BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
DÙNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 3 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2015


i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/… đến ……/……

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 7/2011

Nơi học: Trƣờng ĐH Kỹ thuật công nghệ tp HCM.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho xƣởng dệt.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2011- Trƣờng ĐH Kỹ thuật
công nghệ tp HCM.
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Phan Thị Thu Vân.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm


iii


v
TÓM TẮT
CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỐI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
PLAMIS
Tóm tắt – Công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển là công nghệ đã được hình thành
từ thập niên 70, tuy nhiên hiện giờ nó vẫn chưa được xem hoàn toàn như là một nguồn
năng lượng công nghiệp.Luận văn này là nghiên cứu về các lý thuyết khác nhau về công
nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển với đầy đủ về các kiểu và chủng loại.
Thiết bị chuyển đồi năng lượng sóng biển được phân loại như sau:
+ Thiết bị chuyển đổi năng lượng thông qua dao động cột nước
+ Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biến ngập hoàn toàn trong nước
+Thiết bị chuyển đổi năng lượng bằng dao động thân máy
Bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một khái niệm có tính chất đổi mới đối
với việc khai thác năng lượng từ sóng biển và chuyển đổi nó thành một sản phẩm hữu ích
như điện, áp suất thủy lực trực tiếp hoặc nước uống được. Hệ thống có một phần chìm
ngập trong nước biển, thiết bị này có dạng hình trụ gồm nhiều đoạn ống nối với nhau bởi
các khớp nối. Pittong thủy lực lấy lực đẩy từ các đoạn ống chính sẽ bơm chất lỏng áp
suất cao vào các bình chứa sau đó nước được đẩy qua làm quay tubin máy phát điện tạo
ra điện. Năng lượng từ tất cả các khớp được đưa vào một đường cáp rốn đơn đến một
điểm nút trên đáy biển .Các thiết bị được kết nối với nhau và liên kết với bờ thông qua
một cáp duy nhất dưới đáy biển.
Pelamis được thiết kế để neo đậu trong mực nước sâu khoảng 50 – 70m ( cách bờ
khoảng 5 – 7 km), vì nơi này có mức năng lượng cao. Một Pelamis hoàn chỉnh sẽ được
neo đậu sao cho có thể đu đưa đề nhận những con sóng đến và bắt đầu quá trình chuyển
hóa cúa nó tới từ những đỉnh sóng liên tiếp kéo dài miên man sau đó.
Tứ khóa – Pelamis, công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển, năng lượng tái tạo.
PELAMIS WAVE ENERGY CONVERTER
Abstract – Wave Power is a technology that was founded in the 70’s, but which still not
has reached full industrial recognition as a energy source. In this thesis there is a


Trang tựa ..................................................................................................................... i
Lý lịch cá nhân ........................................................................................................... ii
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii
Lời cảm tạ ...................................................................................................................iv
Tóm tắt .........................................................................................................................v
Mục lục .................................................................................................................... vii
Danh sách các chữ viết tắt ..........................................................................................xi
Danh sách các bảng ....................................................................................................xi
Danh sách các hình ................................................................................................... xii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN...................................3
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
đã công bố ....................................................................................................................3
1.1.1 Một số dự án nhà máy điện sóng biển ngoài nước ................................................5
1.1.2 Các nghiên cứu trong nước .................................................................................8
1.2 Mục đích của đề tài .................................................................................................9
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 10
2.1 Lý thuyết cơ bản về trường sóng vùng biển sâu và ven bờ .................................... 10
2.1.1 Dạng sóng biển .................................................................................................. 10
2.1.2 Phân loại sóng biển ............................................................................................ 11
2.1.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân, hiện tượng.................................................. 12
2.1.2.2 Phân loại sóng theo độ cao .............................................................................. 12


viii
2.1.2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh........................................ 12
2.1.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu -số Ursel (Ur) ............ 13
2.2 Các lý thuyết mô phỏng mặt biển có sóng: ............................................................ 13
2.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính ................................................................................... 13
2.2.2 Lý thuyết sóng có biên độ hữu hạn..................................................................... 15

