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 13 sóng biển tại Việt Nam ………………………………………………………
1.3. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng 17 biển tại Việt Nam và định hướng nghiên cứu của luận án …………………….
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 27 BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN ………………………….
2.1. Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………….. 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
32 2.2.1. Phương pháp trung bình hóa ……………………………………………
34 2.2.2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp cộng hưởng ………………
2.3. Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển …………. 41
41 2.3.1. Tính toán tối ưu hóa mô hình thiết bị theo điều kiện sóng biển Việt Nam ……………………………………………………………………………
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 52 bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……………..
2.4.1. Xây dựng chương trình mô phỏng số ……………………….................. 52
2.4.2. Tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng 54 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 61 biển …..………………………………………………………………………..
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 88 HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN …………………………………………
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
Biên độ sóng biển (m) A
Tần số góc sóng biển ( rad/s)
Mật độ khối lượng nước biển ( kg/m3)
Chu kỳ sóng biển (s) T
Bước sóng (m) L
Độ sâu nước biển (m) z0
Chuyển động của phao theo phương thẳng đứng (m) z
Chuyển động của sóng biển (m) zs
Hệ số cản (Ns/m) γ
Hệ số cản nhớt (Ns/m) γf
Hệ số cản điện (Ns/m) γem
Thời gian (s) t, τ
Công suất cơ hệ của thiết bị (W) Pgm
kL
hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo (N/m) hệ số phi tuyến của lò xo ( N/m3) kN
m
Sb
Khối lượng của mô hình thiết bị (kg) Diện tích mặt đáy phao ( m2) Gia tốc trọng trường ( m/s2) g Scanh, Snap, Sday, Sđai Diện tích các mặt cạnh, nắp, đáy và vành đai ( m2) Mật độ khối lượng ( kg/m3) D
Chiều rộng (m) W
Bán kính (m) Rp
Chiều cao (m) Tr, Tk
Chiều dài (m) l, Lr, Lp
Đường kính (m) Փ
Chiều cao (m) h1, h2, h3
Công suất điện của thiết bị phát ra khi thử nghiệm (W) Pe
Điện áp một chiều (VDC) UDC
Điện áp xoay chiều (VAC) UAC
vii
Cường độ dòng điện một chiều (A) IDC
Cường độ dòng điện xoay chiều (A) IAC
Tần số (Hz) f
Điện trở ( Ω) R
Điện dung tụ điện (F) C, Cf
Lf
Độ tự cảm (H) Mật độ dòng điện ( A/m2) J
B
Cảm ứng từ (T) Thiết diện dây ( m2) s
Đường kính dây (m) d
Hiệu suất chuyển đổi của thiết bị η
ηm
Hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng từ phao nhận được đến mô tơ phát điện
Hiệu suất phần điện của thiết bị ηe
Hiệu suất bộ chuyển đổi DC-AC ηdc-ac
ηg
Hiệu suất của mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC
Chuyển đổi từ điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều DC-AC
Chuyển đổi điện áp một chiều DC-DC
Điện áp một chiều VDC
Điện áp xoay chiều VAC
Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT
Programmable Intelligent Computer PIC
Integrated circuit IC
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
50 Bảng 2.1. Công suất cơ hệ Pgm theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển
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
6 Hình 1.2. Mô hình thiết bị phát điện Oyster …………………………………..
7 Hình 1.3. Thiết bị phát điện dạng rắn biển ……………………………………
7 Hình 1.4. Thiết bị phát điện dạng phao nổi …………………………………...
8 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 …………………….
9 Hình 1.7. Các thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển ………………………
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
61 Hình 2.19. Đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ sóng
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 [1,3-
8].
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.
13
1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển tại Việt Nam
Tại Việt Nam, một số đơn vị đã, đang tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển như: Viện Nghiên cứu Cơ khí, trường Đại học
Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Khoa học Năng lượng thuộc
Viện Hàn lâm KHCNVN. Các mô hình thiết bị đang được nghiên cứu đều theo
hướng hoạt động nổi trên mặt biển với các dạng thiết bị cụ thể sau [24-28]:
- Viện Nghiên cứu Cơ khí thực hiện thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển trong khuôn khổ đề tài KC.05-17/06-10, thiết bị hoạt động
theo mô hình thả nổi trên mặt biển dạng rắn biển với công suất thiết kế từ 5÷10 kW
[24]. Thiết bị được chế tạo gồm năm boong phao, trong đó ba boong phao thu nhận
năng lượng và hai boong phao chuyển đổi năng lượng được lắp đặt các mô tơ phát
điện loại công nghiệp. Các boong phao được liên kết với nhau bằng khớp bản lề để
thu nhận năng lượng, dưới tác dụng của sóng biển hệ thống thuỷ lực sẽ cung cấp
dòng lưu lượng dầu ổn định với áp suất cao đẩy quay các mô tơ phát điện. Thiết bị
đã hoạt động thử nghiệm tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng và cung cấp điện năng cho
bộ đội biên phòng đóng trên đảo sử dụng.
Hình 1.10. Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí
- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Nghiên cứu Cơ khí đã thực
hiện nghiên cứu tính toán động lực học hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng.
Các tác giả tính toán thiết kế mô hình đặt trên một trụ đứng và gắn cố định trên bề
mặt sóng, phao được thả nổi chuyển động lên xuống theo sóng biển. Năng lượng
sóng biển từ phao nhận được thông qua hệ thống thủy lực truyền dẫn đẩy quay mô
tơ phát điện và phát ra điện năng, công suất phát điện của mô hình được tính toán ở
mức dưới 0,5 kW [25].
14
Hình 1.11. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện cố định trên mặt biển
- Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng
lượng sóng biển dạng phao nổi, thiết bị được thiết kế chế tạo hoạt động thả nổi trên
mặt biển theo phương thẳng đứng. Trong mô hình, các tác giả đã tính toán chế tạo
mô tơ phát điện dạng chuyển động tịnh tiến lên xuống và phát điện trực tiếp, với
nam châm của mô tơ phát được gắn xung quanh trục chuyển động nằm ở giữa, các
cuộn dây cảm ứng được lắp đặt xung quanh trục nam châm để phát ra điện năng.
Thiết bị đã được tiến hành thử nghiệm ở biển, với công suất điện từ thiết bị phát ra
đã nhận được còn hạn chế, thiết bị là sản phẩm thuộc đề tài mã số QG.14.1 [26,27].
a. Mô hình thiết bị chế tạo b. Thử nghiệm thiết bị
Hình 1.12. Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội
- Viện Khoa học Năng lượng, thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN đã thực hiện
đề tài mã số VAST07.04/14-15, trong đề tài đã chế tạo được một mô hình thiết bị
phát điện bằng năng lượng sóng biển hoạt động nổi trên mặt biển sử dụng mô tơ
phát điện dạng máy phát thủy điện loại trục đứng. Thiết bị hoạt động trên bề mặt
sóng biển và gắn cố định trên mặt biển. Thiết bị được chế tạo gồm hai khoang chứa
15
trên dưới, khoang ở trên nhận nước biển đổ vào trong nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng
sóng đến đỉnh sóng và đồng thời khoang dưới xả nước đẩy quay mô tơ phát điện
trong nửa chu kỳ kế tiếp khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng. Trong mô
hình thiết bị, các tác giả sử dụng loại mô tơ phát điện có công suất định mức 60 W,
với công suất điện phát ra khi thử nghiệm ở biển đã nhận được 50,92 W. Cách thức
thử nghiệm: các tác giả sử dụng cần cẩu cảng buộc cáp thả treo thiết bị giữ ở mức lơ
lửng trên bề mặt nước biển để khảo sát thử nghiệm sự hoạt động của thiết bị [28].
a. Máy phát điện b. Hạ thiết bị xuống mặt biển c. Thiết bị hoạt động
Hình 1.13. Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng lượng
Từ các mô hình nghiên cứu trên cho thấy, các mô hình thiết bị của các đơn vị
đã, đang được nghiên cứu và chế tạo đều hoạt động nổi trên mặt biển. Ưu điểm
chính của các mô hình là thuận lợi trong lắp đặt, sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị,
cũng như trong khai thác sử dụng. Nhược điểm là các thiết bị đều hoạt động nổi trên
mặt biển, trong khi trung bình mỗi năm Việt Nam thường hứng chịu khoảng 10 cơn
bão, đây là mối gây nguy hại trực tiếp và là thách thức trong việc khai thác sử dụng
loại mô hình thiết bị phát điện nổi trên mặt biển hoạt động lâu dài ở biển.
Tại Viện Cơ học – Viện Hàn lâm KHCNVN, trong những năm gần đây đã có
những quan tâm và thực hiện các nghiên cứu nhằm khai thác năng lượng từ các
nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng biển với các công bố về
tiềm năng năng lượng sóng ở vùng biển Việt Nam [29]; Khảo sát đặc tính năng
lượng của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng phao nổi, tiến tới đề xuất các
cơ cấu để thiết kế, tính toán và chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển
phù hợp với điều kiện chế tạo và thực tế sử dụng [30]. Ngoài ra từ năm 2013 [31],
trong công tác chuyên môn, tác giả đã thực hiện nghiên cứu tính toán mô phỏng số
16
về mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển. Mô hình được tính toán
nhằm chế tạo thiết bị với mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo
phương thẳng đứng, phát điện trực tiếp và gắn cố định ở đáy biển.
Hình 1.14. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện trực tiếp gắn cố định ở đáy biển [31]
Trong nghiên cứu này, tác giả tính toán thiết kế mô tơ phát điện gồm nam
châm vĩnh cửu được gắn xung quanh trục và cố định ở đáy biển, các cuộn dây cảm
ứng để phát ra điện năng được ghép đặt xung quanh trục nam châm và kết nối với
phao thả nổi trên mặt biển. Khi sóng biển tác dụng, các cuộn dây sẽ chuyển động
lên xuống theo phương thẳng đứng trong môi trường cảm ứng từ do nam châm tạo
ra và phát ra điện năng. Ở đây tác giả gặp khó khăn về kỹ thuật chế tạo mô tơ phát
điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, cũng như khả năng
gia công chế tạo loại mô tơ phát điện này ở trong nước, đặc biệt yêu cầu đối với mô
hình thiết bị cần phát điện tốt với chuyển động của mô tơ là rất chậm (do sóng biển
chuyển động rất chậm với chu kỳ chủ yếu trong khoảng từ 2÷8 giây). Trong khi trên
thế giới hiện nay, loại mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến vẫn chưa được chế tạo
ở quy mô công nghiệp, cũng như chưa được thương mại sẵn trên thị trường. Để
thiết bị hoạt động được hiệu quả, loại mô tơ phát điện này cần được chế tạo từ vật
liệu nam châm đất hiếm có cảm ứng từ lớn. Trong khi các nam châm đất hiếm hiện
nay thường có kích thước nhỏ, dẫn đến cần tính toán phối ghép nam châm để đạt
17
được giá trị cảm ứng từ là lớn nhất, đồng thời cần tính toán thiết kế chế tạo các
khuôn đúc lõi riêng cho mô tơ và thực hiện đúc lõi mô tơ phát điện với độ chính xác
cao.
Mặt khác từ các nhiệm vụ nghiên cứu chuyên môn, tại Viện Cơ học tác giả
đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Viện Hàn lâm KHCNVN với trách
nhiệm là chủ nhiệm đề tài, cụ thể đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu hệ
thống phát điện bằng năng lượng tái sinh đa năng, mã số đề tài VAST 02.04/11-12”
[32]. Trong đề tài đã tính toán thiết kế và chế tạo được một hệ thống phát điện bằng
năng lượng tái sinh từ ba nguồn năng lượng đầu vào là năng lượng mặt trời, năng
lượng gió và năng lượng sóng biển. Trong đó phần nguồn vào từ năng lượng sóng
biển của hệ thống phát điện đã được tính toán thiết kế, chế tạo chờ sẵn để ghép nối
tích hợp với thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển sẽ được nghiên cứu chế tạo
trong luận án.
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
1.3.1. Vị trí địa lý và tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam
Vị trí địa lý:
Do đặc thù địa lý là quốc gia ven biển với nhiều đảo và vùng biển rộng lớn,
nhu cầu về điện năng nhằm cung cấp cho dân cư sinh sống trên các đảo ngoài khơi,
cũng như nhu cầu về các phao báo hiệu chỉ dẫn đường biển và nguồn điện cung cấp
cho các đèn hải đăng ngoài biển là rất lớn. Hơn nữa, nhu cầu về điện năng để cung
cấp cho nền kinh tế biển, điện năng phục vụ an ninh quốc phòng trong bảo vệ chủ
quyền biển đảo của tổ quốc (đặc biệt nguồn điện để sử dụng trên các nhà dàn DKI
ngoài Biển Đông v.v.) là nhiệm vụ cấp bách, trong khi điện lưới quốc gia chưa thể
vươn tới.
Tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam:
Các nghiên cứu về tiềm năng năng lượng sóng ở nước ta mới chỉ bắt đầu
được quan tâm trong những năm gần đây. Các kết quả nghiên cứu dựa trên các số
liệu đo đạc khảo sát biển và các dữ liệu đo tại các trạm hải văn, cũng như các
18
nghiên cứu tính toán mô phỏng đã cho thấy bức tranh tổng quát về phân bố nguồn
năng lượng sóng biển ở nước ta vào cỡ trung bình trên thế giới [34,35]. Ở đây, các
nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tính dòng năng lượng theo phổ sóng của
Đaviđan. Việc chọn công thức phổ này không những là một phương pháp đánh giá
hiện thực do dựa trên cơ sở trường sóng thực tế đa dạng theo chu kỳ sóng, mà còn
phù hợp với phương pháp tính dòng năng lượng sóng cho vùng ngoài khơi Biển
Đông. Với việc sử dụng cùng một phổ sóng có thể dễ dàng kiểm tra các kết quả tính
toán và so sánh các kết quả nhận được với nhau. Số liệu đưa vào tính toán là các kết
quả tính toán chế độ trường sóng ven bờ phục vụ xây dựng công trình biển thuộc đề
tài cấp Nhà nước KHCN-06-10 “Cơ sở khoa học và các đặc trưng kỹ thuật đới bờ
phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ” bao gồm phân bố độ cao và chu kỳ sóng
biển. Trên cơ sở của phương pháp tính này, thông lượng năng lượng sóng tại 83
điểm quan trắc được thiết lập và phân chia thành 6 vùng khảo sát dọc theo chiều dài
bờ biển nước ta đã được thực hiện [35]. Các kết quả tính toán là dòng năng lượng
sóng cho mỗi mét chiều dài của bờ biển vuông góc với hướng truyền sóng, giá trị
năng lượng sóng biển được tính theo kW/m cho từng tháng trong năm và trung bình
của năm tại 83 điểm khảo sát được đưa ra trong hình 1.15 (các số liệu chi tiết về
năng lượng sóng tại 83 điểm quan trắc được đưa ra tại phụ lục A) [35].
Từ các số liệu nhận được cho thấy về tiềm năng năng lượng sóng dọc dải ven
biển Việt Nam, cùng với các đặc trưng năng lượng sóng tại 83 điểm khảo sát của 6
vùng như sau:
- Vùng 1 từ trạm số 1 đến trạm số 11, vùng phía bắc vịnh Bắc Bộ từ Móng
Cái đến Thanh Hóa: tại vùng này năng lượng sóng chiếm ưu thế vào các tháng 6, 7
và 8 với giá trị từ 16 kW/m trở lên. Vào mùa gió đông bắc ở các trạm phía bắc của
vùng, năng lượng sóng không mạnh. Tại các trạm phía nam của vùng này (từ trạm 7
đến trạm 11), năng lượng sóng khá đều, quanh năm đạt từ 15 kW/m trở lên. Dòng
năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 15 kW/m.
- Vùng 2 từ trạm số 12 đến trạm số 21, vùng phía nam vịnh Bắc Bộ từ Thanh
Hóa đến Quảng Bình có đặc điểm là dòng năng lượng sóng trong gió mùa đông bắc
chiếm ưu thế. Tại vùng này, trong khoảng từ tháng 10 năm trước đến tháng 2 năm
19
sau dòng năng lượng sóng đạt 30 kW/m trở lên. Trong gió mùa tây nam, vào các
tháng mùa hè, năng lượng sóng tại khu vực này nhỏ hơn 20 kW/m. Dòng năng
lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 25 kW/m.
