TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG VƯƠNG VĂN CƯỜNG
51 ĐLTT
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHOA KỸ THUẬT – GIAO THÔNG
CHUYÊN NGÀNH ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
N
N
h
h
a
a
Ñeà taøi :
Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị
sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG VƯƠNG VĂN CƯỜNG
51 ĐLTT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHOA KỸ THUẬT – GIAO THÔNG
CHUYÊN NGÀNH ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
GVHD:
Th.s. Nguyễn Đình Long
6
6
/
/
2
2
0
0
1
1
3
3
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC
i
ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vii
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
viii
LỜI NÓI ĐẦU viii
CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3
1.1.1. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trên thế giới 5
1.1.2. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trong nước 7
1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7
2.2.2.1b Nguyên lý sử dụng áp suất không khí quay tuabin 34
2.2.2.1d. Nguyên lý biến chuyển động tịnh tiến của phao thành chuyển động tịnh
tiến của Roto trượt theo cuộn dây Stato 35
2.2.2.1e. Nguyên lý sử dụng phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng
lượng sóng sang cơ – điện năng 36
2.2.1.2. Chuyển đổi năng lượng sóng gián tiếp 36
2.2.4. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống 39
CHƯƠNG 3 42
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 42
3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 42
3.1.1. Tính toán các thông số sóng biển 42
3.1.2. Tính toán hệ thống thủy lực theo sơ đồ nguyên lý hoạt động (hình 2.19) 45
3.1.2.1. Tính chọn máy phát điện 45
3.1.2.2. Chọn bộ truyền động 45
3.1.2.3. Tính chọn động cơ thủy lực [5] 45
3.1.2.4. Tính toán thiết kế bơm piston thủy lực 47
3.1.2.5. Tính toán đường ống thủy lực 51
3.1.2.6. Tính chọn bình tích áp 52
3.2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO 53
3.2.1.Thiết kế bơm thủy lực 53
iii
3.2.2. Chế tạo bình tích năng 54
3.3. THỬ NGHIỆM 56
CHƯƠNG 4 57
THẢO LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57
4.1. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 57
4.1.1. Hình ảnh mô hình thực hiện 57
4.1.2. Kết quả thử mô hình 59
Hình 2.8 -Vị trí các trạm ven bờ có số liệu đo gió, sóng và các vùng thống kê số
liệu gió và sóng quan trắc trên tàu biển (Obship) trên vùng khơi Biển Đông 29
Hình 2.9 – Nguyên lý sử dụng truyền động bánh răng cóc 33
Hình 2.10 - Nguyên lý sử dụng áp suất không khí quay tuabin 34
Hình 2.11 – Nguyên lý dao động cột nước sử dụng sóng tràn 34
Hình 2.12 – Thiết bị seabased AB 35
Hình 2.13 - Phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng lượng sóng sang
cơ – điện năng 36
Hình 2.13 - Thiết bị rắn Pelamis Hình 2.14 – Thiết bị Pendulor 37
Hình 2.15 - Hàu biển Oyster 37
Hình 2.16 – Thiết bị Wave roller 38
Hình 2.17 - Thiết bị OWAP (ocean wave air piston) 38
Hình 2.18 - Thiết bị SIECAT 39
Hình 2.19 - Sơ đồ nguyên lý hoạt động mô hình hệ thống phát điện 41
Hình 3.1 – Động cơ thủy lực bánh răng ăn khớp ngoài 45
Hình 3.2 – Các thông số của Xylanh – piston thủy lực Error! Bookmark not
defined.
