TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA CÔNG TRÌNH

THUYẾT MINH
ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG
ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
DAO ĐỘNG CỦA TUA BIN ĐIỆN GIÓ NỔI NGOÀI KHƠI
DẠNG TRỤ NEO
Chủ nhiệm đề tài:

ThS. NGUYỄN XUÂN HÒA

Thành viên tham gia:

ThS. TÔ NGỌC MINH PHƯƠNG
ThS. VŨ THỊ KHÁNH CHI

Hải Phòng, tháng4/2016


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ............................................................ 1
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ............................. 2
3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ...................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu ....................... 3
5. Kết quả đạt được của đề tài ............................................................................ 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TUA BIN ĐIỆN GIÓ NỔI NGOÀI KHƠI

2.2.2. Mô phỏng hệ tua bin điện gió nổi dạng trụ có nhiều bộ điều khiển dao
động ............................................................................................................... 22
2.3. Tải trọng tác dụng lên hệ........................................................................... 23
2.3.1. Tải trọng khí động và trọng lực .......................................................... 23
2.3.2. Tải trọng thủy tĩnh .............................................................................. 25


2.3.3. Tải trọng thủy động lực....................................................................... 26
2.4. Phương trình dao động của hệ .................................................................. 28
2.5. Phương trình sóng ..................................................................................... 29
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG....................... 31
3.1. Các kết quả mô phỏng số .......................................................................... 31
3.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 33
3.2.1. Tua bin điện gió dạng trụ lắp đặt 1 bộ điều khiển trong trụ nổi và các
giá trị To, ωs, 2d,  sd biến thiên..................................................................... 33
3.2.2. Tua bin dạng trụ có bộ điều khiển dao động trong hộp máy và trong
móng nổi có ωn biến thiên ............................................................................. 37
3.2.3. Tua bin điện gió dạng trụ neo có nhiều bộ điều khiển trong móng nổi
và/hoặc trong hộp máy với các giá trị ωnj, ωnk thay đổi ............................. 38
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 44
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 46


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1:Bảng thống kê thông số kỹ thuật của mô hình OC3-Hywind .................. 8
Bảng 2: Thông số kỹ thuật của tua bin NREL 5-MW ........................................ 10
Bảng 3: Thông số kỹ thuật của dây neo tua bin dạng trụ đứng .......................... 16
Bảng 4: Các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ ..................................................... 32
Bảng 5: Chuyển vị RMS của hệ khi lắp bộ điều khiển trong thân móng nổi ..... 34


Hình 16: Ảnh hưởng của tỉ số khối lượng của bộ điều khiển và toàn bộ hệ lên
phản ứng của hệ ................................................................................................... 35
Hình 17: Đánh giá phản ứng của hệ không lắp bộ điều khiển dao động và hệ có
lắp bộ điều khiển dao động ................................................................................. 36
Hình 18: Đánh giá phản ứng của hệ không lắp bộ điều khiển dao động và hệ có
lắp 01 bộ điều khiển dao động trong hộp máy và 01 bộ điều khiển dao động
trong thân móng nổi ............................................................................................ 38
Hình 19: Ảnh hưởng của tỉ số khối lượng lên hiệu quả của hệ điều khiển......... 39
Hình 20: Phản ứng của hệ không lắp bộ điều khiển và hệ lắp nhiều bộ điều khiển
trong thân móng nổi ............................................................................................ 41


DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Chữ viết tắt, chữ đầy đủ, nghĩa, chữ của từ

Trang


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Khai thác, sản xuất và tiêu thụ năng lượng có nguồn gốc hóa thạch (dầu mỏ,
than đá) là các nguyên nhân chính làm tăng lượng khí nhà kính dẫn đến biến đổi khí
hậu - một mối nguy của toàn cầu, nhưng nhu cầu về năng lượng lại ngày càng tăng
nhanh. Trong khi đó, các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần và có tác động
mạnh đến môi trường, các nguồn thủy điện thì rất nhạy cảm với hệ sinh thái và thiên
tai như lũ lụt và động đất. Năng lượng hạt nhân thì có nhiều nguy cơ mất an toàn và
thiếu biện pháp dài hạn cho các chất thải hạt nhân. Vì thế, công nghệ năng lượng ở các
nước tiên tiến hiện nay đang chuyển dần sang các nguồn tái tạo và sạch như mặt trời,

