Luận án Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - Điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam

thông lượng của sóng trong một đơn vị thời gian và tính trung bình theo chu kỳ, ta có: (2.3) với C là tốc độ pha của sóng, T - chu kỳ sóng. Trong các công thức (2.1) - (2.3), trường sóng được coi là đều, ứng với sóng lừng hoặc sóng gió đều, dừng hoặc trong trạng thái phát triển hoàn toàn. Đối với trường sóng thực tế, trường sóng không đều thường phải dựa trên cơ sở lý thuyết thống kê, theo đó, thông lương của sóng được xác định theo (2.3) với độ cao sóng hữu hiệu, hoặc trên cơ sở lý thuyết phổ. 2.2. Các đặc trƣng cơ bản vùng nghiên cứu phát triển thiết bị Đối với nhu cầu năng lượng điện trên đất liền, do Việt Nam đã có lưới điện quốc gia, nên việc phát triển nguồn điện để cung cấp lên lưới điện quốc gia chưa cần tính tới vị trí của các nguồn điện từ sóng biển. Ý nghĩa về vị trí các đảo mà nguồn điện lưới không cung cấp được có vai trò quan trọng hơn trong phát triển nguồn năng lượng sóng. Trên các vùng biển biển Việt Nam hiện nay có nhiều đảo có vị trí chiến lược với cư dân sinh sống là rất lớn. Trong đó, tại các khu vực có tiềm năng năng lượng sóng ở khu vực Nam trung bộ gồm: Hòn Chảo, Quần đảo Trường Sa, Quần đảo Hoàng Sa 21 16 Ed Et gH   21 8 E Ed Et gH    21 2 32 EC g h T Z      42 Trong đó vùng đảo lớn và gần với vùng có tiềm năng là đảo Phú Quý, Quần đảo Trường Sa (hình 2.1). Vì vậy các thông số sóng của vùng này sẽ được sử dụng để nghiên cứu phát triển thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển. Trong điều kiện hiện nay việc chọn khu vực đảo Phú Quý để phát triển dự án năng lượng sóng là phù hợp nhất vì hai lý do: Khu vực có nguồn năng lượng sóng lớn nhất cả nước, nhu cầu về năng lượng điện là cấp thiết cho phát triển vùng đảo giàu tiềm năng này. Huyện đảo Phú Quý (còn gọi là Cù Lao Thu) là một huyện đảo thuộc tỉnh Bình Thuận. Là một quần thể gồm 10 hòn đảo lớn nhỏ gồm: Phú Quý, Hòn Tranh, Hòn Trứng, Hòn Đen, Hòn Giữa, Hòn Đỏ, Hòn Đồ lớn, Hòn Đồ nhỏ, Hòn Tí và Hòn Hải. Trong số 10 đảo trên có đảo Hòn Hải nằm trên đường cơ sở (A6) để tính vùng lãnh hải của Việt Nam nằm ở tọa độ 9o58' – 10o33' N và 109o05'E, đồng thời đây là mỏm nhô ra xa nhất của đường viền nội thủy Việt Nam ở phần Đông Nam biển Đông. Từ vị trí đảo Phú Quý, với trạm ra đa quan sát biển có thể kiểm soát toàn bộ tuyến đường hàng hải quốc tế từ Thái Bình Dương qua Ấn Độ Dương. Vì vậy, Phú Quý có vị trí cực kỳ quan trọng về an ninh quốc phòng. Ngoài vai trò tiền tiêu bao quát vùng thềm lục địa và vùng biển quan trọng ở Nam Trung Bộ, Phú Quý còn giữ vai trò của một điểm trung chuyển chủ yếu giữa đất liền, đồng thời là hậu cần quan trọng đối với quần đảo Trường Sa. Đảo Phú Quý nằm ở xa đất liền và gần đảo Trường Sa hơn, nên có nhiều thuận lợi cơ bản trong việc tổ chức đánh bắt hải sản tại ngư trường Trường Sa, đảm bảo sự có mặt thường xuyên của công dân Việt Nam trong hoạt động kinh tế trong vùng biển này làm tăng thêm sự khẳng