Từ đồ thị ta thấy, mức công suất cơ hệ của thiết bị phụ thuộc đồng thời vào cả biên độ và chu kỳ của sóng biển. Ở sóng biển có chu kỳ nhỏ mức công suất nhận được là lớn hơn ở sóng biển có chu kỳ lớn. Do ở chu kỳ sóng nhỏ, sóng biến đổi nhanh nên tốc độ chuyển động của trục Hình 8. Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ nhận được theo biên độ sóng biển thanh răng – piston sẽ nhanh và kéo môtơ phát điện chuyển động nhanh, dẫn đến Từ kết quả nhận được cho thấy khi thiết mức điện áp và cường độ dòng điện phát bị hoạt động ở sóng biển có biên độ từ ra đạt lớn. Giá trị công suất tăng dần khi 0,75 m trở lên, sự khác biệt khi xét mô biên độ sóng biển càng lớn. Ngoài ra, từ hình có ảnh hưởng của sự phi tuyến lò xo 32 Số 25
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) và bỏ qua thành phần phi tuyến (ứng với định ở đáy biển sẽ không bị ảnh hưởng kN = 0) là rõ rệt. Do vậy, khi tính toán bởi sóng và bão biển tác động. Phao của thiết bị hoạt động ở vùng biển có biên độ thiết bị thả nổi trên mặt biển và truyền sóng lớn, sự phi tuyến của lò xo trong mô năng lượng nhận được từ sóng biển đến hình cần được xét đến nhằm thu được kết môtơ phát điện của thiết bị. Mô hình thiết quả sát với thực tế. bị được phân tích xây dựng với việc sử Với các kết quả nhận được trong tính toán dụng môtơ phát điện công nghiệp sẵn có khảo sát sự hoạt động của thiết bị, sẽ là cơ trên thị trường để phát điện ổn định. Các kết quả tính toán nhận được đã chỉ ra sở xác định các thông số của thiết bị trong thiết kế như: kích thước phao, chiều dài vùng hoạt động ổn định và không ổn định các trục thanh răng - piston, lựa chọn của mô hình, phạm vi dao động của mô môtơ phát điện và mức tỉ số truyền của bộ hình và mức công suất thiết bị nhận được tăng tốc chuyển động quay, nhằm đạt theo điều kiện sóng biển thực tế Việt được mức công suất điện cần phát ra theo Nam. điều kiện thực tế của sóng biển tại nơi Các kết quả nhận được sẽ là cơ sở để tiến thiết bị sau khi chế tạo sẽ đưa vào khai tới thiết kế chế tạo thiết bị sử dụng trong thác sử dụng. thực tế. Nhằm góp phần cung cấp điện năng cho kinh tế biển nói chung, điện 5. KẾT LUẬN năng sử dụng trên các nhà dàn DKI hay Báo cáo đã đưa ra cấu trúc một mô hình các đảo ngoài khơi, cũng như điện năng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển đảm bảo an ninh quốc phòng ngoài biển được thiết lập hoạt động theo phương đảo. thẳng đứng, phần phát điện được gắn cố TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M. Eriksson, J. Isberg, M. Leijon, Hydrodynamic modelling of a direct drive wave energy converter, International Journal of engineering Science 43, pp. 1377-1387, 2005. [2] J. Engstro, M. Erikson, J. Isberg, M. Leijon, Wave energy converter with enhanced amplitude response at frequencies coinciding with Swedish west coast sea states by use of a supplementary submerged body, Journal of Applied Physics, 106, 064512, 2009. [3] Marco Trapanese. Optimization of sea wave energy harvesting electromagnetic device, IEEE Transactions on Magnetics, 44, pp. 4365-4368, 2008. [4] Vincenzo Franzitta, Antonio Mesineo and Marco Trapanese, An approach to the conversion of the power generated by an offshore wind power farm connected into sea wave power generator, The open renewable energy journal, 4, pp. 19-22, 2011. [5] António F.O. Falcão. Modelling of Wave Energy Conversion. Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, 2014. Số 25 33