lớn về điện gió như Mỹ, bờ tây của phía nam châu Phi, Tây Ban Nha, Na-Uy, Nhật
Bản, Ấn Độ và vùng biển phía đông nước Úc. Việc xây dựng các nhà máy điện gió
ngoài khơi cũng khả thi bởi vị các bộ phận của tua-bin gió có thể vận chuyển bằng xàlan hoặc tàu biển tới địa điểm lắp dựng.Nhà máy điện gió trên bờ thường chỉ có tổng
công suất dưới 50 MW nhưng tổng công suất của một nhà máy điện gió ngoài khơi có
thể hơn 100 MW.Móng, kết nối lưới điện và bảo trì khi vận hành là các thách thức
hiện nay của điện gió ngoài khơi. Giá thành của tua-bin điện gió ngoài khơi có chân đế
ngàm cứng ở đáy biển thường tăng theo độ sâu của nước, vì thế các loại chân đế này
thường không kinh tế ở các vùng biển sâu hơn. Bởi vậy, với các vùng biển xa bờ và
sâu thì các tua-bin có chân để nổi có hiệu quả kinh tế và hợp lý nhất.Các chân đế nổi
cho tua-bin điện gió có thể thừa hưởng nhiều công nghệ từ công nghiệp dầu khí ngoài
khơi.Để giảm thiểu dao động dịch chuyển, các chân đế nổi thường có kích thước lớn
và trọng lượng của nó cũng lớn hơn nhiều so với trọng lượng của kết cấu tuabin.Chính vì vậy, có thể lắp dựng các tua-bin có công suất lớn, từ 5 đến 10 MW, để
giảm thiểu giá thành sản xuất điện. Một báo cáo gần đây của Ủy ban Năng lượng quốc
tế (International Energy Agency, IEA) đã chỉ ra rằng năng lượng gió ngoài khơi là một
trong các công nghệ năng lượng tái tạo có nhiều hứa hẹn nhưng mới chỉ phát triển ở
một mức độ nào đó.
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Nhiều thiết kế sơ bộ của tổ hợp tua-bin điện gió nổi đã được thực hiện cho tua
bin điện gió nổi ngoài khơi nhằm tính toán các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của việc sản
xuất điện năng từ gió. Các thiết kế đó đã khảo sát các vấn đề về pháp lý, tác động đến
môi trường, chế tạo, lắp dựng và vận hành. Tuy nhiên, có ít nghiên cứu tìm hiểu về
điều khiển dao động của tua bin điện gió dạng trụ trong điều kiện tải trọng đồng thời
của gió-sóng-tua bin vận hành. Nghiên cứu này dựa trên kết quả các nghiên cứu trước
về mô phỏng thân móng nổi, mô phỏng hệ dây neo, tính toán tải trọng tác dụng lên hệ,

Trang 2


đánh giá phản ứng của tua bin khi chịu tải trọng gió-sóng và tải trọng gây ra do quá
trình vận hành của tua bin và kết quả nghiên cứu điều khiển dao động của Tiến sĩ Đinh

Nghiên cứu sử dụng phương pháp toán để tiến hành mô phỏng và đánh giá phản

ứng động lực học của công trình tua bin điện gió nổi dạng trụ trong điều kiện khí hậu
và môi trường biển nước sâu.
-

Tri thức sẽ rút ra được từ công trình nghiên cứu:

Trang 3


Những nghiên cứu mô tả trong đề cương này sẽ cung cấp nền tảng để hiểu biết
về tua bin điện gió nổi dạng trụ có ảnh hưởng đến xác định phản ứng của toàn bộ hệ
dao động.