định chủ quyền quốc gia trên vùng biển Đông. Với vị trí nằm trên đường hàng hải quốc tế, đảo Phú Quý có điều kiện rất thuận lợi để phát triển và cung cấp các dịch vụ hàng hải quốc tế. Ngoài ra, Phú Quý còn nằm gần khu vực khai thác dầu khí lớn, có nhiều triển vọng phát hiện thêm nhiều trữ lượng dầu khí mới, nên có nhiều yếu tố rất thuận lợi để trở thành một cơ sở hậu cần dịch vụ quan trọng cho ngành dầu khí. Với vị trí địa lý và tiềm năng phát triển lớn lao như vậy, trong Chiến lược biển và Chương trình phát triển kinh tế biển Đông và hải đảo, Phú Quý được xác định là một trong những đảo trọng điểm trong hệ thống các đảo của Việt Nam cả về kinh tế và quốc phòng. 43 Hình 2. 1. Đảo Phú Quí nhìn từ Google Earth. 2.3. Cơ sở tính toán tƣơng tác sóng biển với công trình nổi Cơ sở tính toán thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển xuất phát từ các nghiên cứu tính toán tương tác giữa sóng biển và công trình nổi trên biển nhằm xác định các lực tương tác của sóng biển với công trình. Để xác định mức độ tương tác người ta giả thiết môi trường nước biển là chất lỏng lý tưởng không nhớt, không nén được và đồng nhất, chuyển động của chất lỏng là chuyển động không xoáy, bài toán xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình nổi được qui về bài toán xác định hàm thế vận tốc sóng trên bề mặt biên ướt của công trình tiếp xúc với chất lỏng. Sử dụng giả thiết trên, xét bài toán thế trong hệ tọa độ biển diễn hình như sau: Hình 2. 2. Hệ tọa độ biểu diễn vật nổi trên mặt chất lỏng 44 2.2.1. Các giả thuyết đối với sóng trên công trình Nếu sóng lan truyền tới phao nổi là hệ thống sóng điều hòa biên độ nhỏ, các dao động của phao nổi là bé, bài toán xác định hàm thế vận tốc sóng và tải trọng sóng được xét đối với bề mặt ướt của phao nổi ở trạng thái cân bằng trên nước tĩnh. Và giả thiết rằng đáy biển bằng phẳng. Khi đó hàm thế vận tốc sóng tổng cộng của chất lỏng xung quanh phao nổi được xác định như sau [21]: 0( , , , ) ( , , , ) ( , , , ) ( , , , )I Dx y z t x y z t x y z t x y z t      (2.4) Trong đó hàm thế vận tốc sóng tới đã cho trước [21]. ( , , , ) Re[ ( , , , ).exp( )]Ix y z t x y z t i t    (2.5) [ ( )] ( , , ) . .exp[ . .( cos sin )] 2 ( ) I igH ch k z d x y z i k x y ch kd         (2.6a) Với g là gia tốc trọng trường, H là độ cao sóng, d là độ sâu mực nước biển Véc tơ mô men: ( ) ( . ).exp( )s sM t i r n i t dS     (2.6b) Các hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ ( , , , )D x y z t và sóng bức xạ 0( , , , )x y z t được tìm dưới dạng tách biến [18]: ( , , , ) Re[ ( , , , ).exp( )]D Dx y z t x y z t i t    (2.7) 0 0( , , , ) Re[ ( , , , ).exp( )]x y z t x y z t i t    (2.8a) Hoặc 6 0 1 ( , , , ) ( , , ). .exp( )k k k x y z t x y z v i t      Trong đó vk là biên độ của vận tốc, k hàm thế bức xạ đơn vị. k = 1-6 các bậc tự do chuyển vị lắc, Re ký hiệu phần thực của số phức. Hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ ( , , )D x y z phải thỏa mãn: - Phương trình Laplace trong miền : ( , , ) 0D x y z  Với các điều kiện biên: Trên mặt thoáng Sth ( tại z = 0): 45 2 ( , , ) . ( , , ) 0D Dx y z x y z z g        (2.8b) Ở mặt đáy biển: 0D z    Trên mặt ướt S của phao nổi có: D I n n        (2.8c) . . 