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [6] Nagulan Santhosh, Venkatesan Baskaran, Arunachalam Amarkarthik, A review on front end conversion in ocean wave energy converters, Front. Energy 2015, 9 (3): 297–310, 2015. [7] B. Drew, A.R. Plummer, and MN Sahinkaya, A review of wave energy converter technology, Proc. IMechE Vol. 223 Part A: J. Power and Energy, pp.887-902, 2009. [8] Keisuke Taneura, Kimihiko Nakano, Pallav Koirala and Kesayoshi Hadano, On the resonance characteristics of the float type wave power generation device, Journal of Environment and Engineering, 6 (3), pp. 542-553, 2011. [9] J.H. Choi, J.S. Park, G.S. Ham, J.S. Choi, Simulation of wave generation system with linear generator, Proceedings of the 3rd International Conference on Industrial Application Engineering 2015, Japan, pp. 537-541, 2015. [10] Đề tài cấp Nhà nước (KC.05-17/06-10), Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát điện sử dụng năng lượng sóng biển, Bộ Khoa học và công nghệ, 2011. [11] Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Chí Cường, Nghiên cứu tính toán hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng quy mô công suất nhỏ, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, tr. 361-366, 2014. [12] Báo cáo đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm mô hình phát điện ổn định, hiệu suất cao bằng năng lượng sóng biển - VAST07.04/14-15, 2016. [13] Báo cáo đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: Nghiên cứu, chế tạo mẫu thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, VAST01.10/16-17”, 2018. [14] Nguyen Van Hai, Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Fabrication and experiment of an electrical generator for sea wave energy, Vietnam Journal of Science and Technology, 55 (6), pp. 780-792, 2017. [15] Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và nnk, Năng lượng sóng biển khu vục biển đông và vùng biển Việt Nam, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội, 2009. [16] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Lê Vĩnh Cẩm, Đoàn Thị Vân, Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi, Tạp chí Khoa học và Công nghệ thủy lợi, tr. 52-59, 2014. [17] ITTC-Recommended Procedures: Fresh Water and Seawater Properties, 26th ITTC Specialist Committee on Uncertainly Analysis, No. 7.5-02-01-03, 2011. [18] Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Văn Hiếu, Thủy Lực Biển, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006. [19] Nguyễn Văn Đạo, Trần Kim Chi, Nguyễn Dũng, Nhập môn Động lực học phi tuyến và Chuyển động hỗn độn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2005. [20] Nguyễn Văn Khang, Dao động phi tuyến ứng dụng, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2016. [21] Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Như Hiếu, Nghiên cứu, tính toán thiết bị phát điện công suất nhỏ từ năng lượng sóng biển, Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, Hà Nội (7-8/10/2016), tr. 216-219, 2017. 34 Số 25
12. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Văn Hải tốt nghiệp đại học và nhận bằng Thạc sĩ tại Trường Đại học Khoa học tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội vào các năm 1998 và 2004; năm 2019 nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành cơ kỹ thuật (cơ điện tử) tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hiện nay tác giả đang công tác tại Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hướng nghiên cứu chính: nghiên cứu mô hình, tính toán thiết kế và xây dựng các hệ thống phát điện từ các nguồn năng lượng mới và tái tạo, đặc biệt là phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển. Tác giả Nguyễn Đông Anh tốt nghiệp đại học tại Đại học Tổng hợp Quốc gia Taskent năm 1977, nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành cơ học tại Đại học Tổng hợp Quốc gia Kiev năm 1985; nhận bằng Tiến sĩ khoa học chuyên ngành cơ học tại Đại học Tổng hợp Quốc gia Kiev năm 1986; năm 1996 được công nhận học hàm Giáo sư. Hiện nay tác giả đang công tác tại Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hướng nghiên cứu chính: dao động của các hệ cơ học, dao động ngẫu nhiên và tiền định phi tuyến, điều khiển kết cấu, giảm dao động có hại cho các hệ kỹ thuật. Số 25 35