3.2.2.3 Nhà máy điện Oyster....................................................................................... 42
3.2.2.4 Nhà máy điện SDE.......................................................................................... 45
3.2.2.5 Nhà máy điện OWC ........................................................................................ 48
3.3 Đánh giá tiềm năng năng lượng sóng biển tại Việt Nam ....................................... 52
3.3.1 Đánh giá thực tế từ các nghiên cứu .................................................................... 59
3.3.2 Chọn lựa công nghệ ứng dụng tại Việt Nam ...................................................... 60
3.3.3 Thiết kế hệ thống phát điện dùng công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển
Pelamis ...................................................................................................................... 61
3.3.3.1 Chọn lựa thông số thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Pelamis.............. 61
3.3.3.2 Phương án thi công hệ thống ........................................................................... 62
Chương 4. SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐÁP
ỨNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN .................................................................................. 67
4.1 Tổng quan về MATLAB ....................................................................................... 67
4.1.1 Khái niệm về MATLAB .................................................................................... 67
4.1.2 Cấu trúc dữ liệu của MATLAB và các ứng dụng ............................................... 67


x
4.1.2.1 Dữ liệu ............................................................................................................ 68
4.1.2.2 Ứng dụng ........................................................................................................ 68
4.1.2.3 Thanh công cụ Toolbox .................................................................................. 68
4.1.3 Hệ thống Matlab ................................................................................................ 69
4.2 Mô hình hóa, mô phỏng hệ thống động sử dụng Simulink..................................... 70
4.2.1 Khái niệm về Simulink ...................................................................................... 70
4.2.2 Phương pháp xây dựng mô hình ......................................................................... 70
4.2.3 Giới thiệu một số khối chức năng được sử dụng trong mô phỏng ....................... 72
4.2.3.1 Khối Busbar .................................................................................................... 73
4.2.3.2 Khối Three-phase Progammable Voltage Source ............................................ 73
4.2.3.3 Khối Synchronous Machine pu standard ......................................................... 73
4.2.3.4 Khối HTG ....................................................................................................... 76

Hình 3.1: Nguyên lý sử dụng dao động của phao để tạo ra điện năng ......................... 26
Hình 3.2: Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng ............................................... 28
Hình 3.3: Sử dụng dao động thủy lực để biến đổi năng lượng sóng sang điện năng.... 29
Hình 3.4: Phương pháp lắc có công suất lớn để tạo điện năng từ năng lượng sóng .... 30
Hình 3.5: Máy phát điện bằng tuốc bin thuỷ lực......................................................... 32
Hình 3.6: Phương pháp tạo điện năng từ sóng biển bằng guồng quay ......................... 32
Hình 3.7: Nguyên lý làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA ............................. 33
Hình 3.8: Phương thức đặt thiết bị Pelamis ................................................................ 34
Hình 3.9: Hệ thống động lực ...................................................................................... 35
Hình 3.10: Thời gian ý tưởng Pelamis được ứng dụng vào thực tế ............................. 37
Hình 3.11: Hình ảnh thực tế một Pelamis ................................................................... 37


xiii
Hình 3.12: Nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng biển CETO ................................. 39
Hình 3.13: Mô hình đồ họa 3 chiều của một CETO đơn giản ..................................... 40
Hình 3.14: Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Oyster ..................................... 43
Hình 3.15: Nhà máy điện SDE ................................................................................... 46
Hình 3.16: Vị trí lắp đặt nhà máy điện OWC ............................................................. 49
Hình 3.17: Cách bố trí của một nhà máy điện OWC đơn giản .................................... 49
Hình 3.18: Nhà máy điện PICO ................................................................................. 51
Hình 3.19: Nhà máy điện LIMPET ............................................................................ 52
Hình 3.20: Năng lượng sóng trung bình mùa gió đông bắc ........................................ 53
Hình 3.21: Năng lượng sóng trung bình mùa gió tây nam .......................................... 54
Hình 3.22: Năng lượng sóng trung bình năm ............................................................. 55
Hình 3.23: Hệ thống neo đậu cho Pelamis.................................................................. 64
Hình 3.24: Sơ đồ kết nối điện cho một Pelamis .......................................................... 65
Hình 4.1: Mô hình phân tích sóng Sin ........................................................................ 71
Hình 4.2: Cửa sổ tạo các khối từ thư viện .................................................................. 71
Hình 4.3: Cách tiến hành chạy mô phỏng................................................................... 72