0D D R Lim R i v R           Trong đó n là véc tơ đơn vị pháp tuyến ngoài của mặt ướt S: v = ω2/g; R2 = x2 + y2; Các hàm thế bức xạ đơn vị ( , , )k x y z ( k = 1- 6) phải thỏa mãn: - Phương trình Laplace trong miền : ( , , ) 0k x y z  Với các điều kiện biên: 2 ( , , ) . ( , , ) 0k kx y z x y z z g        trên Sth ( tại z = 0) (2.8d) 0k z    tại Sd ( z = -d) k kg n    trên mặt ướt S + . . 0k k R Lim R i v R           Trong đó gr là thông số phụ thuộc vào cos chỉ phương và tọa độ điểm của mặt ướt S Các hàm thế φD(x,y,z) và φk(x,y,z) là nghiệm của bài toán thế Laplace vơi các điều kiện biên khác nhau, trong đó ( 2.8c, 2.8d) là các điều kiện biên dạng Neuman, vì vậy có thể sử dụng cùng một thuật toán để giải bài toán. 2.3.2. Xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình nổi Khi xác định φD(x,y,z) và φk(x,y,z) ta xác định được: Áp lực thủy động tổng cộng của chất lỏng lên mặt ướt S [21]: ( , , , ) ( , , , ) ( , , , ) ( , , , )}I I Ip x y z t x y z t x y z t x y z t t           (2.9)  ( , , , ) ( , , , ) ( , , , )}.exp( )I I Ii x y z t x y z t x y z t i t        46 Tải trọng của sóng tới và sóng nhiễu xạ tác dụng lên mặt ướt S [21]: + Véc tơ lực: ( ) ( .exp( )s s S F t i n i t dS     (2.10) + Véc tơ Mô men: ( ) ( . ).exp( )s sM t i r n i t dS     (2.11) + Véc tơ tải trọng tổng quát:    ( ) , , , , ,x y z x y zs s s s s sQ t F F F M M M Trong đó: φs = φI + φD; n là véc tơ đơn vị pháp tuyến ngoài của mặt ướt S; r là véc tơ bán kính của điểm thuộc S so với gốc tọa độ G. ρ khối lượng riêng của nước biển. 1i   , , , , , ,x y z x y zs s s s s sF F F M M M là hình chiếu của ( )sF t và ( )sM t lên các trục tọa độ x,y,z. - Tải trọng sóng bức xạ: 26 2 1 ( ) ( ) ( ) ( )k koi ik ik k d U t dU t F t a c dt dt   (2.12) Trong đó Uk(t) là chuyển vị lắc thứ k với k = 1-6; ( )oiF t là tải trọng sóng bức xạ theo phương bậc tự do I ( I = 1 – 6) aik là hệ số khối lượng nước kèm; cik hệ số cản [21] được xác định như sau: Re{ . . }ik k i S a g dS   và Im{ . . }ik k i S c g dS    . 2.4. Nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đều có 4 bộ phận chính với các tính năng khác nhau đã được tổng kết tại chương 1. Nhiều ý tưởng thiết kế cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đã được đề xuất, trong đó có nhiều thiết bị đã được thử nghiệm thành công ở quy mô công nghiệp [4]. Tuy nhiên hiệu suất thu hồi năng lượng chưa cao (chỉ vào khoảng 10%), cơ cấu phức tạp khó duy trì lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường nước biển. Năng lượng tiêu hao trong các cơ cấu cơ khí lớn có nhiều thiết bị đã được nghiên cứu thử nghiệm chuyển đổi bằng các hình thức khác nhau nhưng kết quả chưa có thiết bị nào phát triển và sử dụng dưới dạng sản phẩm công nghiệp. Vì vậy ứng với tiềm năng của từng khu vực khác nhau cần có nghiên cứu đánh giá cụ thể và lựa chọn thiết bị phù hợp để có hiệu quả khai thác năng lượng tối ưu. 47 2.4.1. Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp mục tiêu để nghiên cứu phát triển Thông thường, các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thường sử dụng hệ thống chuyển đổi năng lường từ sóng biển bằng cách biến chuyển động tịnh tiến của các phao dưới tác dụng của chuyển động sóng để làm quay máy phát điện cần đến cơ cấu cơ khí trung gian phức tạp. Ngoài ra, trong nhiều ứng dụng nó có thể được sử dụng máy phát điện tốc độ thấp [4-6]. Ý tưởng với thiết bị chuyển đổi trực tiếp dùng máy phát điện tịnh tiến để giảm sự phức tạp của cơ cấu, giảm các tổn thất cơ khí, tăng độ tin cậy và dễ bảo trì. Thiết bị dạng 2 phao nối với nhau thông qua một máy phát điện tịnh tiến (hình 2.3) có một số ưu điểm sau: - Thiết bị dạng phao nổi không cần phát triển xây dựng công trình biển, tốn kém, khó bền vững trong điều kiện khắc nghiệt của biển khơi. Vì dạng phao nên cơ động, dễ bảo dưỡng, bảo hành. Mỗi phao có thể có công suất không lớn, nhưng có thể lắp đặt trong một khu vực gồm nhiều phao để hình thành một tổ hợp với công suất theo nhu cầu hoặc chế tạo thành module sử dụng cho mục đích khác nhau như phao tín hiệu, thiết bị độc lập cung cấp cho các tàu neo đậu... Hình 2. 3. Mô hình thiết bị chuyển động tịnh tiến dạng 2 phao biến đổi trực tiếp. - Việc sử dụng máy phát điện tịnh tiến trước đó đã được coi là khó khăn và không kinh tế do: Thứ nhất cơ cấu trực tiếp dùng máy phát điện tịnh tiến làm cho roto có tốc độ thấp và vận tốc chuyển động không đều nên nguồn ra không ổn định khó kết 48 nối trực tiếp vào lưới điện. Thứ hai, máy phát điện chuyển động tịnh tiến thông thường dùng lõi sắt trong cuộn ứng nên lực từ giữa nam châm và lõi sắt của cuộn cảm làm tăng thời gian và lực khởi động cho chuyển động của roto, mà trong máy phát điện tịnh tiến nối với phao thì roto thường xuyên khởi lại chuyển động mỗi khi đảo chiều theo chuyển động của phao (điều này không xảy ra đối với máy phát điện chuyển động tròn) [4,5,13]. Thứ ba, do lực khởi động xuất hiện nhiều lần (do đổi chiều chuyển động liên tục) ảnh hưởng không tốt đến độ bền và hiệu suất của máy phát. Vì vậy tác giả đề xuất sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu không dùng lõi sắt trong cuộn ứng. Dùng máy phát điện tịnh tiến nam châm vĩnh cửu không có lõi sắt có một số ưu điểm sau: - Máy phát điện dùng nam châm vĩnh cửu thay cho các cuộn cảm trong máy phát thông thường làm đơn giản hóa cấu tạo, tăng độ tin cậy, phù hợp cho sử dụng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng, vốn phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt của biển cần phải có các chi tiết có độ tin cậy cao, làm việc ổn định. - Thiết kế các cạnh của nam châm đảm bảo kết cấu bền vững, tối ưu kết cấu, dễ chế tạo, tăng độ tin cậy và hiệu suất làm việc cao. - Mạch từ trong máy phát được đóng kín mà không sử dụng lõi sắt trong các cuộn ứng, không phát sinh lực từ của nam châm (phần