Hình 1.15. Sơ đồ các điểm khảo sát và tính thông lượng năng lượng sóng [35]
20
- Vùng 3 từ trạm 22 đến trạm 37, vùng bắc miền Trung từ Quảng Bình đến
Quảng Nam là vùng có năng lượng sóng khá nhỏ so với các vùng lân cận do trường
sóng trong gió mùa đông bắc bị đảo Hải Nam che chắn. Còn trong gió mùa tây nam,
ở đây gió thường thổi từ bờ ra khơi. Vào các tháng trong mùa đông, dòng năng
lượng sóng tại vùng này cũng khá mạnh. Dòng năng lượng sóng trung bình năm của
vùng này đạt khoảng 10 kW/m.
- Vùng 4 từ trạm 38 đến trạm 54, vùng nam miền Trung từ Quảng Ngãi đến
Ninh Thuận là vùng có dòng năng lượng sóng lớn nhất trên dải ven biển nước ta, vì
là vùng tiếp xúc trực tiếp với biển thoáng và có đà sóng gần như không bị giới hạn
trong cả hai mùa gió thịnh hành. Trong gió mùa đông bắc, năng lượng sóng tại vùng
này đạt từ 30 kW/m trở lên. Đặc biệt tại các trạm từ 43 đến 54 trong tháng 12, dòng
năng lượng sóng xấp xỉ 100 kW/m. Dòng năng lượng sóng trung bình năm của
vùng này đạt khoảng 30 kW/m.
- Vùng 5 từ trạm 55 đến trạm 71, vùng ven bờ đồng bằng Nam Bộ từ Bình
Thuận đến mũi Cà Mau là vùng có dòng năng lượng sóng không lớn vì ở đây tác
động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị hạn chế. Dòng năng lượng sóng
trung bình năm của vùng này đạt khoảng 18 kW/m.
- Vùng 6 từ trạm 72 đến trạm 83, vùng ven bờ biển phía tây nam từ Cà Mau
đến Kiên Giang: tại vùng này dòng năng lượng sóng là yếu nhất trên toàn dải ven
biển nước ta. Có trạm không có dòng năng lượng trung bình tháng, có nghĩa là
trong cả tháng sóng lặng. Tại các trạm phía ngoài biển thoáng như trạm trên phía
tây của đảo Phú Quốc (trạm 72) và các trạm dọc bờ từ Rạch Giá xuống phía nam
(trạm 77 - 83) năng lượng sóng trong mùa gió tây nam đạt khoảng 15 kW/m, lớn
nhất vào tháng 8. Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng
5÷6 kW/m.
Hình 1.16 đưa ra bức tranh tổng quát về độ cao sóng biển trung bình mùa gió
mùa đông bắc tại Biển Đông nhận được từ các kết quả quan trắc và khảo sát, trong
đó độ cao sóng là khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế
tiếp [34]. Giá trị thông lượng năng lượng sóng tại các vùng theo tháng được đưa ra
trên hình 1.17 và trung bình năm thể hiện trên hình 1.18 [34,35].
21
Hình 1.16. Độ cao sóng trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông [34]
Hình 1.17. Thông lượng năng lượng sóng theo tháng của các vùng [35]
22
Hình 1.18. Thông lượng năng lượng sóng trung bình trong năm ven biển Việt Nam [35]
Từ các số liệu về phân bố thông lượng năng lượng sóng, độ cao sóng và chu
kỳ sóng biển đã nhận được cho thấy: độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ
0,5÷1,2 m với chu kỳ sóng 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với chu
kỳ sóng 6÷8 giây, đặc biệt khi biển động độ cao sóng biển ven bờ đạt từ 3,5÷5 m,
ngoài khơi đạt từ 6÷9 m [34-37]. Do vậy, đây là nguồn năng lượng dồi dào, rất phù
hợp cho các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển có công suất phát điện ở mức
vừa và nhỏ khai thác hoạt động. Từ các số liệu về sóng biển thực tế đã nhận được,
các số liệu này sẽ được sử dụng làm cơ sở trong các tính toán, xây dựng mô hình
thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, để thiết bị hoạt động phù hợp theo điều
kiện thực tế của sóng biển.
1.3.2. Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án
Nhu cầu thực tế:
Việt Nam có bờ biển dài trên 3260 km, cùng hơn 3000 hòn đảo và trên 1 triệu km2 mặt biển cho thấy việc truyền tải điện nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện
năng ở ngoài biển, hải đảo là rất khó và không thể thực hiện được. Với định hướng
phát triển kinh tế của Chính phủ đến năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50%
GDP. Dẫn đến yêu cầu về năng lượng điện đối với kinh tế biển nói chung, điện
năng sử dụng trên các nhà dàn DKI hay các đảo ngoài khơi, cũng như điện năng
đảm bảo an ninh quốc phòng biển đảo là vô cùng quan trọng.
23
Định hướng nghiên cứu của luận án:
Qua các nghiên cứu, phân tích đánh giá về các mô hình thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển trên thế giới, cũng như tại Việt Nam đã, đang nghiên cứu và
chế tạo. Cùng với sự biến đổi khí hậu và điều kiện thời tiết ngày càng bất thường,
các thống kê cho thấy Việt Nam trung bình hàng năm phải hứng chịu khoảng 10
cơn bão và thậm chí sóng thần có thể xảy ra. Từ các phân tích đã cho thấy loại mô
hình thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển là phù hợp. Hiện nay, các mô hình
thiết bị đã có đều được nghiên cứu chế tạo với mô tơ phát điện chuyển động tịnh
tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, các phương trình chuyển động được thiết
lập ở bài toán tuyến tính và sự phi tuyến của lò xo trong mô hình đều chưa được xét
đến. Việc nghiên cứu tối ưu mới chỉ được xét ở tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện
để sử dụng trong tính toán chế tạo mô tơ phát điện chuyển động tịnh tiến [22].
Trong đó, các tính toán tối ưu về kích thước phao và hệ số đàn hồi của lò xo cũng
chưa được đề cập. Ngoài ra, tác giả nhận thấy loại mô tơ phát điện công nghiệp
chuyển động quay tròn cũng chưa được đưa vào sử dụng trong các tính toán thiết kế
và chế tạo thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển.
Với mục tiêu, nghiên cứu chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển, hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam. Cấu
trúc của thiết bị được nghiên cứu tính toán và thiết kế gồm hai phần, phần phát điện
của thiết bị được gắn cố định ở đáy biển và phao thiết bị thả nổi trên mặt biển,
chúng được kết nối bởi dây cáp và hoạt động theo phương thẳng đứng. Mô hình
thiết bị phát điện được xác định với công suất phát điện ở mức vừa và nhỏ, phù hợp
với đặc trưng của sóng biển Việt Nam (như biên độ và chu kỳ sóng biển) và mục
đích sử dụng. Nguồn điện của thiết bị phát ra ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC
tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam. Nguyên lý hoạt
động của thiết bị là khi sóng biển tác động lên phao, năng lượng sóng biển từ phao
truyền đến phần thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển bởi dây cáp được định
hướng chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng. Hình 1.19 đưa ra mô hình
thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển gắn cố định ở đáy biển, thiết bị hoạt động
theo phương thẳng đứng và được định hướng nghiên cứu trong luận án.
24
Hình 1.19. Mô hình thiết bị phát điện từ sóng biển
Ưu điểm là phần phát điện của thiết bị được gắn ở đáy biển, nên thiết bị vẫn
hoạt động được trong những ngày biển có bão. Trong mô hình được tính toán đưa
vào sử dụng loại mô tơ phát điện công nghiệp chuyển động quay tròn, hiệu suất cao
và sẵn có trên thị trường. Sử dụng các cơ cấu thanh răng ghép bánh răng để chuyển
đổi các chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng sang chuyển động quay
tròn, khớp cá được sử dụng để bánh răng quay theo một chiều cố định. Với cách
tiếp cận này, hiện tại tác giả chưa thấy chúng được thực hiện hay công bố trên các
công trình ở trong nước và quốc tế.
Từ những lý do trên, luận án cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
- Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, phù hợp theo
các điều kiện thực tế biển Việt Nam.
- Thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình được xét với
ảnh hưởng phi tuyến của lò xo. Xác định đường đặc trưng biên độ - tần số của mô
hình trong trường hợp cộng hưởng, chỉ ra vùng hoạt động ổn định và mất ổn định.
Tính toán tối ưu hệ số cản của mô tơ phát điện để lựa chọn loại mô tơ phát điện phù
hợp sử dụng trong thiết bị, xác định tối ưu kích thước phao thiết bị và hệ số đàn hồi
của lò xo để công suất điện thiết bị phát ra đạt lớn nhất. Viết chương trình tính toán
25
mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo,
tính toán mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện sóng
biển.
- Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận cơ học của thiết bị. Tính toán thiết kế
phần phát điện của thiết bị, 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 và lắp ghép toàn bộ thiết bị, thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế
tại biển.
- Đo khảo sát công suất điện do thiết bị phát ra và các thông số sóng biển
thực tế khi thử nghiệm. Phân tích chất lượng điện áp, đánh giá hiệu suất hoạt động
của thiết bị trên cơ sở so sánh giữa công suất tính toán lý thuyết và công suất điện
của thiết bị phát ra khi thử nghiệm thực tế ở biển.
Kết quả chính của luận án nhằm xây dựng được một thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam,
cũng như khả năng gia công chế tạo thiết bị trong nước. Thiết bị được chế tạo với
phần phát điện gắn cố định ở đáy biển và hoạt động theo phương thẳng đứng, phao
thiết bị được thả nổi trên mặt biển. Thiết bị sau khi hoàn thiện có khả năng sử dụng
trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải
đăng, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng thực tế ngoài biển đảo.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng
lượng sóng biển trên thế giới, đặc biệt các mô hình thiết bị gắn cố định ở đáy biển
và hoạt động theo phương thẳng đứng. Đã chỉ ra các đơn vị trong nước đã, đang tiến
hành nghiên cứu chế tạo về thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển với các phân
tích chi tiết cho từng loại mô hình thiết bị. Đã thu thập và phân tích về đặc trưng
năng lượng sóng biển Việt Nam, với các số liệu về thông lượng năng lượng sóng,
độ cao sóng và chu kỳ sóng biển trung bình từng tháng trong năm dọc theo bờ biển
trải dài trên 3260 km. Trong đó độ cao sóng biển trung bình ở ven bờ từ 0,5÷1,2 m
26
với chu kỳ sóng 2÷8 giây, ở ngoài khơi độ cao sóng trung bình từ 1,2÷2 m với chu
kỳ sóng 6÷8 giây, đặc biệt khi biển động độ cao sóng ở ven bờ từ 3,5÷5 m, ngoài
khơi đạt từ 6÷9 m.
Đã chỉ ra nhu cầu và khả năng ứng dụng của mô hình thiết bị tại Việt Nam.
Đã đưa ra cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển và định
hướng nội dung nghiên cứu của luận án, để thiết bị sau khi chế tạo sẽ hoạt động
hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam. Các tính toán về xây dựng
mô hình, thiết lập phương trình chuyển động và xác định tối ưu các thông số của
thiết bị sẽ được trình bày ở chương tiếp theo của luận án.
27
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ
PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
Chương 2 trình bày các nghiên cứu về xây dựng mô hình cơ học, thiết lập
phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình dưới tác dụng sóng biển; Xác
định đường đặc trưng biên độ - tần số của mô hình trong trường hợp cộng hưởng;
Tính toán tối ưu hóa các thông số trong mô hình; Xây dựng chương trình mô phỏng
số, khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện thực tế của sóng biển như
biên độ và chu kỳ của sóng biển. Mục đích của luận án là xây dựng được một thiết
bị phát điện từ năng lượng sóng biển, có khả năng sử dụng làm phao báo dẫn đường
biển hay làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng. Mô hình thiết bị đảm bảo nhỏ
gọn, hiệu quả và phù hợp với khả năng gia công chế tạo ở trong nước.
2.1. Xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
2.1.1. Phân tích xây dựng mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
Từ các kết quả phân tích về ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị phát điện
từ năng lượng sóng biển hoạt động theo phương thẳng đứng, với mục tiêu chế tạo
được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động hiệu quả và phù hợp
theo các điều kiện sóng biển thực tế Việt Nam. Mô hình thiết bị được nghiên cứu
xây dựng hoạt động theo phương thẳng đứng, phần phát điện của thiết bị được gắn
cố định ở đáy biển kết nối với phao thả nổi trên mặt biển bởi dây cáp. Ngoài ra, từ
các số liệu khảo sát và quan trắc về biển cho thấy mô hình thiết bị chuyển động dưới
tác dụng của sóng biển là rất chậm. Trên cơ sở về khả năng gia công chế tạo thiết bị
ở trong nước, mô hình thiết bị được tính toán sử dụng với mô tơ phát điện công
nghiệp loại chuyển động quay tròn hiệu suất cao. Từ đặc trưng hoạt động của mô tơ
phát điện thường làm việc hiệu quả ở tốc độ chuyển động quay lớn, để điện năng
thiết bị phát ra đạt lớn nhất trong mô hình thiết bị cần tính toán tăng tốc chuyển
động quay, từ các chuyển động quay chậm ban đầu nhận được của sóng biển sang
chuyển động quay nhanh tại mô tơ phát điện với hiệu suất chuyển đổi đạt lớn nhất.
Hình 2.1 đưa ra sơ đồ cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển,
trong đó hình 2.1a là sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình truyền năng lượng của phao đã
28
hấp thụ được từ sóng biển đến mô tơ phát điện qua dây cáp và một hệ thống các cơ
cấu truyền động trong mô hình thiết bị. Các bộ phận chính trong mô hình thiết bị
gồm: phao dạng trụ tròn; dây cáp; cơ cấu ghép nối thanh răng – piston; bộ tăng tốc
chuyển động quay một đầu ghép nối với thanh răng và đầu còn lại ghép nối với mô
tơ phát điện; mô tơ phát điện xoay chiều ba pha; các khối board mạch ổn định điện
áp 12 VDC từ điện áp xoay chiều ba pha của mô tơ phát ra và bộ chuyển đổi DC-AC
chuyển đổi điện áp từ 12 VDC sang điện áp 220 VAC tần số 50 Hz thực sine; 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
động đi xuống và mô tơ phát điện hoạt động khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống
bụng sóng. Từ sơ đồ nguyên lý của thiết bị được xây dựng, mô hình cơ học của thiết
bị phát điện từ năng lượng sóng biển được quy về một vật khối lượng m chuyển
động lên xuống theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của sóng biển được đưa ra ở
hình 2.1b.
a. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị [33]
29
zS(t)
m
z(t)
k γ
b. Mô hình cơ học của thiết bị [33,42,43]
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
2.1.2. Thiết lập phương trình chuyển động
Trong một số nghiên cứu, các tác giả thường xây dựng phương trình chuyển
động của mô hình được xét ở dạng hàm tuyến tính [18,19,31,39-41], thành phần lực
với γ là hệ số cản và
dz dt
dz dt
cản của mô tơ phát điện được xác định dạng là vận tốc
chuyển động theo phương thẳng đứng. Trong luận án, phương trình chuyển động
của mô hình thiết bị được thiết lập quy về một vật là phao dạng trụ tròn được ghép
nối gắn chặt với trục thanh răng - piston chuyển động lên xuống theo phương thẳng
đứng z, gốc tọa độ được lấy ở đáy biển với hướng dương là hướng từ dưới lên.
Trong nghiên cứu của luận án, thành phần lực sóng biển tác dụng lên phao được
giới hạn chỉ xét ở lực đẩy Acsimet và bỏ qua khối lượng nước kèm tác động lên mô
hình. Do vậy, phương trình chuyển động được xây dựng trên cơ sở phương trình cân
F
,
bằng các lực tác dụng lên mô hình, theo định luật Niutơn II được viết dưới dạng:
F q
F c
F lx
p
(2.1)
trong đó: Fq là lực quán tính, Fp là lực đẩy Acsimet và trọng lực của phao, Fc
là lực cản và Flx là lực đàn hồi của lò xo. Các thành phần lực này được xác định như
sau:
- Lực quán tính:
30
mF
q
2 zd ,2 dt
(2.2)
với m là khối lượng phao và thanh răng – piston (giá trị khối lượng này được
tác giả tính toán đồng thời trên cơ sở lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị và được trình
bày ở chương 3 của luận án), z là dao động của phao và thanh răng - piston theo
phương thẳng đứng (là khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao).