vi
Hình 3.3 – Cấu tạo của piston thủy lực 54
Hình 3.4 – Bình tích năng 55
Hình 4.1 – Hệ thống thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện 57
Hình 4.2 – Bơm piston tác động kép 57
Hình 4.3 – Đồng hồ đo áp suất dầu thủy lực và van an toàn 58
Hình 4.4 – Bình tích năng 58
Hình 4.5 – Van hai ngả, động cơ thủy lực và máy phát điện 59
Hình 4.6 – Động cơ thủy lực bánh răng và máy phát điện 59
vii
Nội dung thực hiện :
2. Kế hoạch thực nghiệm :
3. Kế hoạch hoàn thành bản thuyết minh
Chương 1 :
Đặt vấn đề
(từ đến )
Chương 2 : Đặc điểm của sóng biển và phân tích lựa chọn phương án sử dụng năng
lượng sóng biển lai máy phát điện
(từ đến )
Chương 3 : Thiết kế chế tạo mô hình và thử nghiệm
(từ đến )
Chương 4: Thảo luận và kiến nghị
Nha Trang, ngày tháng năm 2013
TRƯỞNG BM CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN
(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) 1
2
với hơn 2.800 hòn đảo, bãi đá ngầm lớn nhỏ, gần và xa bờ, bao gồm
cả Trường Sa và Hoàng Sa. Đó là một ưu thế về biển hết sức thuận lợi để nước ta
2
khai thác nguồn năng lượng tái tạo phục vụ cho nhu cầu đất nước trong hiện tại và
tương lai.
Với mong muốn nghiên cứu khai thác năng lượng tái tạo, tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát
điện” làm công trình tốt nghiệp của mình và được nhà trường chấp nhận cho thực
hiện.
Đây là một đề tài tương đối mới liên quan đến lĩnh vực năng lượng tại Việt
Nam và cũng là lĩnh vực chuyên môn khá xa lạ với tôi, do vậy, không thể tránh khỏi
những khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của
quý thầy cùng quý độc giả để đề tài này hoàn thiện hơn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Đình Long - thầy đã trực
tiếp hướng dẫn tận tình và có những góp ý sâu sắc, cụ thể trong quá trình nghiên cứu
để tôi hoàn thành đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 7 năm 2013
Hình 1.2 - Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo
Sản lượng điện từ năng lượng tái tạo tăng với tốc độ khá nhanh và hướng tới
mục tiêu vào năm 2035 sẽ cung cấp và giải quyết gần 25% năng lượng điện trên
toàn thế giới. Theo biểu đồ dự đoán của cơ quan nghiên cứu năng lượng tại Mỹ
(hình 1.3) cho ta thấy tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo, trong đó năng
lượng sinh khối, rác thải, sóng và thủy triều cao hơn trong tương lai từ 220 tỷ kW
vào năm 2007 lên 870 tỷ kW vào năm 2035.
5Hình 1.3 - Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo
Trong số các nguồn năng lượng tái sinh nêu trên, năng lượng sóng biển tuy
chưa được khai thác nhiều nhưng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về năng
lượng sóng biển. Trong số đó nổi bật nhất là Nghiên cứu của Học viện không quân
Mỹ về hiệu suất chuyển hóa điện năng trực tiếp từ năng lượng sóng biển và theo
trang báo RBC của Nga đã kết luận rằng: “Năng lượng sóng biển là loại năng lượng
tái sinh có hiệu suất chuyển hóa thành điện năng cao nhất – hiệu suất lên đến 99%”
[1]. Kết luận đó một lần nữa khẳng định cho ta biết năng lượng sóng biển là một
nguồn năng lượng tái sinh khổng lồ trong tương lai.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trên thế giới
Từ những năm 70 của thế kỷ 20, các nước có vùng biển rộng và khoa học
tiên tiến như Na Uy, Thụy Điển, Pháp, Mỹ và Nhật Bản đã có các chương trình
nghiên cứu về năng lượng sóng biển. Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây
dựng ở Na Uy năm 1984 và hoàn thành vào năm 1986. Châu Âu là khu vực đứng
6
đầu trong việc áp dụng năng lượng sóng, tính đến năm 2009 đã có 4 dự án khai thác
1.1.2. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng biển trong nước
Tại Việt Nam những năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về việc sử
dụng năng lượng sóng biển. Điển hình như sáng chế “Máy phát điện nhờ sóng biển”
của anh Lê Thanh Bình ở Quảng Trị đã được trưng bày tại Hội chợ thiết bị công
nghệ Việt Nam năm 2010. Hay với đề tài “Máy phát điện từ năng lượng sóng biển”
của Bùi Nguyên Vọng – sinh viên Đại học Cần Thơ đã đoạt giải nhất cuộc thi Phát
minh xanh do Công ty Sony VN tổ chức.