cảm, stator) lên phần chuyển động (phần ứng, “chuyển động”) của máy phát làm cho kết cấu máy đơn giản hơn, dễ gia công, chế tạo, ít hỏng hơn do không có phần lõi sát gần khe hở từ, hiệu suất hoạt động cao hơn do không mất năng lượng chống lại các lực khởi động từ khi đảo chiều chuyển động. - Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dùng máy phát tịnh tiến không có lõi sắt có cấu tạo, nguyên lý hoạt động đơn giản, giảm mất mát năng lượng trong các cơ cấu trung gian. Không cản trở nhiều chuyển động của “phần ứng” khi đảo chiều theo dao động sóng, tăng hiệu suất, tăng độ tin cậy và tăng hiệu quả của thiết bị. Ngoài ra, máy phát điện tịnh tiến loại này không đóng kín mạch từ bằng lõi sắt còn có ưu điểm là dễ dàng phát triển các máy phát với mật độ công suất (tỷ lệ công suất với thể tích, khối lượng máy) cao hơn, dễ thiết kế chế tạo hơn, giá thành rẻ hơn vì không cần phải thiết kế khung quá chắc chắn, cồng kềnh để chống lại các biến dạng, và giảm ma sát do các lực từ giữa phần cảm và phần ứng. 49 2.4.2. Lựa chọn dạng phao tiếp nhận cho thiết bị Với cùng nguyên lý chuyển động tịnh tiến nhưng hình dạng và kích thước của phao thu nhận khác nhau sẽ thu được những kết quả khác nhau về công suất của như hiệu quả của thiết bị: Việc lựa chọn kính thước hình dạng phao có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả phát điện của thiết bị. + Các dạng phổ biến hiện nay đang sử dụng: - Dạng phao trụ vát hai đầu đây là dạng phao được sử dụng rộng dãi với các ưu điểm như tiếp nhận năng lượng sóng lớn và giảm lực cản của nước trong quá trình chuyển động, nâng cao hiệu quả chuyển đổi. - Dạng phao cầu có ưu điểm điểm tiếp xúc giữa nước biển và mặt phao lớn, lực đẩy acsimet lớn tuy nhiên mất cân đối giữa trọng lượng phao 2 và phao cầu. Một số dạng phao thông dụng hiện nay đang sử dụng như (hình 2.4) sau: 50 Hình 2. 4. Một số dạng kết cấu phao thu nhận năng lượng sóng dạng chuyển động tịnh tiến Ngoài yếu tố về hình dạng của phao ảnh hưởng tới khả năng làm việc của thiết bị thì các thông số kích thước hình học cũng là yếu tố quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế phao của thiết bị khi tương tác và hấp phụ năng lượng sóng biển bảng 2.1 mô tác mối quan hệ giữa kích thước, khối lượng kèm và mô men quán tính tương ứng với từng dạng phao cụ thể. Bảng 2. 1. Các thông số kích thước khối lượng phụ thuộc vào dạng phao Hình dạng Tỷ lệ L/d mw Iw L/d = 0,02 L/d = 0,40 L/d = 1,00 L/d = 2,00 L/d = 4,00 L/d = 10,0 L/d = 20,0 0,279ρπL2B 0,248ρπL2B 0,212ρπL2B 0,189ρπL2B 0,170ρπL2B 0,151ρπL2B 0,142ρπL2B 0,0046ρπdL4 0,0047ρπdL4 0,0047ρπdL4 0,0046ρπdL4 0,0047ρπdL4 0,0047ρπdL4 0,0046ρπdL4 51 Hình trụ tròn Hình cầu 0,167ρD3 0,167ρπR3 0,0833ρD2 d3 Bảng tra mw theo Wendel(1956), Hoof(1972) và Lamb(1932) 2.5. Phƣơng pháp tính toán mô hình phao dạng hộp chữ nhật Thiết bị được đề cập đến trong phần này là một phao nổi thu nhận năng lượng trên mặt sóng. Với một mô hình phao thu năng lượng bất kỳ ta sẽ có được 2 dao động đồng thời là dao động