Trang 4


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TUA BIN ĐIỆN GIÓ NỔI NGOÀI KHƠI DẠNG
TRỤ ĐỨNG
1.1

Tua bin điện gió nổi ngoài khơi (FOWT)
Đối với tua bin điện gió nổi ngoài khơi, góc nghiêng cánh quạt và mô men xoắn

khi sản xuất điện năng được giả thiết để nhằm mục đích cải thiện sự tắt dần dao động
và xác định tải trọng lên móng nổi [1,2,3]. Mặc dù các giả thiết trên có hiệu quả trong
một số mặt, các giả thiết trên vẫn tồn tại nhược điểm là tăng bước của bộ dẫn động
cánh sử dụng, thay đổi năng lượng hệ và tăng tải trọng mỏi gây ra lên cánh quạt và tải

Phân loại qua bin điện gió ngoài khơi
Có hai loại tổ hợp tua-bin điện gió nổi ngoài khơi, là tổ hợp đơn tua-bin và tổ

hợp đa tua-bin. Một số thiết kế trước đây đã đề xuất tổ hợp gồm nhiều tua-bin đặt trên
một chân đế nổi có kích thước lớn để giảm tỷ lệ giữa chiều cao đón gió và chiều rộng
của chân đế nổi, nhằm giảm dịch chuyển của chân đế và cũng để tăng hiệu quả kinh tế
vì chỉ cần một hệ thống neo giữ. Tuy nhiên dạng tổ hợp này có tải trọng lớn do sóng
biển và dòng chảy tác dụng lên chân đế, đồng thời các tua-bin phải chịu nhiều
gió nhiễu động do hoạt động của các tua-bin khác trong cùng tổ hợp nên điện năng sản
xuất và tuổi thọ tua-bin bị giảm. Vì vậy, tổ hợp đơn tua-bin trên chân đế nổi thích hợp
hơn cho điện gió ngoài khơi.
Có ba dạng chân đế nổi là dạng trụ (spar, S), neo đứng (tension-leg, TLP) và sà
lan (barge, B) như Hình 1. Chân đế trụ gồm một hình trụ có mớn nước sâu, dùng neo
võng (catenary) hoặc neo căng (taut), và ổn định nhờ ballat bằng cách hạ khối tâm
xuống dưới tâm nổi (ballat là vật liệu có trọng lượng riêng lớn đặt tại phần đáy trụ).
Chân đế neo đứng ổn định nhờ cân bằng của các dây neo căng chịu kéo và lực đẩy nổi
dư tác dụng lên chân đế. Chân đế sà lan thường được neo bằng dây neo dạng võng và
ổn định nhờ diện tích choán mặt nước.
Việc lựa chọn loại tổ hợp tua-bin nổi cho điện gió ngoài khơi dựa vào vị trí lắp
đặt và các điều kiện làm việc như độ sâu đáy biển, các yếu tố môi trường như vận tốc
gió, sóng biển và thủy triều, khoảng cách tới bờ, và các đặc tính của đáy biển, như mô
tả ở Hình 1. Một tổ hợp tua-bin nổi thường gồm hệ neo (dây neo, vật nặng và neo),
chân đế, tháp trụ, cánh quạt, động cơ, hộp số, bánh răng tốc độ cao, bánh răng tốc độ
thấp, bộ phát điện, bộ điều khiển, cơ cấu điều chỉnh góc nghiêng và hướng đón gió, hệ
thống thủy lực và làm nguội. Mỗi một dạng chân đế của tổ hợp đơn tua-bin đều có ưu
điểm, nhược điểm và điều kiện làm việc riêng biệt. Tua-bin có chân đế dạng trụ phù
hợp nhất ở các vùng biển sâu. Hơn nữa, khối tâm thấp rất hiệu quả trong việc triệt tiêu
các dao động xoay quanh các trục ngang (Hình 2). Ổn định bằng ballat cho phép giảm
giá thành bằng cách sử dụng các vật liệu nặng và rẻ. Bên cạnh đó, diện tích choán mặt
nước nhỏ và mớn nước sâu của chân đế trụ cũng làm giảm các lực kích thích dao dộng

Trang 7


Hình 2: Cấu tạo điển hình tua bin điện gió nổi dạng trụ neo
Bảng 1:Bảng thống kê thông số kỹ thuật của mô hình OC3-Hywind
Kích thước chiều rộng x dài

6,5m đến 9,4m

Chiều sâu ngập nước

120m

Khối lượng choán nước

8029m3

Khối lượng, bao gồm đối trọng

7466000kg

Trọng tâm dưới mặt thoáng (SWL)

89,92m

Mô men quán tính trong mặt phẳng 4,229,000,000kg*m2
vuông góc phương sóng tới, tại mặt
thoáng

Trang 8

384,200,000N

Dây neo liên kết vào thân trụ thông qua mối nối dạng tam giác để tăng độ cứng
chống xoắn của hệ. Mô hình này được thiết kế đặc biệt để đỡ máy phát điện, hộp máy
và thân tháp của hệ thống tua bin NREL 5MW.