F
gS
(
z
z
)
mg
,
s
b
- Lực đẩy Acsimet và trọng lực của phao:
p
(2.3)
trong đó ρ là khối lượng riêng nước biển, g là gia tốc trọng trường, thiết diện phao Sb = πa2 với a là bán kính phao, zs là khoảng cách từ đáy biển đến bề mặt sóng
biển.
zd (
z
)
0
,
- Lực cản:
F c
dt
(2.4)
với γ là hệ số cản và z0 là khoảng cách từ đáy biển đến đáy phao khi mặt biển
tĩnh.
- Lực tác dụng của lò xo, được xây dựng gồm các thành phần lực tuyến tính
k
(
z
z
)
k
(
z
z
3 ,)
L
N
0
0
và phi tuyến.
F lx
(2.5)
với kL là hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo và kN là hệ số phi tuyến của lò xo.
Thay các biểu thức (2.2) - (2.5) vào biểu thức (2.1), trong đó z0 là hằng số
( zd nên đại lượng , do vậy phương trình chuyển động của mô hình viết ) z 0 dt dz dt
m
gS
(
z
z
)
mg
k
(
z
z
)
k
(
z
z
3 .)
được như sau:
s
N
L
0
0
b
dz dt
2 zd 2 dt
(2.6)
Trong phương trình (2.6) hệ số cản γ được xác định: γ = γf + γem, với γf là hệ
số cản nhớt của nước biển, γem là hệ số cản điện của mô tơ phát điện để chuyển đổi
từ năng lượng cơ sang năng lượng điện. Theo các tài liệu đã công bố về độ cản nhớt
31
của nước biển [44,45], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt γf của nước biển sẽ là rất
nhỏ so với hệ số cản điện γem của mô tơ phát điện nên được bỏ qua. Việc bỏ qua hệ
số cản nhớt của nước biển cũng tương đồng theo các nghiên cứu ở các công trình
[15,18,19,22], trong tính toán các tác giả đều không đề cập đến hệ số cản nhớt của
nước biển và chỉ xét đến hệ số cản điện. Do vậy, phương trình (2.6) được viết lại có
m
gS
(
z
z
)
mg
k
(
z
z
)
k
(
z
z
3 .)
dạng:
s
N
L
0
0
b
em
dz dt
2 zd 2 dt
(2.7)
Công suất trung bình cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng
biển tại thanh răng - piston được xác định từ công thức [15,20,38-41]:
P
tz )(
2 dt
,
gm
em
1 0
(2.8)
z
với τ là khoảng thời gian được xét.
3
k N
0z
Trong phương trình chuyển động (2.7), thành phần lực được xét
đến do tính phi tuyến của lò xo. Trong mục tiếp theo 2.2, tác giả khảo sát phương
trình chuyển động phi tuyến (2.7) để đánh giá sự ổn định của mô hình, khi thiết bị
hoạt động tại các vùng biển có độ cao sóng ở mức vừa và lớn, với giả thiết ở sóng
biển có độ cao từ 1 m trở lên. Trong mục 2.3, xét thiết bị hoạt động ở sóng biển có
độ cao từ 1 m trở xuống, với giả thiết sự phi tuyến của lò xo trong mô hình là không
đánh kể. Do vậy, tác giả khảo sát bài toán tuyến tính (xét phương trình (2.7) với kN
= 0) để xác định hệ số cản tối ưu của mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi của lò xo và
kích thước phao thiết bị. Trong mục 2.4 thực hiện xây dựng chương trình tính toán
mô phỏng số, khảo sát sự hoạt động của thiết bị theo các điều kiện thực tế của sóng
biển được xét với ảnh hưởng phi tuyến của lò xo.
2.2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp phi tuyến
Nhằm đánh giá sự ổn định của mô hình, khi thiết bị hoạt động ở các vùng
biển có biên độ và tần số sóng biển khác nhau. Trong luận án chỉ giới hạn xét trong
trường hợp hệ phi tuyến yếu, phương trình chuyển động phi tuyến (2.7) được giải
theo phương pháp trung bình hóa của cơ học phi tuyến để xác định nghiệm dừng.
32
Kết quả đưa ra các đồ thị về đường đặc trưng biên độ - tần số của mô hình trong
trường hợp cộng hưởng, chỉ ra vùng hoạt động ổn định và mất ổn định, là cơ sở để
lựa chọn vùng thiết bị hoạt động và tính toán các thông số mô hình của thiết bị.
2.2.1. Phương pháp trung bình hóa
Vào những năm thứ hai mươi của thế kỷ 20 Van der Pol đã sáng tạo ra
phương pháp trung bình hóa và dùng nó để nghiên cứu dao động của các máy phát
sử dụng đèn điện tử, phương pháp này được tiếp tục phát triển trong các công trình
nghiên cứu của nhiều tác giả khác. Áp dụng phương pháp trung bình hóa cho phép
ta nghiên cứu không những chỉ trạng thái yên định của chuyển động mà còn cả quá
trình chuyển tiếp đến trạng thái đó, cũng như nghiên cứu dao động của các hệ phi
tuyến yếu rất thuận lợi. Khi sử dụng phương pháp này việc khảo sát sự ổn định của
các nghiệm tuần hoàn cũng rất đơn giản vì nó dẫn về xét sự ổn định của các trạng
thái cân bằng [46].
Để áp dụng phương pháp trung bình hóa cần đưa các phương trình vi phân
của chuyển động về dạng chuẩn tắc, với dao động của hệ được mô tả bởi phương
x
x
f
t )(
xxtF ,(
,
trình:
2
), ,
(2.9)
trong đó ε là tham số bé dương hoặc bằng không. Khi ε = 0 phương trình
(2.9) suy biến thành:
x
tf )(
.0
2 x
(2.10)
Nghiệm tổng quát của phương trình (2.9) phụ thuộc vào hai hằng số tùy ý và
được viết dưới dạng:
cos(
t
*x
,
Ex
)
(2.11)
với x* là nghiệm riêng của phương trình (2.10).
x
E
sin(
t
*x
,
Và đạo hàm bậc nhất của x theo thời gian t có dạng:
)
(2.12)
với điều kiện ràng buộc [47]:
33
E
cos(
sin(
E
)
t
t
.0)
(2.13)
Tính đạo hàm (2.12) theo t ta được:
x
sin(
E
)
t
cos(
cos(
E
)
t
t
* x
.
2 E
)
(2.14)
Thay các biểu thức (2.11) và (2.14) vào phương trình (2.9), với chú ý x* thỏa
cos(
sin(
)
t
t
E E )
mãn phương trình (2.10) ta được:
*
*
EtF ,(
cos(
t
x
,
E
sin(
t
x
)
)
). ,
EE,
(2.15)
*
*
E
EtF ,(
cos(
t
x
,
E
sin(
t
x
sin(
t
)
)
), ),
Giải hệ phương trình (2.13) và (2.15) đối với ta được:
*
*
E
EtF ,(
cos(
t
x
,
E
sin(
t
x
cos(
t
)
)
),
).
(2.16)
Hệ phương trình (2.16) có đặc điểm là đạo hàm của hàm chưa biết tỷ lệ với
tham số bé ε, được gọi là những phương trình vi phân dưới dạng chuẩn tắc và là
,
z
, ),
f
dạng riêng của hệ phương trình tổng quát như sau:
z 1 z
,
2 z
1 f
). ,
2
2
zt ,( 1 zt ,( 1
2
(2.17)
Giải sử rằng vế phải của hệ (2.17) có thể khai triển thành chuỗi theo lũy thừa
,
z
)
,
z
)
...,
z 1
zt ,( 1
2
zt ,( 1
2
của tham số bé ε:
z
,
z
)
,
z
)
...
1
2
zt ,( 1
2
zt ,( 1
2
2
2 1 2 2
(2.18)
Các hàm Փi(t,z1,z2) , Ψi(t,z1,z2) được giả thiết là những hàm tuần hoàn theo
thời gian t với chu kỳ 2π và có thể khai triển thành chuỗi Fourier.
Thực hiện biến đổi, hệ phương trình (2.18) được viết dưới dạng:
34
,
z
)
(
a
cos
nt
c
sin
nt
)
...
,
2
z 1
2
za ( 1 0
n
n
n
z
,
z
)
cos
nt
d
sin
nt
)
...
2
2
2
zb ( 1 0
b ( n
n
n
1
1
(2.19)
Ý cơ bản của phương pháp trung bình hóa như sau, vì ε là tham số bé nên các
số hạng chứa sinnt, cosnt cũng như số hạng có bậc cao hơn một đối với ε ở vế phải
của phương trình (2.19) sẽ không làm thay đổi một cách có hệ thống các hàm z1, z2
và trong xấp xỉ thứ nhất ta sẽ bỏ qua các số hạng ấy, hệ phương trình (2.19) được
,
,
z
2
viết lại dưới dạng phương trình trung bình hóa như sau:
1
2 ), ).
( (
, ,
z 1 1 a 1 0 2 b 2 0 2
1
(2.20)
Rõ ràng hệ phương trình (2.20) đơn giản rất nhiều so với hệ phương trình
(2.17), vế phải của chúng không còn chứa thời gian t nữa. Bogoliubov đã chứng
minh và cho thấy nếu hai nghiệm của phương trình (2.17) và (2.20) có giá trị đầu
như nhau thì chúng sẽ xấp xỉ bằng nhau trong khoảng thời gian khá dài. Hệ phương
trình (2.20) nói chung không thể tích phân được dưới dạng kín. Tuy nhiên có thể
tìm được nghiệm dừng của nó với các hằng số ξ1, ξ2 thỏa mãn hệ phương trình đại
0
số:
) )
,0 .0
a b 0
( , 1 2 ( , 2 1
(2.21)
Từ hệ phương trình (2.21) ta có thể xác định được biên độ dao động dừng cơ
bản ξ1, ξ2 của hệ được khảo sát.
2.2.2. Khảo sát dao động của hệ trong trường hợp cộng hưởng
Trong mục này, giả thiết rằng phương trình (2.7) mô tả dao động của hệ thỏa
mãn là phương trình dao động phi tuyến yếu, để áp dụng phương pháp trung bình
hóa khảo sát sự ổn định của mô hình khi hoạt động trong các vùng biển có biên độ
sóng biển ở mức vừa và lớn. Trên cơ sở đó sẽ đưa ra các đồ thị đặc trưng biên độ -
tần số trong vùng tần số cộng hưởng [46-49].
35
Từ phương trình chuyển động (2.7), để thực hiện tính toán ta thực hiện đổi
,
.
2 xd 2
2 zd 2
dx dt
dz dt
dt
dt
biến z – z0 = x, ta có:
3
m
gS
(
z
z
x
)
mg
.
xkxk
s
N
L
b
Phương trình chuyển động (2.7) của hệ được viết lại dưới dạng:
0
em
dx dt
2 xd 2 dt
(2.22)
A
cos(
.
) t
zs
0z
Xét hàm sóng có dạng:
gS
k
k
dx
3
L
x
x
cos(
g
.
) t
Thực hiện biến đổi ta được:
2 xd 2 dt
b m
em m
dt
N m
AgS b m
gS
k
k
L
(2.23)
;
;
c
;
B
.
2
b m
N m
em m
AgS b m
Đặt:
dx
3
x
B
cos(
g
.
2
c
x
) t
Phương trình (2.23) được viết lại có dạng:
2 xd 2 dt
dt
2
(2.24)
2
,
x
xxf ,(
,
),
2
t
Trong trường hợp gần cộng hưởng thực hiện biến đổi ta được:
2 xd 2 dt
dx
3
xxf , ,(
t
x
B
cos(
g
.
c )
x
) t
(2.25)
dt
với ký hiệu:
Thực hiện biến đổi phương trình vi phân (2.25) về dạng chuẩn Lagrange-
Bogoliubov, sử dụng phép biến đổi [46,47]:
0
(2.26) x a cos( x . t )
Tính đạo hàm biểu thức (2.26) theo t ta được:
36
a
cos(
a
)
sin(
sin(
t
t
)
a
t
),
dx dt
a
cos(
a
)
sin(
.0
t
t
)
với phương trình ràng buộc [47]:
(2.27)
Do vậy, ta có:
a
t sin( ).
dx dt
(2.28)
2
Đạo hàm (2.28) theo t ta được:
sin(
cos(
cos(
a
t
)
a
t
)
a
t
).
2 xd 2
dt
(2.29)
2
sin(
cos(
af (
cos(
x
,
sin(
).
x
a
t
)
a
t
)
t
)
a
t
),
t
0
0
Thay (2.26), (2.28) và (2.29) vào (2.25) ta được:
(2.30)
a
cos(
a
)
sin(
,0
t
t
)
2
sin(
cos(
af (
cos(
x
,
sin(
t
x
.
a
t
)
a
t
)
t
)
a
t
),
)
0
0
Từ (2.27) và (2.30) ta có hệ phương trình xác định a và a như sau:
cos(
.
sin( cos(
sin(
t ) t )
t ) t )
sin(
0
t
)
2
a
af (
cos(
x
,
sin(
t
cos(
x
t
)
a
t
),
)
t
)
0
0
2
sin(
t
).
af (
cos(
x
,
sin(
t
x
t
)
a
t
),
)
0
0
cos(
0
t
)
2
a
sin(
af (
cos(
x
,
sin(
t
x
t
)
t
)
a
t
),
)
0
0
2
cos(
t
).
af (
cos(
x
,
sin(
t
x
t
)
a
t
),
)
0
0
Thực hiện tính toán, ta có:
37
Ta có:
a
.
a
a a
,
2
a
cos(
x
,
sin(
t
x
t
)
a
t
),
)
t
),
0
0
Thực hiện tính toán, ta có hệ phương trình:
2
t
).
af (
cos(
x
,
sin(
t
x
a
t
)
a
t
),
)
af (
(2.31)
sin( cos(
0
0
1 1
t .
Để xác định nghiệm của hệ phương trình (2.31), ta thực hiện phép đổi biến:
.t
Suy ra:
3
ca
cos
a
cos
x
B
cos
cos
x
)
sin
a
( 0
0
sin
,
2
1
da dt
B
sin
sin
x
g
0
3
ca
cos
a
cos
x
B
cos
cos
x
)
sin
a
( 0
0
a
cos
.
2
1
d dt
B
sin
sin
x
g
0
Thực hiện biến đổi, ta được:
(2.32)
3
aF ,(
,
ca
cos
a
cos
x
x
)
)
sin
a
0
B
cos
cos
B
sin
sin
x
g
.
( 0 2
0
Ta đặt:
Áp dụng phương pháp trung bình hóa của cơ học phi tuyến, hệ phương trình
,
sin)
,
d
da dt
11 2
a
,
cos
.
)
d
d dt
11 2
2 aF ,( 0 2 aF ,( 0
(2.32) được viết dưới dạng:
Thực hiện tính toán ta được:
38
B
sin
ca
,
3
2
a
a
B
cos
.
xa 3
0
1 2 1 2
da dt d dt
3 4
a
(2.33)
B
sin
0
0
Cho ta được các công thức xác định nghiệm dừng: a 0 ,0
2
2
B
cos
a
.
3 x
0
0
0
0
ca , 3 a 4
(2.34)
Chia hai vế hệ phương trình (2.34) vế với vế và biến đổi ta được:
tan
.
0
2
2
2
2
a
3 x
0
0
c 3 4
(2.35)
2
2
2
2
2
Bình phương hai vế hệ phương trình (2.34), rồi cộng vế với vế ta được:
B
(
ca
a
.
2 )
3 x
0
0
0
0
3 a 4
(2.36)
2
2
2
2
2
2
Chuyển vế ta được:
a
c
B
.0
2
3 x
0
0
0
3 a 4
(2.37)
2
2
B
2
2
2
Thực hiện biến đổi ta được:
c
.
2
3 x
0
0
2
3 a 4
a
0
(2.38)
2
B
2
2
2
Lấy căn bậc hai hai vế phương trình (2.38) và biến đổi ta được:
.