Đặc biệt “Hệ thống thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển” do Kỹ sư
Nguyễn Trọng Dần cùng các cộng sự thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ công
thương) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thông qua thực hiện cấp đề tài nhà nước
KC.05.17/06-10 đạt công suất (5÷10)kW/h; điện áp phát xoay chiều 220VAC; dao
động điện áp ∆U = ± 10% đã bước đầu chứng minh cho việc đầu tư khai thác tối đa
nguồn năng lượng sạch trên biển Việt Nam đang được nhà nước ta quan tâm đẩy
mạnh.
1.2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị sử dụng năng lượng
sóng biển lai máy phát điện” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu khai thác năng
lượng tái tạo, trong đó đối tượng nghiên cứu là năng lượng sóng biển và các cơ cấu
tiếp nhận lực tác động của sóng và chuyển thành chuyển động thẳng, chuyển động
quay nhằm tạo ra điện năng. Đề tài được thực hiện trong phạm vi chế tạo mô hình
thiết bị sử dụng năng lượng sóng biển lai máy phát điện.
8
CHƯƠNG 2
• Sóng khí áp là do sự chênh lệch khí áp.
Ở đây chúng ta chỉ quan tâm nghiên cứu sóng gió. Đây là loại chuyển động chủ
yếu và phổ biến nhất trên biển và đại dương, là động lực chính của biển trong quá
trình hình thành và phát triển bờ biển.
b. Dựa vào hình dạng sóng
• Sóng lăn tăn (sóng mao dẫn) là do gió nhẹ gây ra trông như những vảy cá độ
cao chỉ vài milimet, còn độ dài khoảng vài centimet.
• Sóng hai chiều là loại sóng có đáy, đỉnh sóng đều bằng nhau và nằm thẳng
hàng, là đặc trưng của sóng lừng.
• Sóng ba chiều xuất hiện khi tồn tại cùng một lúc nhiều hệ sóng, tạo nên mặt
nước như những ô bàn cờ.
• Sóng hỗn tạp thấy ở gần tâm bão.
c. Theo các đặc điểm của các yếu tố sóng
• Dựa vào độ dài
+ Sóng dài khi có λ > h
+ Sóng ngắn khi có λ < h
Trong đó h là độ sâu vùng nước
• Dựa vào độ cao
+ Sóng cao.
+ Sóng thấp.
• Dựa vào độ dốc
+ Sóng dốc.
+ Sóng thoải.
• Dựa vào chu kỳ
+ Sóng có chu kỳ dài ( T ≥ 1 giờ).
+ Sóng có chu kỳ ngắn [ T = (10÷12) giây].
Ngoài ra người ta còn dựa vào các đặc trưng khác để phân loại sóng như sau:
10
• Tính chất truyền sóng
độ và tốc độ chuyển động. Từ đó trên bề mặt tiếp xúc giữa hai môi chất chuyển
động khác nhau xuất hiện một dạng chuyển động, chuyển động này gây ra sóng.
- Một số người khác như H.Jeffrey, V.M Makaviev… cho rằng gió
phải thổi với tốc độ nhất định nào đó thì phát sinh ra sự chênh lệch về áp lực và trên
bề mặt tiếp xúc đó xuất hiện áp lực tiếp tuyến, lúc đó có khả năng sinh ra sóng.
- Dựa vào sức căng mặt ngoài và trọng lực, L.Kenvin tìm ra tốc độ gió
W = (6÷7) m/s thì phát sinh sóng, nhưng trong thực tế không phải vậy vì nó tương
đương với gió cấp (3÷4).
- Dựa vào áp lực tiếp tuyến và trọng lực, H.Jeffreys tính ra tốc độ gió
W = 4,8m/s, với tốc độ gió này tương ứng với chiều cao sóng H = (0,4÷0,6)m.
- Dựa vào kết quả quan trắc thực tế, năm 1949 G.Neumann tính ra tốc
độ gió W = 0,695m/s, tương ứng với chiều cao sóng H = 0,1m.
Ngày nay với thiết bị đo đạc hiện đại, đã đo được W = 0,25m/s mặt nước đã
hình thành sóng, sóng này được gọi là sóng mao dẫn.