biến rất mạnh mẽ, nhiều khu công nghiệp mới hình thành. Bên cạnh đó chúng ta cũng
đang gặp rất nhiều khó khăn về môi trường, đặt biệt Việt Nam là một trong những
nước chịu tác động trực tiếp của sự biến đổi khí hậu, sự ấm lên của bầu khí quyển và
sự gia tăng của mực nước biển. Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch- bền vững
không chỉ nhằm bảo vệ môi trường mà còn góp phần đối phó với biến đổi khí hậu, tạo
sự phát triển cho đất nước là một vấn đề mang tính “thời sự” đã và đang được nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm.
Trong thời gian vừa qua ngành điện ở nước ta phát triển rất nhanh, nhưng vẫn
không đáp ứng đủ điện cho nền kinh tế đang tăng trưởng nhanh và nhu cầu tiêu dùng
của nhân dân. Ngành điện đã phải nhập khẩu thêm điện của Trung Quốc mà vẫn còn
thiếu điện nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống của nhân dân. Nguồn
điện của ta rất đa dạng: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu,
thủy điện, phong điện, điện chạy bằng năng lượng mặt trời...
Than đá, dầu mỏ, khí đốt,... ngày càng cạn kiệt dần nên việc nghiên cứu và xây
dựng các nhà máy phát điện chạy bằng năng lượng tái tạo ở nhiều nước trên thế giới
ngày càng được đẩy mạnh. Việc sử dụng năng lượng sóng biển để chạy máy phát điện
đã được nhiều nhà khoa học ở một số nước trên thế giới nghiên cứu từ lâu bằng những
công nghệ rất hiện đại. Trong các bản tin thời sự ta thường được nghe các nước đang
tích cực đẩy nhanh tỷ lệ phát điện bằng năng lượng tái tạo lên cao. Nhưng rất tiếc rằng
năng lượng tái tạo ở đây mới chỉ thấy nói đến nhiều là năng lượng mặt trời và năng
lượng gió.
Nước ta nối tiếng là một đất nước có bờ biển dài, trải dọc theo toàn bộ chiều dài đất
nước. Với điều kiện được thiên nhiên ưu đãi như vậy, tại sao chúng ta không khai thác

-1-


nguồn năng lượng tái tạo từ đại dương để phục vụ cho việc phát triển, hiện đại hóa đất
nước. Vấn đề đặt ra là tại sao điện chạy bằng năng lượng sóng biển vẫn chưa được phát
triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới ? Phải chăng việc nghiên cứu sử dụng năng


-3-


những công nghệ rất hiện đại và phải đầu tư lớn, nhưng kết quả thu được lại không
nhiều thì giá thành phát điện cao là điều rất dễ hiểu.
+ Tính không ổn định của sóng biển và mực nước biển. Điện sản xuất ra cần đều đặn
và ổn định, nhưng:
- Sóng biển lúc cao, lúc thấp, lúc mạnh, lúc yếu.
- Chu kỳ và khoảng cách giữa 2 làn sóng biển cũng khó xác định.
- Mực nước biển lên cao, xuống thấp theo thủy triều.
+ Khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển thường liên tục mạnh trong nhiều ngày,
lớn hơn những ngày bình thường rất nhiều.
+ Nước biển có độ ăn mòn rất cao.
+ Các thiên tai như động đất, sóng thần,...
+ Nếu nhà máy điện chỉ phát điện được với công suất nhỏ thì rất khó hòa được vào lưới
điện quốc gia.
Theo đánh giá của Trung tâm Năng lượng Tái tạo trên biển Châu Âu, hiện nay có
khoảng 51 loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng . Tuy chưa có được một tiêu chuẩn
phân loại thống nhất, tất cả các dạng thiết bị này có thể được phân loại theo 3 tiêu chí:
+ Theo tiêu chí về vị trí lắp đặt thiết bị.
+ Theo tiêu chí về độ sâu lắp đặt thiết bị.
+ Theo tiêu chí về nguyên lý vật lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng.
Ngoài ra cũng có các phân loại khác, ví dụ như loại thiết bị sử dụng cơ chế dao
động cột nước trong sóng và thiết bị sử dụng nguyên lý tràn nước trong sóng đôi khi
được gọi là thiết bị “ngăn chặn” sóng vì các thiết bị này dựa trên nguyên lý chặn sóng
để tạo ra năng lượng, trong khi đó các loại thiết bị dựa trên cơ chế trường sóng tắt dần
và cơ chế hấp thụ điểm có thể được phân loại dưới dạng thiết bị “lựa theo chiều sóng”.

-4-

sóng
Sóng tràn/ chặn
sóng
Sóng tắt dần

>25

Oceanlinx

Oceanlinx

Aquamarine

Oyster

Wavedragon

Wavedragon

Pelamis Wave
Power

Pelamis

Sóng tắt dần

C-wave

C-wave


AquaBuOY

Hấp thụ điểm

Wavebob

Wavebob

Hấp thụ điểm

Camegie Corp

CETO II

Hấp thụ điểm

WET-NZ

WaveWobbler

1.1.1 Một số dự án nhà máy điện sóng biển ngoài nƣớc
- Nhà máy Pelamis

-5-


Hình 1.1: Dự án Enersis
Là dự án về phát triển năng lượng tái tạo lớn nhất Bồ Đào Nha hiện nay, nó đã thực
hiện xong giai đoạn 1 với ba tổ hợp phát điện có công suất mỗi tổ là 750kW. Các tổ
hợp này được lắp đặt cách bờ biển 5km và có độ sâu đáy biển là 50m.

+ Cấu tạo Oyster

-7-