2
2
a
3 x
2 c
0
0
2
3 4
a
0
(2.39)
Phương trình (2.39) là hàm biên độ - tần số. Hình 2.2 đưa ra các đồ thị biểu diễn hàm biên độ a0 theo tần số Ω2 với các hệ số được lấy như sau: m = 25 kg; a =
39
0.35 m; g = 9,81 m/s2; x0 = 0,4 m; kL = 1900 N/m và kN = 700 N/m3, ở các trường
hợp hệ số cản γem khác nhau tại sóng biển có biên độ 0,5 m.
Hình 2.2. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A = 0,5 m
Hình 2.3 đưa ra các đồ thị biểu diễn hàm biên độ a0 theo tần số Ω2 với các thông số mô hình: m = 35 kg; a = 0.45 m; g = 9,81 m/s2; x0 = 0,2 m; kL = 2200 N/m và kN = 2000 N/m3, với các hệ số cản γem thay đổi tại sóng biển có biên độ 0,8 m.
Hình 2.3. Đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ theo tần số Ω2, với A = 0,8 m
40
Từ biểu thức (2.39) và các đồ thị trên cho thấy, với từng hệ số cản γem, dạng đường cong biên độ theo tần số Ω2 của hệ là khác nhau và phức tạp. Cụ thể, trong
trường hợp đồ thị đường cong biên độ - tần số với hệ số cản γem = 40 trên hình 2.2 và γem = 80 trên hình 2.3, cho thấy khi Ω2 tăng, biên độ dao động dừng a0 lấy các giá
trị trên nhánh đi từ điểm (1) qua điểm (2) đến điểm (3). Tại điểm (3) xảy ra hiện
tượng mất ổn định, biên độ dao động tụt xuống điểm (5), rồi lấy các giá trị trên nhánh đi từ điểm (5) sang điểm (6). Khi Ω2 giảm, biên độ dao động dừng lấy các
giá trị trên nhánh đi từ điểm (6) qua điểm (5) đến điểm (4). Tại điểm (4) có hiện
tượng nhảy vọt biên độ dao động từ điểm (4) lên điểm (2), rồi biên độ lấy các giá trị
trên nhánh đi từ điểm (2) về phía điểm (1).
Do vậy, nhìn chung nhánh dao động ổn định là nhánh trong vùng tần số từ
điểm (1) đến (2) và vùng tần số từ điểm (5) đến điểm (6). Trong vùng tần số đi từ
điểm (2) đến điểm (3) và giảm từ điểm (5) về điểm (4), 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 thiết bị
hoạt động ở vùng tần số ổn định gần điểm (2) để biên độ dao động của hệ nhận
được là lớn nhất.
Với giới hạn phạm vi thiết bị hoạt động ở ven bờ, độ cao sóng biển ở mức
vừa và nhỏ, tần suất sóng biển xuất hiện nhiều ở độ cao sóng dưới 1 m. Và định
hướng sử dụng thiết bị để làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện
thắp sáng các đèn hải đăng hoạt động lâu dài ở biển. Do vậy, mô hình thiết bị của
luận án được xây dựng hoạt động trong vùng ổn định tần số thấp, các hệ số cản của
mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi của lò xo và kích thước phao sẽ được xác định tối ưu
theo bài toán tuyến tính. Ngoài ra, từ giả thiết khi sóng biển có độ cao từ 1 m trở
lên, mô hình chịu tác động bởi sự phi tuyến của lò xo. Các thông số của mô hình là
chiều dài trục piston, chiều dài thanh răng và mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận
được từ năng lượng sóng biển, được xác định từ các tính toán mô phỏng số có xét
đến ảnh hưởng phi tuyến của lò xo.
41
2.3. Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
2.3.1. Tính toán tối ưu hóa mô hình thiết bị theo điều kiện sóng biển Việt Nam
Xác định thông số mô hình:
Mục tiêu chế tạo được một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt
động ở gần bờ với độ cao sóng biển ở mức vừa và nhỏ. Từ giả thiết ở sóng biển có
độ cao dưới 1 m, ảnh hưởng của thành phần phi tuyến trong mô hình là không đáng
kể. Các thông số của mô hình như hệ số cản của mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi của
lò xo, kích thước phao được xác định tối ưu theo bài toán tuyến tính và được tính
bằng giải tích. Nhằm lựa chọn được loại mô tơ phát điện phù hợp cho mô hình,
cũng như mức công suất điện thiết bị phát ra được lớn nhất.
Từ phương trình chuyển động (2.7), thực hiện đổi biến z – z0 = x và khảo sát
bài toán tuyến tính với hệ số kN = 0, phương trình chuyển động (2.7) được viết dưới
gS
k
gS
dx
L
b
x
(
z
z
)
g
.
dạng [39-41]:
s
0
2 xd 2 dt
em m
dt
b m
m
(2.40)
Nhằm thu được năng lượng điện do thiết bị phát ra đạt lớn nhất, lời giải từ
phương trình (2.40) được thực hiện bằng tính giải tích để xác định hàm dịch chuyển
)(tz
z(t) theo thời gian. Sau đó tính và thay vào công thức (2.8), xác định mức công
suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển và các thông số tối
ưu trong mô hình theo các điều kiện sóng biển.
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 hiện với tần suất liên tục trong thời gian
dài. Trong trường hợp này, hàm sóng biển tác dụng lên mô hình được xét dưới dạng
sóng tuyến tính (sóng Stockes bậc một) chuyển động theo phương thẳng đứng z có
dạng:
A
sin(
)
,
t
zs
0z
(2.41)
42
với A là biên độ sóng biển (hay nói cách khác là một nửa của độ cao sóng
biển), ω là tần số góc sóng biển.
gS
k
dx
L
x
sin(
).
g
t
Thay biểu thức (2.41) vào (2.40) ta được:
2 xd 2 dt
em m
dt
b m
AgS b m
(2.42)
Giả sử nghiệm của (2.42) có dạng:
x
sin
Ct cos
t
.
Cx 1 0
2
(2.43)
)(tx
)(tx
Tính , và thay biểu thức (2.43) vào (2.42), thực hiện biến đổi ta
2
2
)
)
C
)
Ct )
cos( C 1
sin( t 2
C t sin( 1
cos( t 2
em m
em m
gS
k
gS
k
gS
k
L
b
L
L
b
b
được:
x
cos(
)
C
sin(
)
t
t
C 1
2
0
m
m
m
sin(
).
g
t
AgS b m
(2.44)
Thực hiện biến đổi, đồng nhất hóa các hệ số tự do và các hệ số của sin(ωt),
gS
k
L
b
x
g
,
0
m
gS
k
L
b
cos(ωt) ta được hệ phương trình xác định các hệ số x0, C1 và C2:
C
,0
2
C 1
C 1
2
m
k
em m gS
L
b
C
C
.
2
C 1
2
2
em m
AgS b m
m
(2.45)
x
,
Từ biểu thức (2.45) ta tìm được:
0
gS
k
mg
L
b
(2.46)
và hệ phương trình xác định hai ẩn C1 và C2 như sau:
43
(
m
,0
2
k
gS
L
b
m
C ) 1 k
2 C )
(
2
C em gS
L
b
AgS . b
C em 1
2
(2.47)
m
gS
2
b
gS
m
em k
2
k L em
L
b
Thực hiện giải hệ phương trình (2.47), ta có:
2
m
k
gS
2
Ta nhận được:
(2.48)
2 .2 em
L
b
m
gS
L
0 AgS b
b
C 1
em 2 k
em
Hệ số C1 được xác định:
.
C 1
m
k
gS
2
AgS b 2
2 2 em
L
b
(2.49)
m
gS
k
0
2
b
L em
AgS b
C
2
k
gS
2
b
b
mAgS
Hệ số C2 được xác định:
.
C
L 2
2
m
k
gS
2
2 2 em
L
b
(2.50)
C
C 1
2
sin
cos
Ta đặt:
2
2
2
2
C
C
C 1
2
C 1
2
2
, , (2.51a)
C
2 C 1
2
và: , (2.51b)
với χ là biên độ dao động của hệ.
Thay các biểu thức (2.49) và (2.50) vào (2.51b), ta thu được:
44
2
2
k
gS
2
em
AgS b
b
L
b
mAgS
2
m
k
gS
2
L
b
2 2 em
2
AgS b
.
2
m
k
gS
2
2 2 em
L
b
(2.52)
Phương trình (2.43) được viết lại dưới dạng:
x
t
sin( ).
gS
k
mg
L
b
(2.53)
Thay các biểu thức (2.49) và (2.50) vào (2.51a), độ lệch pha được xác định
bởi biểu thức:
tan
.
em gS
m
k
2
L
b
(2.54)
tx )(
tz )(
)(tx
. Tính từ biểu thức (2.53) và Từ phép đổi biến x = z – z0, ta có
thay vào công thức (2.8), công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng
P
cos(
t
dt
.
)
sóng biển trong một chu kỳ T được xác định như sau:
2
gm
em
1 T
T 0
(2.55)
2
(
em
Thay biểu thức (2.52) vào (2.55) và thực hiện tính toán ta được:
P
.
gm
2
1 2
gS
m
2
k
AgS ) b 22
em
L
b
(2.56)
Lực đàn hồi lớn nhất của lò xo trong mô hình được xác định bởi:
(2.57) FL_max = kLHmax,
với Hmax là dao động lớn nhất của hệ chuyển động dưới tác dụng của sóng
biển.
Lực Acsimet cực đại của phao tác dụng lên mô hình được xác định bởi:
45
(2.58) FAcs_max = ρgπa2h,
trong đó a là bán kính phao và h là chiều cao của phao.
Mô hình thiết bị được nghiên cứu chế tạo với lựa chọn khu vực biển Hòn
Dấu - Hải Phòng để khai thác thử nghiệm. Tại biển Hòn Dấu, các điều kiện sóng
biển có chu kỳ thay đổi trong khoảng 3,5÷4,5 giây và độ cao sóng từ 0,5÷1,4 m
[36], do vậy vận tốc chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng của sóng biển
đạt từ 0,29÷0,62 m/s. Trong luận án, mô hình được xác định với mức công suất cơ
hệ Pgm của thiết bị nhỏ nhất cần đạt 270 W. Mặt khác, công suất trung bình cũng
được tính theo biểu thức đơn giản Pgm = Femv với v là vận tốc, do vậy lực cơ học
cần thiết để kéo mô tơ phát điện hoạt động là 931 N.
Từ cấu trúc của mô hình thiết bị đã xây dựng, trong nửa chu kỳ sóng biến đổi
từ đỉnh sóng xuống bụng sóng, lực đàn hồi của lò xo thực hiện kéo mô tơ phát điện
chuyển động đồng thời đưa trục thanh răng - piston chuyển động xuống dưới. Do
vậy, để mô tơ phát điện hoạt động ổn định độ lớn lực đàn hồi của lò xo cần thỏa
mãn FL_max ≥ Fem, với giới hạn phạm vi dao động của mô hình là 0,45 m và đồng
thời kết hợp biểu thức (2.57) hệ số đàn hồi của lò xo được xác định là 2100 N/m.
Từ các giá trị lực đàn hồi của lò xo, với mức công suất nhỏ nhất của thiết bị
được đặt ra. Trong nửa chu kỳ khi sóng biển tiến từ bụng sóng đến đỉnh sóng, phao
chuyển động đi lên, lực đẩy Acsimet của phao sẽ kéo hệ thanh răng – piston chuyển
động đi lên và mô tơ phát điện chuyển động. Kích cỡ phao thiết bị được xác định để
lực đẩy Acsimet FAcs_max cần lớn hơn các lực cản của mô tơ phát điện Fem và lực đàn
hồi lò xo FL_max. Do vậy, trong luận án phao thiết bị được lựa chọn dạng trụ tròn có
chiều cao 0,42 m, bán kính 0,4 m và lực đẩy Acsimet lớn nhất của phao nhận được
là 2124,4 N.
Để đánh giá sự hoạt động thiết bị, tác giả khảo sát mức công suất cơ hệ Pgm
của thiết bị theo hệ số cản của mô tơ phát điện trong biểu thức (2.56) ở các số liệu
sóng biển nhận được từ quan trắc và đo đạc thực tế. Xác định tối ưu hệ số cản γem
của mô tơ phát điện để công suất điện thiết bị phát ra đạt lớn nhất, các thông số mô hình được sử dụng trong tính toán như sau: ρ = 1020 kg/m3; m = 30 kg; a = 0.4 m; g = 9,81 m/s2; độ sâu nước biển z0 = 5,5 m. Hình 2.4 đưa ra đồ thị về mức công suất
46
cơ hệ Pgm của thiết bị theo hệ số cản γem tại các chu kỳ sóng biển T1 = 3,5 giây, T2 =
4,0 giây, T3 = 4,26 giây, T4 = 4,5 giây với sóng biển có biên độ 0,5 m.
Hình 2.4. Đồ thị công suất cơ hệ theo hệ số cản
Từ đồ thị hình 2.4 cho thấy các đường đặc trưng công suất cơ hệ Pgm theo hệ số cản ở các chu kỳ sóng nằm trong vùng sóng biển thực tế tại biển Hòn Dấu – Hải
Phòng, trong đó 50% là sóng biển xuất hiện với tần suất trong khoảng chu kỳ từ
3,5÷3,8 giây [36]. Do vậy, vùng hệ số cản tốt nhất của mô tơ phát điện nằm trong
khoảng từ 3000÷4000 Ns/m, tương ứng mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận được
là lớn nhất, trong khuôn khổ luận án mô tơ phát điện được chọn với hệ số cản là
3400 Ns/m. Ngoài ra, trong các tính toán khi nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện
sử dụng tại các vùng biển khác nhau, tương tự cần tính toán xác định các thông số
mô hình, lựa chọn loại mô tơ phát điện phù hợp theo từng điều kiện sóng biển thực
tế tại vùng biển thiết bị hoạt động. Để thiết bị sau khi chế tạo và đưa vào sử dụng
đạt hiệu quả.
Lựa chọn mô tơ phát điện:
Từ các kết quả tính toán và lựa chọn mức hệ số cản của mô tơ phát điện,
cùng các thông số mô hình và số liệu sóng biển thực tế cho phép xác định mức công
suất cơ hệ thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển theo biểu thức (2.8) [hay biểu
thức (2.56) khi phương trình chuyển động được xét với việc bỏ qua thành phần phi
tuyến (kN = 0)], đây là công suất cơ học kéo mô tơ phát điện hoạt động. Việc chọn mô tơ phát điện được xác định thông qua so sánh tương quan giữa Mức công suất
cơ hệ Pgm thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển để kéo mô tơ phát điện hoạt
47
động với Mức công suất điện phát ra Pm theo tốc độ chuyển động quay của mô tơ ở tài liệu kỹ thuật do nhà chế tạo đưa ra (đồng thời cần thỏa mãn Pgm ≥ Pm).
Thông qua các tài liệu kỹ thuật về mô tơ phát điện do nhà sản xuất đưa ra
hiện có trên thị trường, của các nước như: Đức, Mỹ, Nhật, Trung Quốc. Với các
phân tích đánh giá dựa theo tài liệu kỹ thuật, khả năng hoạt động của mô tơ phát
điện trong môi trường khắc nghiệt, đặc biệt trong môi trường nước biển với chu kỳ
sóng biển lớn. Do vậy, các chuyển động quay ban đầu của thiết bị nhận được dưới
tác dụng của sóng biển là rất chậm. Để thiết bị hoạt động hiệu quả, mô tơ phát điện
sử dụng trong mô hình cần lựa chọn loại hoạt động tốt ngay ở mức tốc độ chuyển
động quay thấp (do sóng biển đầu vào nhỏ), thì nguồn điện của mô tơ phát ra cần
đạt được với mức điện áp thấp nhất là 12 V (giá trị điện áp này sẽ thuận lợi để sử
dụng làm nguồn cấp điện cho các tải hoạt động ở điện áp 12 V, cũng như trong thiết
kế bộ chuyển đổi điện áp DC-AC được thực hiện ở chương 3 của luận án).