Hình 3: Các bậc tự do khi xét đến dao động của tua bin điện gió

Trang 9


Hình 4:Mô hình tua bin điện gió nổi ngoài khơi OC3-Hywind SB
1.4

Cấu tạo hộp máy
Hộp máy được chế tạo để chứa lắp đặt phòng làm việc đủ cho một công nhân làm

việc, thao tác bên trong, chứa được máy phát điện, tủ điều khiển, và các thiết bị liên
quan việc truyền tải điện.
Các thông số tua bin NREL 5-MW được thể hiện trong bảng dưới đây
Bảng 2: Thông số kỹ thuật của tua bin NREL 5-MW
Công suất danh nghĩa

5MW

Hướng rotor

Ngược gió, 3 cánh

Điều khiển

110,000kg

Trọng lượng vỏ

240,000kg

Trọng lượng thân trụ

347,500kg

Trọng tâm (CM)

(-0.2m, 0.0m, 64.0m)

1.5

Cấu tạo cánh quạt tua bin
Một điểm quan trọng trong việc xây dựng mô hình thực nghiệm tua bin điện gió

nổi là việc thiết lập tải trọng gió và sóng tác dụng đồng thời trong bể thử. Điều đó đặc
biệt quan trọng khi nghiên cứu trạng thái dao động phức tạp và tải trọng của tua bin
quay trên móng dao động trong điều kiện gió và sóng đồng thời.
Mục đích chính trong việc xây dựng mô hình thu nhỏ tua bin điện gió là mô
phỏng tải trọng gió chính xác như là trong công trình thực bằng cách sử dụng phép thu
nhỏ Froude cho tua bin vận hành trong điều kiện thực tế. Tuy nhiên, phương pháp mô
phỏng sử dụng tỉ lệ Froude có nhược điểm là hệ số Reynol của gió nhiễu rất thấp. Tải
trọng chủ yếu bao gồm tải trọng theo phương ngang và tải trọng theo phương đứng tác
dụng lên thân tháp và móng nổi. Nghiên cứu này mô tả biện pháp thu nhỏ tỉ lệ mô hình
tua bin của phòng thí nghiệm trường đại học Maine.
Phòng thí nghiệm trường đại học Maine thiết kế cánh quạt rotor cho mô hình

nghiệm. Trong quá trình thiết kế, MARIN phân tích thiết kế của rotor với phần mềm
PROPID, được thiết kế bởi đại học Illinois, PROPID ứng dụng lý thuyết phần tử mô
men cánh (BEMT). Để đạt được phản ứng khí động học của cánh tua bin, hình dạng
của cánh rotor được thiết kế với hệ số Reynolds thấp do cánh tua bin trong mô hình
được thể hiện trong hình 5. Hệ số Reynolds thấp nhận được do việc sử dụng phép xây
dựng mô hình tỉ lệ Froude và hệ số Reynolds thấp từ 10,000 tại vị trí hộp máy đến
50,000 tại vị trí mũi cánh trong trường hợp tải trọng gió điển hình. Do đó việc áp dụng
thiết kế gió rối cho trường hợp hệ số Reynold thấp được đưa vào xem xét.

Hình 5: Hệ số Reynolds phân bố theo chiều dài cánh tua bin

Hình 6: Mặt cắt cánh quạt tua bin trong trường hợp tỉ số r/R=0.7
MARIN thiết kế cánh rotor sử dụng phần mềm Drela AG04 mặt cắt có hệ số
Reynolds thấp là điểm đầu. Chiều dày của cánh và mép của mặt cắt tăng lên để đạt yêu
cầu thiết kế của vật liệu xây dựng composite, hình 6 thể hiện cả mô hình cánh quạt.
Hình 7 thể hiện sự phụ thuộc của hệ số lực đẩy CT, hệ số năng lượng CP với hệ
số vận tốc tại mũi cánh (TSR) được tính toán bởi PROPID (cho việc xây dựng mô
hình). Kết quả tính toán được so sánh với giá trị thực tế của tua bin NREL 5MW thực
tế đã lắp đặt. Kết quả tính toán của phần mềm BEMTtương đối chính xác mô phỏng sự

Trang 12


thay đổi hệ số CT, điều này phù hợp với giả thiếtban đầu. Sự thay đổi của hệ số CP
không tương đồng với công trình thực đúng như dự đoán ban đầu.