theo phương thẳng đứng với chuyển động của sóng và dao động con lắc. Phao thu năng lượng sóng được ứng dụng rất nhiều trong các mô hình như hình hộp chữ nhật, hình trụ, hình cầu. Phần này tác giả chỉ tính toán cho một mô hình phao đơn giản, đó là mô hình phao hình hộp chữ nhật như (hình 2.5) được giới hạn dao động con lắc theo phương thẳng đứng theo các khung thép định vị, đồng thời cung cấp những biểu thức quan trọng nhằm tính toán cho một phao bất kỳ, làm tiền đề cho việc tính toán các mô hình phao thu năng lượng sau này. Hình 2. 5. Mô hình của thiết bị phao nổi hình hộp chữ nhật. 52 Mô hình phao được thiết kế với bộ định hướng theo phương thẳng đứng, tức là loại bỏ phần dao động con lắc. Năng lượng chính của thiết bị nhận vào chính là dao động theo phương thẳng đứng. Như vậy biểu thức tính toán tần số dao động tự nhiên của mô hình phao nêu trên là: [6] w w 1 1 2 p z z gA f T m m      (2.13) Hình 2. 6. Mô hình làm việc của phao dạng hộp Khi thiết kế phao dạng hình hộp chiều rộng của phao nên thiết kế sao cho hiệu quả thu nhận năng lượng là lớn nhất (hình 2.6). Khi đó chiều rộng phao có thể lựa chọn như sau: L = Nλ, N = 1,2,3 với λ là bước sóng khi dao động phao cùng pha với sóng. 2 N L   Với N = 1,3,5.. khi phao dao động ngược pha với sóng. Phương trình mô tả chuyển động của phao như sau: 2 2 w2 2 w 0cos( t+ ) N z rz vz pz p s z z d z d z dz dz dz dz m a b b b dt dt dt dt dt dt gA z Nk z F                     (2.14) Phương trình (2.14) được viết lại như sau: 2 w w 02 ( ) ( ) ( ) cos( t+ )z rz vz pz p s z z d z dz m a b b b gA Nk z F dt dt          (2.15) Khối lượng nước kèm theo chuyển động và khối lượng kèm tức thời được tính toán qua hai công thức sau: 53 2 w 4 m z K LB a   và 2 1 w 16 K L B A   Trong đó Km và K1 là các hệ số phụ thuộc vào đồ thị sau đây Đường quan hệ phụ thuộc Km vào B/d Đường quan hệ phụ thuộc K1 vào L/d Hình 2. 7. Đường quan hệ các hệ số Km và K1 phụ thuộc tỷ lệ B,L,d [48]. Khi đó phương trình mô tả chuyển động của mô hình phao hình hộp chữ nhật được biểu diễn như sau: [2] )cos(. )/1( )cos()/( 0 222 0 z z zwp tZ tgAF Z        (2.16 ) Vận tốc Vz (m/s) của dao động được xác định bằng công thức sau: )sin(0 zz tZ dt dz V   (2.17) Gia tốc az (m/s 2 ) của dao động tính theo công thức: ZtZ td zd a zz 2 0 2 2 2 )cos(   (2.18) Động năng và thế năng của mô hình được tính theo biểu thức sau [2]. )(sin)( 2 1 )( 2 1 22 0 2 2 zwwkz tZmm dt dz mmE         (2.19) )(sin 2 1 2 1 22 0 2 zwpwppz tZgAzgAE   (2.20) 54 Năng lượng của quá trình dao động: E = Ekz + Epz thay các giá trị động năng và thế năng ta có biểu thứ sau:   202)( 2 1 ZgAmmE wpw   (2.21) Công suất cơ học của mô hình phao sinh ra từ lực dao động nhấp nhô Fz được tính ở biểu thức sau: Fz được xác qua công thức: Fz = F0cos(ωt). (2.22) Với F0 là biên độ lực dao động. Vậy công suất Pz (KW) nhận được từ phao cân bằng dao động: dt dz FP zz  (2.23) Pz - Công suất thu được từ phao (kW). Công suất trung bình nhận được trong một chu kỳ T(s). 