Mọi người đều thừa nhận năng lượng mà gió truyền cho sóng phụ thuộc vào sự
chênh lệch áp lực của gió đối với sườn đón gió và sườn khuất gió. Ngoài ra còn phụ
thuộc vào trọng lực và sức căng mặt ngoài.
Những sóng ban đầu kích thước rất nhỏ, độ cao chỉ vài milimet, chiều dài vài
centimet. Nếu gió tiếp tục thổi năng lượng của gió truyền cho sóng tiếp tục tăng,
sóng dần lớn lên.
• Giai đoạn sóng phát triển
Khi gió thổi với một tốc độ nhất định, năng lượng của gió truyền cho sóng
nhiều hơn sóng ban đầu (sóng ban đầu là sóng mao dẫn hay còn gọi là sóng căng
mặt ngoài vì lực tác động chủ yếu là lực tiếp tuyến của gió lên mặt sóng, theo tài
liệu quan trắc thì sóng ban đầu có độ cao sóng H = 0,02cm, bước sóng λ =
(1,7÷1,8)cm, tốc độ sóng C = (23,1÷23,5)m/s). Sóng tuy rất nhỏ nhưng cũng đủ làm
mặt nước gồ ghề.
Bề mặt tiếp xúc có diện tích tăng, nên có khả năng tiếp nhận năng lượng của
gió ngày một nhiều hơn. Nhưng do độ nhớt của nước biển làm tắt dần một số
Khảo sát giai đoạn ổn định, khi tỷ số C/W = (0,7÷0,8), hình dạng sóng tương
đối thoải, năng lượng của gió cung cấp cho sóng lúc này cân bằng năng lượng của
sóng bị tiêu hao, năng lượng này chỉ để duy trì sự tồn tại của sóng.
Năng lượng tiêu hao một phần vào việc giữ cho độ cao sóng không bị giảm,
một phần thắng lực ma sát và trọng lực. Chiều dài và tốc độ sóng phát triển nhưng
giai đoạn này không tồn tại lâu, tùy theo thời gian gió ổn định.
Nếu vận tốc tăng thì sóng thay đổi, nhưng nếu gió yếu thì sóng yếu dần.
• Giai đoạn triệt tiêu
Khi gió thổi yếu năng lượng của gió không cung cấp đủ để duy trì sóng, lại do
tác động của trọng lực, ma sát và sức căng mặt ngoài nên độ cao sóng giảm nhanh.
Khi gió ngừng thổi, sóng không tắt ngay mà vẫn tiếp tục dao động dưới tác dụng
của lực quán tính. Thời gian dao động ngắn hay dài tùy thuộc vào kích thước của
sóng.
Kích thước của sóng thể hiện năng lượng mà gió cung cấp cho sóng nhiều hay
ít, sóng càng lớn thì thời gian duy trì càng dài. Lúc này sóng chuyển từ sóng cưỡng
bức sang sóng tự do. Hình dạng, kích thước sóng dần trở nên cân đối, sóng thoải
dần, độ cao giảm, chiều dài và tốc độ truyền sóng tăng nhanh, sóng chuyển thành
sóng lừng, đây là sóng tự do, chuyển động không theo hướng gió thổi. Sóng lừng bị
triệt tiêu khi năng lượng gió cung cấp cho sóng tiêu hao hết.
14Hình 2.2 - Mô tả chuyển động của từng phần tử nước trong sóng biển
2.1.3.2. Những nhân tố chính quyết định sự phát triển của sóng
- Tốc độ gió
- Thời gian hoạt động của gió
- Đà (độ dài khoảng không gian kể từ điểm tính sóng về phía ngược chiều gió
tác động cho tới nơi gió thay đổi đáng kể về hướng hoặc tới đường khuất gió và độ
kế tiếp nhau xuất hiện tại một thời điểm trong không gian.
Đối với sóng đứng, chu kỳ sóng được xác định bằng khoảng thời gian cần thiết
để mực nước thay đổi từ thấp nhất qua vị trí cao nhất rồi lại trở về vị trí ban đầu.
Chu kỳ cũng được hiểu là khoảng thời gian cần thiết để đỉnh sóng di chuyển
được quãng đường bằng độ dài sóng.
Copyright: Tài liệu đại học ©