Hình 7: Hệ số lực đẩy CT và CP của mô hình tính toán so với mô hình thực tế đã lắp
đặt
Mặc dù phương pháp BEMT của phần mềm PROPID được ứng dụng thành công
trong ngành công nghiệp điện gió trong nhiều năm, tuy nhiên giả thiết không có dòng

trong hình 9. So với kết quả thu được từ thực tế, lực đẩy thu được có sự tương đồng
đáng kể. Do hệ số Reynolds thấp, hệ số nhớt tăng lên làm giảm mô men xoắn dẫn đến
hệ số CP thấp so với hệ số CP của tua bin thực tế.

Trang 14


Hình 9: Hệ số CT và CP khi tính toán bằng ReFRESCO và công trình tua bin lắp đặt
thực tế
Mặc dù không phù hợp hoàn toàn so với lực đẩy của tua bin NREL 5MW, thiết
kế cánh quạt mới có được sự cải thiện đáng kể so với phương pháp mô phỏng dựa trên
kích thước hình học [9]. Vì vậy, thiết kế mới được sử dụng để đưa vào chế tạo và sử
dụng cho thí nghiệm này.
1.6

Cấu tạo hệ dây neo
Theo Jonkman (2010) dây neo móng trụ neo bao gồm 3 dây neo (bảng 3) mỗi

dây neo dài 902,2m và trọng lượng dây khi ngập nước là 698,094N/m. Chiều sâu mực
nước tại vị trí lắp đặt là 320m, vị trí buộc dây neo được giả thiết tại độ sâu 70m dưới
mát thoáng. Khoảng cách từ vị trí buộc neo đến đáy biển là 250m, góc phương vị giữa
2 dây neo thép là 1200. Trong thiết kế móng trụ, dây neo được thiết kế riêng biệt để
xác định góc nghiêng tại vị trí buộc neo để xác định vị trí đặt neo. Nghiên cứu [10] sử
dụng phần mềm STAT MOOR (Mavrakos 1992) để tính chiều dài dây neo, trong đó,
tiết diện dây neo gồm nhiều đoạn có tiết diện khác nhau. Từ đó tác giả xác định vị trí
câu bằng và xác định lực kéo ngang trong tương đương tại vị trí buộc neo vào thân trụ
nổi.

Trang 15


698.094N/m
384,243,000N
98,340,000Nm/rad

Theo Jokman (2010) tải trọng đứng mà dây neo tính toán là 160,000N, V =
535,667N mỗi dây. Căn cứ vào theo tải trọng tác dụng vào đầu dây tại thân trụ nổi
theo phương đứng và trọng lượng riêng của dây theo chiều dài ω.
Công thức xác định chiều dài dây neo :
ls 

V

0

(9)

Căn cứ vào khoảng cách theo phương đứng từ vị trí buộc dây neo vào thân trụ
đến đáy biển, D, lực ngang tại vị trí buộc neo :

H

(ls2  D 2 )
2D

(10)

Chiều dài dây neo khi xét trên phương ngang:
x

H

CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ TUA BIN ĐIỆN GIÓ NỔI NGOÀI KHƠI
2.1. Xây dựng mô hình tua bin điện gió nổi ngoài khơi dạng trụ đứng
Phần móng nổi được coi là tuyệt đối cứng do tiết diện ngang lớn. Chuyển vị và vận tốc
của hệ tua bin coi như không đáng kể. Đường kính thân phần móng nổi coi là nhỏ so
với chiều cao của hệ và chiều cao sóng nên công thức Morrison được sử dụng để tính
toán tải trọng thủy động lực học. Mô hình tính toán đề xuất của hệ tua bin trụ đứng
được thể hiện trong hình 11

Hình 11: Mô hình tính toán tua bin điện gió nổi ngoài khơi dạng trụ đứng
Trong đó:
B: tâm đẩy nổi của hệ
G: trọng tâm của hệ
F:vị trí neo cáp vào thân móng nổi

Trang 18