Từ các phân tích và đánh giá ở trên, trong luận án đã lựa chọn sử dụng loại
mô tơ phát điện xoay chiều ba pha sản xuất tại Mỹ của hãng Windbluepower, được
chế tạo từ nam châm vĩnh cửu loại N50 (Super Strong N50 grade Neodymium rare
earth magnets) hiệu suất cao, đồng thời sử dụng đồng bộ với bộ chuyển đổi điện áp
xoay chiều ba pha sang điện áp một chiều với nguồn điện cấp ra ổn định tại điện áp
12 VDC (xem hình 2.5) [50].
Các thông số mô tơ phát điện:
Công suất phát điện hoạt động ổn định đến 1500 W
Tốc độ quay phát điện đạt 12 V ngay tại 130 vòng/phút
Điện áp cấp ra: 12÷110 V
Cường độ dòng điện: 1÷18 A
Khối lượng: 11 lbs
Nước sản xuất: Mỹ
a. Mô tơ phát điện xoay chiều ba pha b. Bộ chuyển đổi ổn định điện áp
Hình 2.5. Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC [50]
48
Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện theo tốc độ chuyển động
quay (vòng/phút) của mô tơ phát điện có dạng:
Hình 2.6. Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát điện
theo tốc độ chuyển động quay [50]
Từ đồ thị đặc trưng của mô tơ phát điện cho thấy khi tốc độ chuyển động
càng cao, giá trị điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát ra càng lớn, tương
ứng công suất điện nhận được từ mô tơ phát ra càng lớn. Trong đó, ngay tại tốc độ
chuyển động quay 130 vòng/phút, mức điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ
phát ra đã đạt 12 V và 1 A.
Do vậy, trong luận án với giả thiết mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhỏ
nhất cần đạt 270 W, giá trị công suất này là công suất cơ học kéo mô tơ phát điện
hoạt động. Mặt khác, từ các đồ thị về điện áp và cường độ dòng điện (trên hình 2.6)
cho ta xác định mức công suất điện Pm của mô tơ phát theo tốc độ chuyển động
quay. Ngoài ra, mức công suất điện cũng được xác định thông qua biểu thức đơn
giản Pm = UI, để thu được công suất điện phát ra 270 W (với điện áp là 36 V và
cường độ dòng điện là 7,5 A) tương ứng tốc độ chuyển động quay của mô tơ cần đạt
420 vòng/phút được xác định từ đồ thị trên hình 2.6. Do vậy, từ các số liệu sóng
biển thực tế và các thông số mô hình đã nhận được, việc tính toán thiết kế các bộ
phận cơ học để chuyển đổi từ chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng sang
chuyển động quay tròn và tăng tốc chuyển động quay cần đảm bảo ở sóng biển nhỏ
nhất tại vùng biển thiết bị hoạt động, tốc độ chuyển động quay của mô tơ phát điện
phải đạt mức lớn hơn hoặc bằng 420 vòng/phút. Các bộ phận cơ học này sẽ được
tác giả thực hiện ở chương 3 của luận án.
49
2.3.2. Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao
Từ đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát điện
phát ra theo tốc độ chuyển động quay trên hình 2.6, để năng lượng điện thiết bị phát
ra đạt lớn nhất, thiết bị cần thực hiện tăng tốc chuyển động quay từ các chuyển động
quay nhận được do sóng biển truyền đến lên chuyển động quay nhanh tại mô tơ
phát điện và đảm bảo hiệu suất chuyển đổi η của thiết bị là lớn nhất. Việc tính toán
khảo sát mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển
theo các kích thước mô hình ở các chu kỳ sóng biển thực tế, cụ thể trong tính toán
khảo sát phao thiết bị có dạng trụ tròn bán kính phao được thay đổi từ 0,35÷0,55 m,
hệ số cản của mô tơ phát điện là 3400 Ns/m và hệ số đàn hồi của lò xo là 2100 N/m.
Kết quả tính toán đưa ra bức tranh đầy đủ về mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị
nhận được từ năng lượng sóng biển. Trong bảng 2.1 đưa ra các giá trị công suất cơ
hệ Pgm của thiết bị nhận được tại các chu kỳ sóng biển từ 3,5÷4,5 giây, nằm trong
miền sóng biển xuất hiện chủ yếu tại biển Hòn Dấu – Hải Phòng. Hình 2.7 đưa ra
các đồ thị về công suất cơ hệ của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển theo
tần số với bán kính phao thay đổi từ 0,35÷0,55 m.
Hình 2.7. Các đường đặc trưng công suất cơ hệ theo tần số góc
50
Bảng 2.1. Công suất cơ hệ Pgm theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển
Bán kính Khối Công suất Công suất Công suất Công suất
phao a lượng Pgm (W) Pgm (W) Pgm (W) Pgm (W) (m) m (kg) tại T=3,5 (s) tại T=4,0 (s) tại T=4,26 (s) tại T=4,5 (s)
246,0 0,35 25,52 283,2 228,8 214,1
264,3 0,36 26,39 305,8 245,2 229,1
282,8 0,37 27,27 328,8 261,8 244,0
301,4 0,38 28,17 352,1 278,4 259,1
320,0 0,39 29,08 375,7 295,0 274,0
338,7 0,4 30,01 399,5 311,2 288,9
357,4 0,41 30,94 423,4 328,1 303,7
375,9 0,42 31,90 447,3 344,4 318,3
394,2 0,43 32,86 471,2 360,5 332,7
412,4 0,44 33,84 492,9 376,4 346,8
430,6 0,45 34,84 518,5 392,1 360,8
447,9 0,46 35,85 541,9 407,5 374,4
465,3 0,47 36,87 564,9 422,6 387,7
482,2 0,48 37,91 587,5 437,5 400,8
498,8 0,49 38,96 609,9 451,7 413,5
515,1 0,5 40,03 631,9 465,7 425,8
530,9 0,51 41,10 653,2 479,4 437,9
546,3 0,52 42,20 667,4 492,7 449,6
561,3 0,53 43,30 694,9 505,7 460,9
575,9 0,54 44,43 714,9 518,5 471,9
590,1 0,55 45,56 734,5 530,4 482,6
Hình 2.8 đưa ra đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa công suất cơ hệ của thiết
bị theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển T1 = 3,5 giây, T2 = 4,0 giây, T3 = 4,26
giây và T4 = 4,5 giây có dạng:
51
Hình 2.8. Đồ thị công suất cơ hệ theo bán kính phao
Từ các kết quả tính toán đã nhận được trên các hình 2.7 và hình 2.8, cho ta
xác định mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị theo kích thước phao, biên độ và tần
số của sóng biển. Khi bán kính phao càng lớn, mức công suất cơ hệ của thiết bị
nhận được càng lớn và công suất giảm dần ở chu kỳ sóng biển lớn. Do vậy, trong
các tính toán với mức công suất phát điện của thiết bị được đặt ra, kết hợp các số
liệu đã biết về sóng biển thực tế cho phép ta lựa chọn được kích thước phao và các
thông số mô hình phù hợp. Nhằm tạo ra một thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển hoạt động hiệu quả, nhỏ gọn và đáp ứng được mục đích sử dụng trong thực tế.
Với các thông số của mô hình đã được xác định ở trên, cùng giả thiết khi
thiết bị hoạt động ở sóng biển có độ cao từ 1 m trở lên trong mô hình sẽ chịu tác
động của sự phi tuyến lò xo. Trong mục tiếp theo của luận án, tác giả khảo sát mô
hình với ảnh hưởng của thành phần phi tuyến lò xo, các tính toán được thực hiện
bằng mô phỏng số. Nhằm xác định mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được
từ năng lượng sóng biển, quỹ đạo chuyển động của phao và biên độ dao động của
hệ theo điều kiện thực tế của sóng biển.
52
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
Trong thực tế chuyển động của sóng biển thường có chu kỳ, biên độ luôn
thay đổi và không ổn định. Từ các số liệu quan trắc, khảo sát cho thấy độ cao sóng
biển trung bình ở ven bờ cao nhất đạt 1,2 m và ngoài khơi đạt 2 m, ở độ cao sóng
biển này mô hình sẽ chịu ảnh hưởng bởi sự phi tuyến lò xo. Chương trình tính toán
mô phỏng số được xây dựng để khảo sát sự hoạt động của thiết bị, với ảnh hưởng
phi tuyến của lò xo khi thiết bị hoạt động ở sóng biển có độ cao từ 1 m trở lên. Các thông số của mô hình được sử dụng trong tính toán như sau: ρ = 1020 kg/m3, m = 30 kg, Sb = 0,5024 m2, g = 9,81 m/s2, γem = 3400 Ns/m, kL = 2100 N/m, với độ sâu
nước biển z0 = 5,5 m là độ sâu nước biển thực tế khi thử nghiệm thiết bị hoạt động
tại biển. Quá trình tính toán mô phỏng được thực hiện ở hai trường hợp khi xét
phương trình chuyển động (2.7) với ảnh hưởng của hệ số phi tuyến lò xo kN [38] và
bỏ qua hệ số hệ số phi tuyến kN (xét bài toán tuyến tính). Theo các tài liệu tham
khảo, trong các công bố hiện tại hàm sóng biển thường được mô tả là các hàm sóng
bậc nhất (sóng tuyến tính) và hàm sóng bậc hai Stockes [18,27,38,43,51,52]. Do vậy
trong luận án, tác giả thực hiện tính toán khảo sát sự hoạt động của thiết bị ở cả hai
trường hợp khi xét hàm sóng biển là sóng bậc nhất và sóng bậc hai Stockes.
Trong sơ đồ khối của chương trình mô phỏng số được mô tả ở hình 2.9, khối
I thực hiện giải phương trình chuyển động phi tuyến (2.7) của mô hình theo phương
jZ trong sơ đồ khối) và
pháp Runge – Kutta bậc 4, kết quả nhận được chuỗi giá trị số z(t) (là chuỗi số liệu
jZ ) theo thời gian. Khối II thực
)(tz
)( 1
)( 2
(là chuỗi số liệu
hiện tính tích phân số biểu thức (2.8) xác định mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận
được từ năng lượng sóng biển, thuật toán tính tích phân số được thực hiện theo phương pháp Simpson. Trong đó, Z(i+1) bằng tổng của Z(i) và trung bình có trọng số
của bốn gia số k1, k2, k3, k4 với mỗi gia số là tích của bước chia thời gian Δt, ps là họ
các tham số đầu vào được xác định từ các thông số của mô hình và hàm sóng biển,
hàm f được xác định từ phương trình (2.7) và hàm Q được xác định từ biểu thức
(2.8). Chương trình mô phỏng số được tác giả lập trình trên phần mềm Matlab, với
53
máy tính sử dụng trong tính toán loại PC Intel (R) Pentium (R) CPU G2030 @
3.00GHz, 2 core RAM 4.00 GB.
Lưu đồ thuật toán thực hiện tính toán mô phỏng số:
Bắt đầu
Khối I
Thông số đầu vào t0, Z0, Δt, tmax, ps
ti:= ti+1 Tính toán: k1 = f(ti, Zi, ps)
t 2
t 2 t
, Z(i) + k2 = f(ti+ k1, ps)
t 2
2
, Z(i) + k3 = f(ti+ k2, ps)
k4 = f(ti+Δt, Z(i) + Δtk3, ps)
i )(
Z
Z
(
k
2
k
2
k
k
)
6/
)1( i
t
1
2
3
4
ti+1:= ti + Δt
Khối II
ti+1≥ tmax Sai
kq
ZQ (
)
41
j p )( , 2
s
j
,...3,1
Tích phân (2.8) theo Simpson: n 1 Đúng
n
2
Z
Z
kq
2
2
ZQ (
)
j )( 1
ZZ ; 1
j )( 2
2
j p )( , 2
s
j
,...4,2
Q
(
)
Q
(
)
,
Z
p
Z
,
p
n )( 2
s
P
gm
t 3
)0( 2 kq 1
s kq
2
Xuất kết quả
Kết thúc
Hình 2.9. Sơ đồ khối của chương trình
54
Kiểm chứng chương trình
Để đánh giá độ tin cậy của chương trình đã xây dựng, tác giả thực hiện tính
toán mô phỏng số về công suất cơ hệ của thiết bị theo tần số góc khi gán hệ số phi
tuyến kN = 0. Thực hiện so sánh giữa kết quả tính toán mô phỏng số với kết quả
nhận được từ tính giải tích ở trên, trong tính toán phương trình sóng biển được sử
dụng là sóng tuyến tính ở công thức (2.41). Hình 2.10 đưa ra các đồ thị về đường
cong công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được theo tần số trong hai trường hợp
tính mô phỏng số và tính giải tích.
Với kết quả nhận được ở đồ thị hình 2.10, cho thấy dạng đồ thị đường cong
công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng sóng biển trong tính giải
tích và tính mô phỏng số là trùng nhau trên toàn bộ miền tần số, giá trị chênh lệch
giữa hai trường hợp là 3,45%. Do vậy, tác giả nhận thấy chương trình tính toán mô
phỏng số được xây dựng đã cho kết quả là phù hợp với các tính toán từ giải tích,
chương trình tính mô phỏng số này sẽ được sử dụng trong các tính toán khi xét hệ
hoạt động với sự ảnh hưởng phi tuyến yếu của lò xo.
Hình 2.10. Đồ thị công suất cơ hệ theo tần số góc
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
Trong tính toán này, tác giả sử dụng chương trình tính toán mô phỏng số đã
55
xây dựng, tính toán mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị nhận được từ năng lượng
sóng biển, quỹ đạo chuyển động, phân tích đánh giá sự phi tuyến của mô hình, xác
định phạm vi dao động của mô hình theo các hàm sóng biển là sóng bậc nhất và bậc
hai Stockes. Các kết quả nhận được là cơ sở để xác định chiều dài trục piston, chiều
dài thanh răng và mức tốc độ chuyển động quay của mô tơ phát điện sẽ được sử
dụng trong tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị, để thiết bị sau khi chế tạo sẽ hoạt
động trong vùng ổn định của mô tơ phát điện với công suất điện phát ra đạt tốt nhất.
Trường hợp sóng bậc nhất:
Trong phần này, hàm sóng biển tác dụng lên mô hình được tính theo biểu
thức (2.41), với biên độ sóng biển là 0,5 m và hệ số phi tuyến của lò xo được lấy kN = 630 N/m3. Thay biểu thức (2.41) vào các biểu thức (2.7) và (2.8), thực hiện giải số
)(tz
để nhận được chuỗi số liệu z(t) và theo thời gian. Các kết quả tính toán cho
phép xác định được chuyển động của phao theo thời gian, quỹ đạo chuyển động của
phao và đồ thị công suất cơ hệ Pgm của hệ thiết bị nhận được từ năng lượng sóng
biển.
- Đồ thị về dao động của phao và chuyển động của sóng biển theo thời gian
có dạng như trong hình 2.11.
Hình 2.11. Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian với sóng bậc nhất
Từ kết quả đồ thị cho thấy chuyển động của phao luôn trễ pha so với chuyển động của sóng biển là 33,60. Với biên độ của sóng biển là 0,5 m, biên độ dao động
của hệ phao ghép nối thanh răng – piston là 0,261 m.
56
- Từ công thức (2.8), thực hiện giải số ta nhận được đồ thị đường cong công
suất cơ hệ Pgm theo tần số góc của sóng biển (xem hình 2.12). Giá trị công suất tăng
dần trong vùng tần số từ 0 đến 16,17 rad/s và giảm dần khi tần số góc của sóng biển
lớn hơn 16,17 rad/s, với giá trị công suất cơ hệ lớn nhất đạt 929,99 W. Mặc khác, từ
đồ thị đường cong công suất nhận được cho ta xác định mức công suất cơ hệ của
thiết bị ở từng tần số sóng biển theo các thông số mô hình đã lựa chọn.
Hình 2.12. Đồ thị đặc trưng công suất theo tần số với sóng bậc nhất
- Hình 2.13 đưa ra quỹ đạo pha của mô hình chuyển động theo thời gian. Từ
đồ thị cho thấy quỹ đạo chuyển động có dạng đường elip khép kín, mô hình hoạt
động ổn định xung quanh vị trí cân bằng ở mặt nước biển 5,5 m (với hệ tọa độ được
gắn ở đáy biển).
Hình 2.13. Quỹ đạo pha của phao với sóng bậc nhất
57
Trường hợp sóng bậc hai:
Trong trường hợp này, các tính toán mô phỏng số được thực hiện với hàm
sóng biển tác dụng lên mô hình là hàm sóng bậc hai Stockes, xét sóng biển chuyển
)
động theo phương thẳng đứng và được viết dưới dạng [38,51,52]:
A
sin(
)
2[
cosh( 2
kz
)]
sin(
z
,
t
)2 t
zs
0
0
2 kA 4
kz cosh( 3 kz (
sinh
0 )
0
(2.59)
với A là biên độ sóng biển, ω là tần số góc của sóng biển, k là số sóng và
được xác định từ công thức [36,51,52]:
k
.