2 1 00 0 ZF dtP T P T zz     (2.24) zP  Công suất trung bình (kW). Qua nghiên tính toán lý thuyết việc xác định kích thước của phao và tính chất sóng của từng khu vực là điều hết sức quan trọng. 2.6. Nghiên cứu nguyên lý làm việc thiết bị sử dụng dạng phao trụ chóp nón 2.6.1. Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng bằng phao nổi dạng chóp nón Trong các loại thiết bị, có thể thấy phần lớn thiết bị sử dụng bộ phận phao nổi để truyền năng lượng sóng, việc khảo sát đặc tính chuyển động và truyền tải năng lượng của phao nổi có vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng. Tuy nhiên phần khó khăn ban đầu cần phải thực hiện là mô hình hoá và tính toán khả năng cho các cấu hình thiết bị cụ thể chưa được thực hiện nhiều và rất ít công bố. 55 Để có cơ sở tính toán cho một cấu hình cụ thể làm cơ sở cho tính toán thiết kế, chế tạo thử nghiệm cần có mô hình thiết bị và các giả thiết điều kiện làm việc ban đầu. a) Mô hình thiết bị nghiên cứu m1 m2 Fb1 Fb1 F1 F1 b)Mô hình cơ học thiết bị Hình 2. 8. Thiết kế mô hình bằng phần mềm SolidWork Thiết bị được hình thành từ liên kết 2 phao và một máy phát tịnh tiến. Ngoài ra để ổn định nguồn điện cần một bộ chuyển đổi và được lắp trong phao nổi. Để tăng hiệu quả chuyển đổi, phao thứ nhất được nối thêm một lồng gia tốc và phao thứ 2 gắn thêm đĩa gia tốc. Đĩa gia tốc thiết kế để trượt dễ dàng trong lồng gia tốc. Hiệu quả hoạt động cũng như công suất máy phát phụ thuộc vào các thông số hoạt động của sóng cũng như các thông số cấu tạo của thiết bị. Việc xác định các thông số cấu tạo cũng như khả năng hoạt cần được tính toán khảo sát bằng mô hình mô 56 phỏng cũng như mô hình thực nghiệm ở các mức độ khác nhau và sẽ được trình bày trong phần sau. 2.6.2. Mô hình cơ cấu máy phát Mô hình máy phát điện với cơ cấu chuyển động thẳng của nam châm vĩnh cửu trong lòng cuộn dây, ứng dụng trong các bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển gồm có các bộ phận chính như sau: Hình 2. 9. Mô hình máy phát chuyển động thẳng. + Nguồn từ trường: Có thể dùng 1 thanh nam châm hình trụ dài để làm nguồn từ trường. Nếu không có nam châm dài, ta có thể ghép một bộ gồm 5 nam châm dạng nhẫn có cùng kích thước. Các nam châm được sắp xếp kề nhau đảo chiều nam – bắc và xâu chuỗi bằng một lõi thép, đan xen giữa mỗi 2 nam châm là một vòng thép có cùng kích thước với nam châm. Lõi thép có thể được nối cứng với đáy biển. Hình 2. 10. Cấu tạo và cách bố trí các nam châm trong lõi của máy phát. 57 + Khung dây: bao quanh hệ thống nam châm. Khung dây được cố định bên trong phao nổi và có đầu dẫn ra ngoài để nối điện vào mạng điện ngoài. + Cơ cấu phao nổi: bao ngoài, bảo vệ toàn bộ hệ thống khung dây và nam châm. 2.6.3. Nguyên lý hoạt động của mô hình - Dao động sóng theo phương thẳng đứng kéo theo chuyển động lên xuống của phao nổi. Khung dây được gắn cố định bên trong phao nổi nên cũng có đặc tính chuyển động tương tự với sóng. - Hệ thống nam châm được nối cứng với đáy biển, tạo ra từ trường ổn định. - Khi khung dây dao động, vị trí của khung dây liên tục thay đổi so với hệ thống nam châm cố định dẫn đến từ thông qua khung dây do từ trường của hệ thống nam châm tạo ra biến thiên và tạo ra suất điện động trong khung dây. Khung dây được nối với mạch kín bên ngoài sẽ tạo ra một hiệu điện thế và dòng điện chạy trong mạch ngoài. 