2 L
(2.60)
2
0
Trong đó, L là bước sóng được xác định từ phương trình đặc trưng [36,51,52]:
L
tanh
z 2 L
gT 2
,
(2.61)
với T là chu kỳ của sóng biển.
Thay phương trình (2.59) vào (2.7) và thực hiện biến đổi ta được phương
3
m
gS
k
)
(
z
z
)
(
kz
L
N
0
b
em
dz dt
2 zd 2 dt
trình chuyển động của hệ như sau:
2 kA
cosh(
kz
)
0
(
k
gS
)
z
mg
gS
A
sin(
)
2[
cosh( 2
kz
)]
sin(
t
L
0
b
b
0
3
4
sinh
(
kz
)
0
.)2 t
(2.62)
Phương trình (2.62) được thực hiện giải bằng tính toán mô phỏng số. Các kết
quả đưa ra đồ thị chuyển động của phao theo thời gian, quỹ đạo chuyển động của
phao và đồ thị công suất cơ hệ Pgm của hệ thiết bị nhận được từ năng lượng sóng
biển.
- Hình 2.14 là đồ thị chuyển động của phao và chuyển động của sóng biển
theo thời gian. Trong trường hợp này hàm sóng biển tác dụng lên mô hình được xét
gồm hai thành phần biên độ và tần số trong biểu thức (2.59), biên độ dao động lớn
nhất của sóng biển đạt 0,51 m và biên độ dao động của phao được ghép nối với
58
thanh răng – piston tương ứng đạt 0,262 m, trong đó chuyển động của phao là trễ
pha so với chuyển động của sóng biển.
Hình 2.14. Chuyển động của phao và sóng biển theo thời gian với sóng bậc hai
Stockes
- Đồ thị công suất cơ hệ Pgm theo tần số góc của sóng biển được đưa ra ở
hình 2.15. Giá trị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được tăng dần trong vùng tần số
từ 0 đến 16,71 rad/s và giảm dần khi tần số của sóng biển lớn hơn 16,71 rad/s, mức
công suất cơ hệ lớn nhất đạt 939,58 W. Mặc khác, tương tự như trường hợp sóng
biển bậc nhất, từ đồ thị đường cong công suất đã nhận được cho ta xác định mức
công suất cơ hệ của thiết bị tương ứng tại từng tần số sóng biển.
Hình 2.15. Đồ thị đặc trưng công suất theo tần số với sóng bậc hai Stockes
59
- Hình 2.16 là đồ thị quỹ đạo pha của phao ghép nối thanh răng – piston, từ
đồ thị ta thấy quỹ đạo pha biến đổi phụ thuộc vào hai thành phần tần số ω, 2ω và
các biên độ sóng biển tương ứng ở biểu thức sóng biển (2.59). Đường cong quỹ đạo
pha là đường khép kín, chuyển động không trơn đều và ổn định xung quanh vị trí
cân bằng ở mặt nước biển.
Hình 2.16. Quỹ đạo pha của phao với sóng bậc hai Stockes
Nhận xét:
Từ các kết quả tính toán mô phỏng số ở trên cho thấy sự chuyển động của
mô hình, quỹ đạo chuyển động và mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận được luôn
phụ thuộc vào cả biên độ và tần số của sóng biển. Mức công suất cơ hệ Pgm của thiết
bị và biên độ dao động của hệ nhận được trong trường hợp tính toán với hàm sóng
biển bậc hai Stockes là lớn hơn trong trường hợp hàm sóng biển bậc nhất, dáng điệu
các đường cong đặc trưng về công suất cơ hệ Pgm thu được trong hai trường hợp là
giống nhau (xem hình 2.12 và hình 2.15). Ở trường hợp hàm sóng biển bậc hai
Stockes, ta nhận thấy quỹ đạo pha của hệ không trơn đều với chuyển động là đường
cong khép kín và ổn định xung quanh vị trí cân bằng tại mặt nước biển.
Hình 2.17 đưa ra đồ thị chuyển động của sóng biển trong hai trường hợp
sóng bậc nhất và sóng bậc hai Stockes biến đổi theo thời gian. Ở hàm sóng bậc hai
Stockes được xét phức tạp hơn so với sóng bậc nhất, hàm sóng biển tác dụng lên mô
hình gồm hai thành phần tần số ω và 2ω, cùng biên độ sóng tương ứng như trong
60
biểu thức (2.59). Sự khác biệt giữa hai loại sóng là trong một chu kỳ, với nửa chu
kỳ khi sóng tiến từ bụng sóng đến đỉnh sóng ở hàm sóng bậc hai sóng tiến nhanh
hơn so với ở hàm sóng bậc nhất, nhưng trong nửa chu kỳ sóng biến đổi từ đỉnh sóng
xuống bụng sóng ở hàm sóng bậc hai là chậm hơn so với ở hàm sóng bậc nhất.
Hình 2.17. Chuyển động của sóng biển theo hàm sóng bậc nhất và bậc hai
Hình 2.18 đưa ra các đường cong đặc trưng công suất cơ hệ Pgm của thiết bị
theo biên độ sóng biển, với hai hàm sóng đầu vào là sóng bậc nhất và sóng bậc hai
Stockes tại tần số 1,47 rad/s.
Hình 2.18. Đồ thị đặc trưng công suất theo biên độ sóng biển
61
A
m
3.0
Từ đồ thị trên ta thấy, ở biên độ sóng biển sự khác nhau về công
suất trong hai trường hợp là rất nhỏ. Khi biên độ sóng biển lớn, giá trị công suất cơ
hệ trong hai trường hợp nhận được là khác biệt. Tại sóng biển có biên độ 0,5 m và
tần số 1,47 rad/s, giá trị công suất nhận được ở sóng bậc nhất là 292,7 W và ở sóng
bậc hai là 295,8 W. Trong trường hợp sóng biển có biên độ 1,0 m, giá trị công suất
cơ hệ nhận được ở hàm sóng biển bậc hai sẽ lớn hơn ở sóng biển bậc nhất là 6,36%.
2.4.3. Khảo sát tính phi tuyến và chuyển động của mô hình theo biên độ sóng
biển
Khảo sát tính phi tuyến của mô hình:
Để khảo sát sự ảnh hưởng phi tuyến của lò xo trong mô hình, tác giả xác định
mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ và chu kỳ sóng biển. Trong
tính toán hàm sóng biển tác dụng lên mô hình được xét theo hàm sóng bậc hai
Stockes. Hình 2.19 đưa ra các đồ thị về mức công suất cơ hệ của thiết bị theo biên
độ sóng biển tại các chu kỳ T1 = 3,5 giây, T2 = 4,0 giây và T3 = 4,5 giây, trong đó hệ số phi tuyến của lò xo được lấy kN = 630 N/m3.
Hình 2.19. 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
62
được là lớn hơn ở sóng biển có chu kỳ lớn, giá trị công suất tăng dần khi biên độ
sóng biển càng lớn. Ngoài ra, từ đồ thị đường cong công suất nhận được cho ta định
lượng mức công suất điện phát ra của thiết bị khi hoạt động thực tế tại biển.
Hình 2.20 đưa ra các đồ thị về mức công suất cơ hệ của thiết bị theo biên độ
sóng biển tại tần số sóng biển 1,47 rad/s (là tần số sóng biển xuất hiện liên tục khi
thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển), trong đó hệ số phi tuyến kN được lấy
tại các giá trị kN = 0 (xét hệ tuyến tính); kN = 630; kN = 1260 và kN = 1680.
Các kết quả nhận được cho thấy với biên độ sóng nhỏ, chẳng hạn ở biên độ
sóng A = 0,3 m, giá trị công suất chênh lệch giữa hai trường hợp khi xét hệ tuyến tính và phi tuyến với kN = 1680 N/m3 là rất nhỏ. Với sóng biển có biên độ A = 0,5
m, giá trị công suất chênh lệch trong hai trường hợp là 4,4%. Tương tự với sóng có
biên độ A = 1,5 m giá trị chênh lệch là 17,1%. Từ kết quả nhận được đã cho thấy
khi thiết bị hoạt động ở sóng biển có biên độ từ 0,5 m trở lên, sự khác biệt khi xét
mô hình có ảnh hưởng của sự phi tuyến lò xo và bỏ qua thành phần phi tuyến này là
rõ rệt.
Hình 2.20. Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ nhận được theo biên độ sóng biển
Do vậy, tác giả nhận thấy trong các nghiên cứu chế tạo thiết bị hoạt động ở
các vùng biển với sóng biển lớn, các thông số mô hình cần được tính toán và xét
đến sự ảnh hưởng của thành phần phi tuyến, để thiết bị sau khi chế tạo và đưa vào
sử dụng đạt tốt nhất.
63
Khảo sát chuyển động của mô hình theo biên độ sóng biển:
Việc khảo sát chuyển động của mô hình nhằm xác định phạm vi chuyển
động của hệ thiết bị theo biên độ sóng biển. Trong tính toán hàm sóng biển tác dụng
lên mô hình được sử dụng là hàm sóng bậc hai Stockes ở tần số sóng biển 1,47 rad/s
và biên độ sóng biển thay đổi từ 0,2÷1,5 m.
Hình 2.21. Chuyển động của phao theo biên độ sóng biển
Từ đồ thị trên cho thấy, khi sóng biển càng lớn biên độ dao động của hệ càng
cao, chẳng hạn ở sóng biển 0,3 m, biên độ dao động của hệ đạt 0,131 m. Nếu sóng
biển có biên độ 1,5 m, biên độ dao động của hệ đạt 0,836 m.
Với các kết quả nhận được về mức công suất cơ hệ Pgm của thiết bị và biên
độ dao động của hệ theo biên độ sóng biển, cho phép ta lựa chọn chiều dài trục
piston, chiều dài thanh răng, kích cỡ vỏ phần thiết bị phát điện sử dụng trong các
tính toán thiết kế. Để thiết bị chế tạo được nhỏ gọn, hoạt động hiệu quả và phù hợp
với điều kiện thực tế biển.
Kết luận chương 2
Trong chương này tác giả đã thực hiện các tính toán về mô hình thiết bị phát
điện từ năng lượng sóng biển, với các kết quả chính như sau:
Xây dựng được sơ đồ nguyên lý và mô hình cơ học của thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển. Thiết lập được phương trình chuyển động phi tuyến của mô
hình. Đã áp dụng phương pháp trung bình hóa của cơ học phi tuyến, khảo sát hiện
64
tượng cộng hưởng để thu được đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ - tần số. Chỉ
ra vùng hoạt động ổn định, mất ổn định và lựa chọn vùng hoạt động của thiết bị.
Đưa ra khả năng chế tạo thiết bị hoạt động trong miền phi tuyến sử dụng tại các
vùng biển có biên độ sóng lớn, với năng lượng thiết bị nhận được là lớn nhất.
Đã khảo sát bài toán tuyến tính 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 số liệu sóng biển
thực tế tại biển Hòn Dấu – Hải Phòng. Từ giá trị hệ số cản của mô tơ phát điện đã
nhận được, trong luận án đã lựa chọn loại mô tơ phát điện công nghiệp của hãng
Windbluepower với công suất phát điện ổn định đến 1500 W, trong đó điện áp phát
ra đạt 12 V và cường độ dòng điện 1 A ngay tại tốc độ chuyển động quay 130
vòng/phút.
Đã xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số, tính toán mô phỏng số sự
hoạt động của thiết bị được xét đến với ảnh hưởng của phi tuyến lò xo. Trong các
tính toán đã sử dụng phương pháp Runge – Kutta bậc 4 để giải phương trình chuyển
động phi tuyến và tính tích phân số theo phương pháp Simpson. Xác định được quỹ
đạo chuyển động của phao, mức công suất cơ hệ thiết bị nhận được từ năng lượng
sóng biển. Khảo sát tính phi tuyến của hệ và biên độ dao động của mô hình theo
biên độ sóng biển.
Từ các thông số mô hình về kích thước phao thiết bị, hệ số đàn hồi của lò xo,
mức công suất cơ hệ của thiết bị và biên độ dao động của mô hình theo biên độ
sóng biển đã nhận được. Các thông số này sẽ được sử dụng làm cơ sở để tính toán
thiết kế và chế tạo thiết bị như: chiều dài của thanh răng, chiều dài trục piston, kích
cỡ vỏ thiết bị và tỷ lệ chuyển đổi của bộ tăng tốc chuyển động quay sẽ được thực
hiện ở chương 3 của luận án.
Kết quả chương 2 được công bố trong 03 công trình [3], [4] và [5] trong
Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của tác giả.
65
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
Từ các kết quả tính toán và mô phỏng số đã nhận được ở chương 2, trong
chương 3 thực hiện các tính toán thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ học, tính toán
thiết kế và chế tạo phần điện; Thực hiện lắp ghép và hiệu chỉnh thiết bị. Thiết bị
được chế tạo nhỏ gọn, phù hợp với khả năng gia công chế tạo ở trong nước. Nguồn
điện từ thiết bị phát ra được tính toán ổn định ở 2 mức điện áp 12 VDC, 220 VAC
tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia 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.
3.1. Cấu trúc tổng thể của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
Thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển được tính toán thiết kế và chế tạo
để chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang điện năng. Trong thiết bị chế tạo được
ghép thêm phần phát điện từ pin năng lượng mặt trời lắp đặt trên mặt phao. Mục
đích nhằm tạo ra hệ thiết bị phát điện hoạt động hiệu quả, nhưng không làm thay
đổi bản chất của mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, giải quyết
trường hợp khi biển lặng không có sóng thiết bị vẫn duy trì đèn báo hiệu gắn trên
mặt phao hoạt động với nguồn điện từ pin năng lượng mặt trời cung cấp. Ngoài ra
nếu không có nhu cầu sử dụng, phần pin năng lượng mặt trời sẽ được tháo bỏ mà
không làm ảnh hưởng đến sự hoạt động của thiết bị. Do vậy, thiết bị sẽ hoạt động
hiệu quả, đặc biệt trong ứng dụng làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp
điện cho các đèn hải đăng báo biển. Hình 3.1 đưa ra sơ đồ khối tổng thể về thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển, với các khối bộ phận chính sau:
- Khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển: nhận năng lượng từ sóng
biển và chuyển đổi sang điện năng, trong đó năng lượng sóng biển từ phao được
truyền đến mô tơ phát điện qua hệ thống các cơ cấu bộ phận, với tốc độ chuyển
động quay của mô tơ phát điện luôn không ổn định. Do vậy điệp áp của mô tơ phát
điện phát ra luôn thay đổi và không ổn định.
- Khối ổn định điện áp và cấp ra: nhận điện áp từ khối thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển, duy trì ổn định điện áp nạp vào ắc quy tích trữ ở mức 12
66
VDC, đồng thời cung cấp điện áp ổn định đến khối chuyển đổi DC-AC và tải sử
dụng ở điện áp 12 VDC.
- Khối chuyển đổi DC-AC: chuyển đổi từ điện áp 12 VDC sang điện áp xoay
chiều 220 VAC tần số 50 Hz thực sine, theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam
và cấp điện đến tải sử dụng.
- Ắc quy: để tích trữ năng lượng và duy trì ổn định điện áp cấp ra đến khối
Pin mặt trời
Phao
chuyển đổi DC-AC và tải sử dụng.
Dây nối truyền lực từ phao đến mô tơ phát điện
12 VDC
Khối ổn định điện áp và cấp ra Khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển Khối chuyển đổi DC - AC 220 VAC 50 Hz
Ổn áp nạp
Vỏ thiết bị
Ắc quy
Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển
Ngoài ra, panel pin năng lượng mặt trời được thiết kế gắn trên mặt phao của
thiết bị. Điện từ pin năng lượng mặt trời phát ra được ổn áp nạp chung vào ắc quy ở
mức 12 VDC, board mạch nạp ổn định điện áp tại 12 VDC của pin năng lượng mặt
trời được thiết kế ghép chung trong toàn bộ thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển. Do vậy kết quả chính của luận án sẽ tạo ra một mẫu thiết bị phát điện từ năng
lượng sóng biển có lai kèm pin năng lượng mặt trời rất hữu ích, đảm bảo trong
những ngày biển lặng không có sóng thiết bị vẫn có điện từ pin năng lượng mặt trời
67
cung cấp duy trì đèn báo hiệu trên phao hoạt động (ngoài ra, nếu không cần sử
dụng phần phát điện từ pin năng lượng mặt trời, ta hoàn toàn tháo bỏ phần pin
năng lượng mặt trời và board mạch nạp ổn áp ra khỏi mô hình mà không làm ảnh
hưởng đến sự hoạt động của thiết bị).