2.7 Kết luận chƣơng 2 Qua nghiên cứu phân tích cơ sở tương tác sóng và các tính chất năng lượng sóng biển Việt Nam tác giả đã đề xuất nghiên cứu áp dụng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển để ứng dụng khai thác năng lượng sóng biển. + Phân tích các đặc trưng sóng để đưa ra các biện pháp khai thác dạng năng lượng của sóng. Đề xuất vùng nghiên cứu áp dụng tại vùng biển đảo Phú Quý Bình Thuận. + Nghiên cứu đánh giá tương tác sóng vào công trình nổi trên cơ sở đó áp dụng vào tính toán thiết bị ở nội dụng tiếp theo. + Nghiên cứu các đặc điểm của hình dạng kết cấu phao chuyển động của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động tịnh tiến. + Xây dựng mô hình nguyên lý làm việc của các dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dạng tịnh tiến. 58 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN 3.1. Xây dựng mô hình tính toán của thiết bị Để có thể tính toán mô phỏng, tiến tới tính toán thiết kế chế tạo và thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng như đã đề xuất cần đưa ra hệ phương trình mô tả chuyển động phải được xây dựng cùng với các biểu thức đóng kín. 3.1.1. Các phương trình cơ học của thiết bị + Phương trình sóng tuyến tính: Phương trình sóng có dạng [1]: cos( )x a kx t  (3.1) Trong đó a là biên độ sóng, ω là tần số sóng, k là số sóng. Sơ đồ chuyển động của các phao được trình bày tại hình 3.1 sau: Hình 3. 1. Sơ đồ chuyển động của các phao dưới tác dụng của sóng. 59 3.1.2. Phương trình chuyển động của phao 1: Phương trình mô tả chuyển động dứng của phao 1 có dạng [4,5]: )()()()()()()( ,,,,,,1 tFtFtFtFtFtFtsm ubfbvbbbbrbebb  (3.2) Trong đó: Sb(t) là dịch chuyển đứng của phao khỏi vị mặt nước tĩnh ban đầu mb1 là khối lượng của phao )(tsb là gia tốc chuyển dịch đứng của phao Fe,b(t) là lực tác dụng theo chiều đứng của sóng Fr,b(t) là lực theo chiều đứng do sóng phát xạ Fb,b(t) là tổng lực đẩy thủy tĩnh và lực trọng trường Fb,v(t) là lực cản Fb,f(t) là lực ma sát nhớt của nước Fb,u(t) là lực điện từ trường của máy phát Các biểu thức lực tính được qua các các tham số sóng và cấu tạo của phao như sau : Trong trường hợp phao có cấu tạo hình trụ tròn, đường kính 2r, chiều dài không kể đáy 2l, trong đó phần chìm dưới mặt nước khi không có sóng là l, khối lượng phao mb1, phần đáy có cấu tạo nửa hình cầu bán kính r, tiết diện phao là Swb. Biểu thức các lực có thể viết cụ thể như sau: Lực tác dụng theo chiều đứng của sóng: )cos()exp()( 33, tgSkltF awbbe  (3.3) Lực do sóng tán xạ Fr,b có dạng: )()( 3333, tsRtsmF bbbr   (3.4) Lực thuỷ tĩnh có dạng: )(,, tsSF bbbbb  (3.5) Lực cản của nước lên phao viết được như sau: 60 )(|)(|5.0)()( ,,,, tstsACtsRRFF bbBBbbfbbfb    (3.6) Với , , ( )