3.2. Tính toán thiết kế các bộ phận cơ học
3.2.1. Phân tích cấu trúc cơ hệ trong thiết bị
Trong thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, phần cơ học được tính toán
xây dựng với các cơ cấu bộ phận chính của thiết bị như sau [33,41]:
Hình 3.2. Cấu trúc tổng thể phần cơ hệ của thiết bị [33]
Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy, khi sóng biển tác dụng lên phao (1), làm phao
chuyển động lên xuống theo chu kỳ của sóng biển. Phao sẽ truyền lực qua dây cáp
(2) kéo trục thanh răng - piston (4) chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng,
khi chuyển động thanh răng sẽ chuyển động lên xuống nằm trong phần thiết bị và
vỏ trục piston. Lò xo (9) được gắn cố định xuống đáy vỏ thiết bị và nối với trục
thanh răng (4) để kéo trục trở lại khi sóng biển hạ xuống. Gioăng phớt (3) được gắn
chặt trên vỏ thiết bị (11) khép khít với vỏ trục piston (4) ngăn nước không thấm
68
vào. Lực cơ học từ trục (4) phần nằm trong vỏ thiết bị ghép thanh răng sẽ kéo cụm
bánh răng (5) chuyển động, truyền chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng
sang chuyển động quay tròn, hệ khớp cá (6) chỉ cho phép cụm bánh răng (5) truyền
chuyển động quay theo một chiều cố định. Từ cụm bánh răng (5) sẽ truyền chuyển
động quay đến bộ phận tăng tốc chuyển động (7) để tăng tốc chuyển động của sóng
biển lên nhiều lần (do sóng biển chuyển động với chu kỳ thường trong khoảng từ
2÷8 giây, nên chuyển động nhận được từ phao là rất chậm). Bộ tăng tốc chuyển
động (7) một đầu được ghép nối với cụm bánh răng (5), đầu còn lại được ghép nối
với mô tơ phát điện (8) bởi khớp nối. Các trục đỡ (10) được gắn xuống vỏ thiết bị
để lắp đặt cố định các cụm chức năng (5, 7 và 8). Vỏ thiết bị (11) được chế tạo đảm
bảo ngăn nước không thấm vào, có khả năng hoạt động ổn định lâu dài ở biển và
được thiết kế chế tạo dạng trụ tròn. Khung giá đỡ (12) được ghép nối cố định với vỏ
thiết bị (11), định hướng dây cáp kéo trục thanh răng - piston (4) chỉ chuyển động
lên xuống theo phương thẳng đứng từ phao truyền lực đến phần thiết bị phát điện
gắn ở đáy biển.
3.2.2. Tính toán thiết kế các cơ cấu bộ phận trong thiết bị
Hình 3.3 là cấu trúc của lõi thiết bị phát điện, các bản vẽ thiết kế được thực
hiện trên các phần mềm chuyên dụng Solidworks và AutoCad. Các cơ cấu bộ phận,
các khối chức năng được tính toán lắp đặt và ghép nối phù hợp trong thiết bị (với
trình tự các bước thực hiện trong thiết kế, các bản vẽ thiết kế chi tiết được đưa ra ở
phụ lục B) [33,39].
Hình 3.3. Cấu trúc lõi thiết bị phát điện
69
Từ kết quả tính toán ở chương 2 về mức công suất cơ hệ của thiết bị, biên độ
dao động của mô hình theo biên độ sóng biển đã nhận được (hình 2.21) với phạm vi
dao động của mô hình trong khoảng 0,45 m. Trên cơ sở các số liệu sóng biển thực
tế tại biển Hòn Dấu – Hải Phòng [36], đồ thị về đường đặc trưng điện áp và cường
độ dòng điện của mô tơ phát điện theo tốc độ chuyển động quay sử dụng trong thiết
bị trên hình 2.6, cũng như khả năng gia công chế tạo ở trong nước và thực hiện thử
nghiệm thiết bị hoạt động thực tế ở biển. Các thông số chính của thiết bị được đưa
ra trong bảng 3.1, đồ thị tốc độ chuyển động quay của mô tơ phát điện theo biên độ
sóng biển trong mô hình thiết bị được đưa ra ở hình 3.4.
Bảng 3.1. Các thông số chính trong mô hình
Thông số Giá trị
Chiều dài vỏ trục piston (mm) 400
Chiều dài thanh trục piston (mm) 450
Chiều dài thanh răng (mm) 450
Đường kính bánh răng (mm) 60
Bộ tăng tốc chuyển động 1:30
Hình 3.4. Tốc độ chuyển động quay của mô tơ theo biên độ sóng biển
Từ kết quả đồ thị cho thấy, nếu thiết bị hoạt động ở biển với độ cao sóng từ
0,5÷1,4 m, tương ứng tốc độ chuyển động quay của mô tơ phát điện sẽ đạt từ
70
495,5÷1618 vòng/phút. Đối chiếu với đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng
điện của mô tơ phát điện phát ra theo tốc độ chuyển động quay (xem hình 2.6), ta
thấy mức tốc độ chuyển động quay này nằm trong vùng hoạt động ổn định và hiệu
quả của mô tơ phát điện, đồng thời thỏa mãn mức tốc độ quay nhỏ nhất cần đạt
được khi thiết bị hoạt động. Do vậy, tác giả nhận thấy thiết bị sau khi chế tạo và đưa
vào sử dụng sẽ có công suất điện phát ra đạt tốt nhất.
Xác định kích thước và khối lượng các cơ cấu bộ phận của thiết bị:
- Khối lượng thanh răng được xác định [53,54]:
(3.1) mrack = DWrLrTr - mk .
r
,
Trong đó mk là khối lượng phần vật liệu khoét răng và được xác định bởi:
m k
r TLDW k 2
(3.2)
với: Wr = 21 mm là chiều rộng thanh răng, Lr =450 mm là chiều dài thanh răng, Tr = 20 mm là chiều cao thanh răng, hệ số D = 7,7 g/cm3 là mật độ khối lượng
của thép SKD 11 sử dụng chế tạo thanh răng và Tk =3 mm là độ sâu của răng. Do
vậy khối lượng của thanh răng là 1,346 kg.
- Khối lượng trục piston:
2LpD,
(3.3) mpiston = πRp
trong đó Rp = 11 mm, Lp = 450 mm là bán kính và chiều dài thanh trục
piston. Do vậy khối lượng của thanh trục piston là 1,316 kg. Trong đó trục piston và
vỏ trục piston được tác giả thiết kế theo kích thước mô hình xi lanh thủy lực của
hãng Kracht – Đức, trên cơ sở đó các gioăng phớt công nghiệp sẽ được đưa vào sử
dụng trong mô hình thiết bị của luận án [55].
k
.
- Các thông số của lò xo được xác định từ biểu thức [56,57]:
S
8
4 Gd s 3 nD S
(3.4)
Trong đó, kS = 2100 N/m là hệ số đàn hồi của lò xo đã nhận được từ kết quả
tính toán ở chương 2. Do vậy, các thông số của lò xo được xác định tương ứng ds =
71
4 mm là đường kính dây, DS = 33 mm là đường kính lò xo và G = 7,6923.1010 N/m2
là hệ số mô đun trượt (Shear modulus) và số vòng của lò xo là n = 32,6 vòng.
2
2
)
dD
(
2
2
R 1
2
m
R
)
dD
,
(
- Khối lượng bánh răng được xác định:
pinion
R 1
3
R 2
(3.5)
với: R1 = 30 mm là bán kính đỉnh răng, R2 = 27 mm là bán kính đáy răng, R3
= 7,5 mm là bán kính của lỗ trục bánh răng, d =10 mm là chiều rộng bánh răng, hệ số D = 7,7 g/cm3 là mật độ khối lượng của thép SKD 11 sử dụng chế tạo bánh răng.
Thực hiện tính ta được khối lượng của bánh răng là 0,183 kg.
3.2.3. Tính toán thiết kế vỏ thiết bị
Thiết kế vỏ phần thiết bị phát điện:
Vỏ phần thiết bị phát điện được tính toán thiết kế trên cơ sở kích thước của
cấu trúc lõi thiết bị đã được tính toán thiết kế và lắp đặt trên hình 3.3, vật liệu sử
dụng để chế tạo là thép 304 [53,54,58,59]. Hình 3.5 đưa ra cấu trúc tổng thể vỏ
phần thiết bị phát điện, chân đế và các cơ cấu bảo vệ để thiết bị hoạt động ổn định ở
Φ2
Φ1
biển [33].
Φ3
l
h2
h3
Φ4
h2
h1
a. Cấu trúc vỏ thiết bị b. Tổng thể vỏ thiết bị và chân đế
Hình 3.5. Tổng thể vỏ phần thiết bị phát điện
72
Các thông số chính của vỏ phần thiết bị phát điện gồm:
- Đường kính vỏ thiết bị: Φ1 = 500 mm
- Đường kính vành đai thiết bị: Φ2 = 600 mm
- Đường kính lỗ bắt ốc nắp và đế thiết bị: Φ3 = 8,5 mm
- Đường kính ống đi dây để cấp điện ra của thiết bị: Φ4 =14 mm
- Chiều cao vỏ thiết bị: h2 = 750 mm
Khối lượng vỏ phần thiết bị phát điện được xác định như sau:
(3.6) mvo = D(Scanh + Snap + Sday + Sđai)T,
trong đó: diện tích cạnh vỏ Scanh = 1,1775 m2, diện tích nắp Snap = Sday = 0,2826 m2, diện tích vành đai để bắt nắp Sđai = 0,0863 m2, độ dày T = 3 mm và mật độ khối lượng của thép 304 D = 7,93 g/cm3. Do vậy khối lượng của vỏ phần thiết bị
phát điện là 43,51 kg.
Ngoài ra, chân đế thiết bị được thiết kế chế tạo dạng bê tông khối trụ tròn
đường kính 1300 mm với chiều cao h1 = 250 mm, trên mặt chân đế có gắn 8 đinh ốc
loại 8 mm đặt cố định trên vòng tròn đồng tâm đường kính 550 mm để bắt nối ghép
với phần vỏ thiết bị phát điện. Giá định hướng dây cáp chuyển động lên xuống theo
phương thẳng đứng, được thiết kế sử dụng thép 430 loại V4, chiều cao h3 = 750 mm.
Chiều dài các thanh gia cố phần thiết bị phát điện l = 1634 mm.
Thiết kế phao:
Từ các kết quả tính toán và mô phỏng số về mức công suất cơ hệ của thiết bị
nhận được từ năng lượng sóng biển. Với các thông số cơ hệ đã xác định, phao của
thiết bị được thiết kế với sơ đồ chi tiết như hình 3.6 [33,54].
Tổng khối lượng phao được xác định như sau:
(3.7) mphao = D(Scanh + Snap + Sday + Sđai)T + mt .
Với mt là khối lượng 6 thanh thép ở đáy phao để nối dây cáp, truyền lực từ
2D.
phao xuống trục thanh răng - piston và được xác bởi công thức:
(3.8) mt = 6 L3πRt
73
Với các thông số chính của phao đã nhận được từ các tính toán ở chương 2
như sau:
- Phao dạng trụ tròn, đường kính phao: Φ5 = 800 mm
- Chiều cao của phao: L2 =420 mm
- Đường kính của vành đai (để bắt ốc nắp phao) và nắp phao: Φ6 = 900 mm
- Đường kính lỗ bắt ốc nắp phao: Φ7 = 8,5 mm
- Độ rộng vành đai bắt ốc nắp phao: L1 =50 mm
Trong đó: diện tích cạnh vỏ phao Scanh = 1,055 m2, diện tích nắp phao Snap = 0,6358 m2, diện tích đáy phao Sday = 0,5024 m2, diện tích vành đai bắt nắp phao Sđai = 0,1334 m2, độ dày T = 1,4 mm, bán kính thanh nối cáp Rt= 3 mm và chiều dài
thanh L3 = 480 mm, trên vành đai bắt nắp phao (cũng như vành đai bắt nắp vỏ phần
thiết bị phát điện) được thiết kế khe gioăng đặt giữ gioăng cao su ngăn nước thấm
vào khi đóng nắp để thiết bị hoạt động. Thay các giá trị vào công thức (3.7) và công
thức (3.8), khối lượng của phao nhận được là 26,48 kg.
Hình 3.6. Cấu trúc phao thiết bị
74
3.3. Tính toán thiết kế phần điện
Qua các phân tích và tính toán, phần điện trong thiết bị được tính toán thiết
kế sử dụng mô tơ phát điện xoay chiều ba pha, kết hợp đồng bộ với bộ chuyển đổi
điện áp xoay chiều ba pha sang điện áp một chiều và ổn định tại điện áp 12 VDC
loại công nghiệp hiệu suất cao được sản xuất tại Mỹ của hãng Windbluepower.
Điện áp của mô tơ phát điện phát ra sau khi được ổn định điện áp tại 12 VDC được
truyền đến bộ chuyển đổi DC-AC để chuyển đổi điện áp từ 12 VDC sang 220 VAC
tần số 50 Hz thực sine và cấp điện đến tải sử dụng. Hình 3.7 đưa ra sơ đồ khối phần
điện trong mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển được xây dựng gồm
các khối chức năng sau:
Mô tơ phát và ổn áp 12 VDC
220 VAC 50 Hz Chuyển đổi
DC-AC
Ắc quy 12 VDC
Hình 3.7. Sơ đồ khối phần điện trong thiết bị
Trong luận án, bộ chuyển đổi DC-AC được tính toán thiết kế để chuyển đổi
điện áp từ 12 VDC sang 220 VAC tần số 50 Hz, với công suất thiết kế 2000 W và
chất lượng điện áp phát ra thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam.
Ngoài ra, trong bộ chuyển đổi DC-AC được thiết kế tích hợp cùng mạch bảo vệ
thiết bị khi hoạt động. Mạch bảo vệ được tính toán thiết kế để kiểm soát sự hoạt
động của thiết bị theo các điều kiện về sự quá tải, quá nhiệt và điện áp yếu. Trong
quá trình hoạt động nếu một trong các điều kiện này xảy ra thiết bị sẽ tự động ngắt
cấp điện tại đầu ra, nhằm bảo vệ an toàn cho toàn bộ hệ thống thiết bị cũng như an
toàn cho các thiết bị sử dụng điện.
Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch chuyển đổi DC-AC và bảo vệ được xây dựng
trên phần mềm thiết kế mạch điện tử Proteus như sau [39,61]:
75
U6
1
2
IN
GND
T U O
C9 2200uF
+
C8 104
7815
U4
3
R40
V 12
D1
2.2R
T7
10
5
1
5
3
D2
HIN
VS
D11
C13
10uF
+
12
6
Q11 40N60
1
LIN
VB
D22
Q7 IRF140
104
C12
IR2110
2 3
6 7
2
D21
1
11
R25 3.3K
4148 R24
SHDN
D19
7
VCC
DIODE
R13 R
HO
2
3
D23
4
8
-
+
4
2
1
COM C 13 VSS C V
D D LO V
D12 22R
Q12 40N60
1
3
9
U5
Q8 IRF140
2
2
C D V 0 3 3
4148 R26
3
R27 3.3K C21 105
3
OUT
D3
DB102
7805
T8
R14 R
I
D N N G
1
5
D4
1
22R
R1
3
D24
Q1 IRF140
D13
2 3
6 7
+ C11
C10 104
Q13 40N60
1
U1
+ C6
R
C7 104
470uF
4
5
R2 R
RST
CV
470uF
D25
2
VCC 4
8
R29 3.3K
4148 R28
3
6
OUT
THR
L1 294SN
R3
L2 294SN
IR4427
3
2
7
Q2 IRF140
D14
TP2
22R
TRG
DSCHG C4
1
Q14 40N60
R30
R
C C C C D D D D V V V V 0 0 0 0 3 3 3 3 3 3 3 3
1
8
S
3
1
R4 R
GND
VCC
S
2
3
1
R21
4148
D5
T9
R31 3.3K
+
1
2
1
5
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
22R
1
2
0.15R
5
8
D6
330uF C5
R5
T13
C22 104
1
10K
D26
Q3 IRF140
1
+
C24 104
1
R23
R20
2 3
6 7
1
4
1
R22
R19
C3
VCC
330uF
R
10K
+
D8 DIODE
R6 R
R41
D27
K 0 5 1
U8
330uF
4
8
3
D15
C23
K 0 5 1
2
10
5
225
220V AC 220V AC
2
R7
2.2R
HIN
VS
Q15 40N60
1
R52
2
C15
10uF
TP1
Q4 IRF140
2
+
C19 225
12
6
3.3K
3.3K R44
+ C2
2
R33 3.3K
4148 R32
LIN
VB
R
H u 0 2 2
104
C14
330uF
R8 R
L
11
D7 D20
IR2110 SHDN
7
T10
3
HO
C18 225
2
1
5
22R D16
D33
DIODE
1
Q16 40N60
1
COM C 13 VSS C V
R9
D D LO V
D28
Q5 IRF140
3
9
2
2 3
6 7
4148 R34
D29
R35 3.3K C20 105
R
VCC
R10 R
4
8
22R
1K
1K
1K
1K
1K
5
8
R11
R48
R49 10K
R45
R43
Q6 IRF140
3
R46
R42
T14 TRANSFORMER ISOLATED
D17
1
4
R
Q17 40N60
1
R12 R
U7 3 1
2 1
1 1
0 1
4 1 9
8
C D V 0 3 3
D9
T11
2
1
5
R37 3.3K
6 B R
5 B R
4 B R
3 B R
2 VDD B R
4148 R36
15
D10
7 B R OSC2/CLKOUT
R47 10K
C16 22n
R15
7
3
RB1
I
Y 1 20M
Q9 IRF140
D18 22R
2 3
6 7
DIODE
Q18 40N60
1
16
6
D30
R
/
VCC
R16 R
D31
5
22n C17
2
K C O OSC1/CLKIN R T L 4 3 C A A M R R
RB0/INT 0 A R
2 A R
1 A GND R
4
8
R39 3.3K
4148 R38
4
3
2
1
7 1
8 1
C1 0.1uF
U10
U9
R17
3
4
3
4
16F716
Q10 IRF140
22R
R51 330R
R
2
1
2
1
R18 R
VDK
521
R50 521 22R
DD
V 12
C29
U20
Q20
C26
C25 33
R59 1.8K
Y 2
10u
A1013
33
8 11
C1 C2
5VDC
R57 10K
1 2 16 15
D32
20M
IN1+ IN1- IN2+ IN2-
R56
5.6K
9 10
R58
E1 E2
U19A
4
18k
4148
U12A
4
C27
5 CT 6 14 RT
3
+
VREF
C28
103
Q21
1
3
+
393
2
1
-
A1013
2
-
R55
3 4 13
COMP DTC OC
1 1
C28
LM324
1 1
2.2K
12
D34
LM324
VCC
4.7u
R54
1M
TL494C
4148
470R
R58
TIP41C
Q19
LS2
R10-E1Y 2-V52
4 1
10
9
8 7
3 E R
0 A R
1 A R
2 A R
3 A R
4 A R
5 A R
0 E R
1 E R
2 E R
S S V
0 C R
1 C R
2 C R
3 C R
0 D R
1 D R
D D V
6
5VDC
VCCVCCVCCVCCVCCVCC 5
1 C S O 7 A R
2 C S O 6 A R
12VDC
P F
/
3
U21A LM339
12VDC AQ
Sensor 7
+
1
I
-
4 7 C L 6 1 C P
6 Ap chuan
2 1
7 B R
6 B R
5 B R
4 B R
3 B R
2 B R
1 B R
0 B R
D D V
S S V
7 D R
6 D R
5 D R
4 D R
7 C R
6 C R
5 C R
4 C R
3 D R
2 D R
U11
5VDC
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DC-AC và bảo vệ [39]
3.3.1. Tính toán thiết kế tối ưu bộ chuyển đổi DC-AC
Cấu trúc mạch chuyển đổi DC-AC được xây dựng gồm bốn khối bộ phận
chính, thực hiện chuyển đổi từ điện áp 12 VDC sang điện áp 220 VAC tần số 50 Hz
thực sine, trong đó việc thiết kế tối ưu được thực hiện theo tiêu chí tổn hao năng
lượng là nhỏ nhất và chất lượng điện áp phát ra theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia
Việt Nam. Chức năng của từng khối bộ phận được tính toán và thiết kế với các sơ
đồ mạch chi tiết sau.
76
Mạch tạo dao động xung sử dụng IC TL494C:
Mạch dao động sử dụng IC TL494C để tạo ra hai tín hiệu dao động luôn
ngược pha nhau tại tần số 33 kHz, tín hiệu được lấy ra ở chân 9 và 10 của IC
TL494C (xem hình 3.9). Trong đó mạch dao động RC với điện trở R56 = 33 kΩ và
tụ điện C27 = 1 nF được nối ghép tại chân 5 và 6 của IC [32,60-62]. Hai tín hiệu dao
động ngược pha này có chức năng phối ghép đầu vào với tầng khuếch đại điện áp
DC-DC để khuếch đại điện áp từ 12 VDC lên 330 VDC thông qua các cuộn biến áp
ferrite.
.
f
Với tần số mạch dao động RC được xác định bởi công thức [32,60,62,66,69]:
1,1 RC
(3.9)
Trong đó hai tín hiệu dao động ngược pha được khuếch đại ổn định và đưa
V 12
C30
U20
Q20
R59 1.8K
10u
A1013
8 11
C1 C2
R57 10K
1 2 16 15
D32
IN1+ IN1- IN2+ IN2-
R58
R56
33K
9 10
E1 E2
18k
4148
C27
5 CT 6 14 RT
VREF
C29
102
Q21
393
A1013
R55
3 4 13
COMP DTC OC
C28
2.2K
12
D34
VCC
4.7u
R54
1M
TL494C
4148
đến hai đầu vào ở cuộn sơ cấp biến áp ferrite.
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động IC TL494C [60]
Mạch tạo dao động với microchip PIC16F716:
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tạo tín hiệu xoay chiều thực sine,
trong luận án sử dụng nguồn tạo dao động từ microchip PIC16F716 gồm 18 chân
với tần số lấy mẫu 20 MHz, tần số chuyển mạch 20 kHz, để phát ra hai tín hiệu dao
động sine luôn ngược pha và cấp đến hai nửa mạch cầu H. Tín hiệu mức cao được
đưa đến chân 10 (H_IN) và mức thấp đến chân 12 (L_IN) của hai IC IR2110 và
xuất ra tại chân 1 và 7 của chúng. Ở đây IC IR2110 có chức năng khuếch đại, ổn
77
định và đồng bộ tín hiệu phát, đồng thời so sánh nhận phản hồi về từ đầu ra, ngoài
ra có thể sử dụng để điều khiển ngắt tín hiệu phát ra qua chân 11 của chúng thông
U4
10
5
HIN
VS
12
6
LIN
VB
IR2110
11
SHDN
7
HO
2
1
COM C 13 VSS C V
D D LO V
3
9
U8
10
5
HIN
VS
12
6
LIN
VB
11
IR2110 SHDN
7
HO
2
1
COM C 13 VSS C V
D D LO V
3
9
1K
1K
1K
1K
1K
R48
R45
R43
R49 10K
R46
R42
U7 3 1
2 1
1 1
0 1
4 1 9
8
6 B R
5 B R
4 B R
3 B R
2 VDD B R
15
7 B R OSC2/CLKOUT
R47 10K
C16 22n
7
RB1
I
16F716
Y 1 20M
16
6
/
5
22n C17
K C O OSC1/CLKIN T R L 4 3 C A A M R R
RB0/INT 0 A R
2 A R
1 A GND R
4
3
2
1
7 1
8 1
U10
U9
3
4
4
3
R51 330R
2
1
1
2
VDK
521
R50 521 22R
DD
qua điện áp phản hồi về IC được nhận tại chân 5.
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động sine tần số 50 Hz [60]
Tầng khuếch đại DC-DC:
Tầng khuếch đại DC-DC có chức năng khuếch đại từ điện áp 12 VDC lên
điện áp 330 VDC và truyền đến phần mạch chuyển đổi điện áp DC-AC. Nhằm giảm
kích cỡ biến áp và tổn hao năng lượng trong biến áp, biến áp được chọn sử dụng là
biến áp lõi ferrite hoạt động với tần số 33 kHz [60,69,70]. Các biến áp được tính
toán sử dụng gồm năm biến áp ferrite T7, T8, T9, T10, T11 và mười IC công suất
IRF 1404. Các biến áp ở phần cuộn sơ cấp có ba đầu vào, điểm giữa được nối với
điện áp nguồn cấp ổn định 12 VDC, hai đầu còn lại được nối với hai tín hiệu dao
động xoay chiều luôn ngược pha nhận từ mạch phát dao động TL494C qua chân 5
và chân 7 của IC IR4427. Tại các đầu ra trên các cuộn thứ cấp của biến áp thông
qua các cầu diode chỉnh lưu cho điện áp một chiều 330 VDC, cùng các thành phần
78
tần số hài hoà ba bậc cao không mong muốn lẫn vào. Do vậy mạch lọc LC được xây
dựng gồm cuộn cảm L, tụ điện được chia thành hai tụ C1 và C2 có tác dụng lọc chặn
bỏ toàn bộ các tần số hài hoà ba đó với tổn hao năng lượng là nhỏ nhất.
Các giá trị của cuộn cảm Lf và tụ điện Cf của mạch lọc LC cần được chọn sao
.
cho dung kháng nhỏ, cảm kháng lớn và thoả mãn điều kiện [32,33,39,60,66]:
2 f
1 CL f
f
(3.10)
out
L
,
Trong đó, độ tự cảm Lf của mạch lọc được xác định [32,60,66,68]:
f
DV If 2
max
(3.11)
với hệ số làm việc D = 0,5, để nhận được mức điện áp một chiều sau tầng
khuếch đại DC-DC là Vout = 330 VDC, trong đó f = 33 kHz, giá trị thăng giáng
cường độ dòng điện tại đầu ra ở các cuộn thứ cấp của biến áp được xác định ΔImax =
(1,4
mH
).
L f
330.5,0 3 605,0.10.33.2
0,605 A (10% dòng cực đại). Thay giá trị và tính toán, ta được:
Do vậy, cuộn cảm có giá trị độ tự cảm 4,1 mH. Để thoả mãn các điều kiện
trên, qua tính toán ta chọn hai tụ điện có giá trị 330 µF/600 V được ghép mắc song
song.
Tính thông số cuộn biến áp:
Để tránh cường độ dòng điện làm việc lớn trên cuộn sơ cấp của biến áp,
trong sơ đồ mạch đã thiết kế sử dụng năm biến áp loại ferrite mắc song song, với tác
dụng chia cường độ dòng điện hoạt động đều lên năm cuộn biến áp, cũng như giảm
kích cỡ dây quấn cho từng biến áp và đảm bảo tổn hao trong biến áp là nhỏ nhất.
Mỗi cuộn biến áp được thiết kế với công suất hoạt động đến 400 W. Do vậy, tổng
công suất đầu ra của mạch khuếch đại DC-DC sử dụng năm biến áp ferrite sẽ cho
công suất 2000 W [60,65-69].
Cường độ dòng điện trên cuộn thứ cấp:
79
I
(21,1
A
).
2
P 2 U
400 330
2
(3.12)
Xác định đường kính dây quấn trên cuộn thứ cấp với mật độ dòng điện J =
d
2
2
2
(58,0
mm
).
4,5 A/mm2, ta có:
2
21,1 5,4.14,3
s 2
I 2 J
(3.13)
,
Tiết diện dây quấn sơ cấp được xác định theo công thức:
s 1
P 2 JU 1
(3.14)
d
2
2
2
(23,3
mm
).
và đường kính dây quấn trên cuộn sơ cấp được xác định từ biểu thức:
1
400 .5,4.12.9,0
s 1
P 2 JU 1
(3.15)
Trên cơ sở đường kính dây quấn của biến áp và độ lớn cường độ dòng điện
hoạt động trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp, qua tra cứu tài liệu về biến áp ferrite của
hãng Magnetics Inc. [69,70], trong luận án đã chọn kích cỡ lõi biến áp ferite (1,5x1,5x5) cm3.
Số vòng cuộn sơ cấp được xác định:
,
N 1
104 U 1 fA fBk c
(3.16)
trong đó:
Điện áp đầu vào: U1 = 12 VDC
Tần số: f = 33 kHz
Diện tích lõi quấn dây: Ac = 1,5x1,5 = 2,25 cm2
Cảm ứng từ: B = 0,18 T
Hệ số: kf = 4
Thực hiện tính toán ta được:
80
4
.25,2
N 1
10.12 3 4.18,0.25,2.10.33
Để tránh sự bão hoà trong lõi biến áp ta chọn N1 = 4 vòng.
Với điện áp đầu ra tại cuộn thứ cấp U2=330 V, bỏ qua sụt áp trên cầu diode
1
N
110
(
vòng
).
2
NU 2 U
1
D1
T7
1
5
D2
D22
Q7 IRF140
2 3
6 7
VCC
R13 R
D23
4
8
Q8 IRF140
C D V 0 3 3
D3
T8
R14 R
1
5
D4
R1
D24
Q1 IRF140
2 3
6 7
U1
R
4
5
R2 R
RST
CV
D25
VCC 4
8
3
6
OUT
THR
R3
L2 4,16mhH
IR4427
2
7
Q2 IRF140
TRG
DSCHG C4
R
C C C C D D D D V V V V 0 0 0 0 3 3 3 3 3 3 3 3
1
8
R4 R
GND
VCC
S
3
1
D5
T9
+
1
5
D6
330uF C5
R5
10K
D26
Q3 IRF140
+
R23
2 3
6 7
R22
VCC
C3
330uF
R
10K
+
D8 DIODE
R6 R
D27
4
8
330uF
R7
R52
Q4 IRF140
3.3K R44
3.3K
+ C2
R
330uF
R8 R
D7 D20
T10
1
5
R9
D28
Q5 IRF140
2 3
6 7
D29
R
VCC
R10 R
4
8
R11
Q6 IRF140
R
R12 R
C D V 0 3 3
D9
T11
1
5
D10
R15
Q9 IRF140
2 3
6 7
DIODE
D30
R
VCC
R16 R
D31
4
8
C1 0.1uF
R17
Q10 IRF140
R
R18 R
cỡ ≤ 0,6 V, số vòng cuộn thứ cấp được xác định bởi:
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại DC-DC [60]
81
Tầng công suất mạch chuyển đổi DC-AC:
Trong luận án mạch công suất sử dụng các IC công suất loại IGBT 40N60A,
mỗi IC theo nhà cung cấp đưa ra cho phép điện áp đặt vào lên tới 600 V và cường
độ dòng điện 75 A. Hình 3.12 đưa ra sơ đồ nguyên lý của tầng công suất mạch
3
D11
Q11 40N60
1
2
R25 3.3K
4148 R24
3
D12 22R
Q12 40N60
1
2
4148 R26
R27 3.3K C21 105
22R
3
D13
Q13 40N60
1
2
R29 3.3K
4148 R28
L1 2mH
3
TP2
D14
22R
1
Q14 40N60
R30
S
2
3
1
R21
4148
R31 3.3K
1
2
5
8
1
2
22R
0.15R
T13
C23
C22 104
L3 2mH
C24 104
1
4
C18
225
225
R41
S
3
1
3
D15
220V AC 220V AC
2.2R
TP1
Q15 40N60
1
2
R33 3.3K
4148 R32
3
22R D16
Q16 40N60
1
2
4148 R34
R35 3.3K C20 105
22R
3
D17
Q17 40N60
1
2
R37 3.3K
4148 R36
3
D18 22R
Q18 40N60
1
2
R39 3.3K
4148 R38
22R
Title
Chịu trách nhiệm nội dung: Nguyễn Công Hà. ©2025 Công ty TNHH Tài Liệu trực tuyến Vi Na.
Địa chỉ: 54A Nơ Trang Long, P. Bình Thạnh, TP.HCM - Điện thoại: 0283 5102 888 - Email: info@tailieu.vn
Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015