Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
KHOA: CÔNG NGHỆ NHIỆT - LẠNH

Tiểu luận môn

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Đề tài:

Hệ thống năng lượng sóng biển “ANACONDA”

GVHD:

TS. Nguyễn Thanh Hào

Trang 1


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát
triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu
mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng
trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng

I-

GIỚI THIỆU..........................................................................................7

II-

GIẢ THUYẾT.......................................................................................8

III-

THỰC NGHIỆM XÁC MINH............................................................10

IV-

THIẾT KẾ QUY MÔ ĐẦY ĐỦ..........................................................10

V-

LÝ THUYẾT PHỤ LỤC.....................................................................13

PHẦN III: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG SÓNG
BIỂN ANACONDA BẰNG CAO SU ( Development Of The Anaconda AllRubber WEC)......................................................................................................16
I-

KHÁI QUÁT.........................................................................................16

II-

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG................................................................16


Con sóng đập vào một đầu của thiết bị tạo ra sức ép hình thành nên “sóng
phình” bên trong ống. Khi sóng phình chạy qua ống, đợt sóng biển tạo ra nó chạy
dọc phần ngoài của ống với cùng một tốc độ, tạo thêm sức ép lên ống và khiến
sóng phình ngày càng lớn hơn. Sau đó sóng phình làm quay một tuabin nằm ở đầu
còn lại của thiết bị và năng lượng tạo ra được chuyển đến bờ biển qua cáp.
Vì được làm từ cao su, Anaconda nhẹ hơn nhiều các thiết bị năng lượng
sóng khác (thường được làm bằng kim loại) đồng thời không cần đến búa thủy
động, khớp nối và bản lề. Điều này làm giảm số vốn cần có, chi phí bảo trì cũng
như khả năng hỏng hóc. Tuy nhiên, Anaconda mới chỉ ở giai đoạn phát triển ban
đầu. Khái niệm này chỉ được chứng minh trong quy mô phòng thí nghiệm, vì vậy
câu hỏi quan trọng về khả năng hoạt động tiềm năng của nó vẫn cần lời giải đáp.

Trang 4


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

Thiết bị Anaconda có thể
được sử dụng theo nhóm
20 hoặc hơn.
Với nguồn tài trợ từ Hội đồng nghiên cứu kỹ thuật và khoa học tự nhiên
(EPSRC) các kỹ sư tại đại học Southampton phối hợp với các nhà phát minh và các
nhà phát triển Anaconda (Checkmate SeaEnergy) đang bắt tay thực hiện một
chương trình thử nghiệm trên quy mô lớn hơn cùng các nghiên cứu toán học cần
thiết. Sử dụng ống với đường kính 0.25 và 0.5 mét, thí nghiệm sẽ đánh giá hoạt
động của Anaconda trong điều kiện sóng đều đặn, sóng không đêu đặn, và sóng dữ
dội. Các thông số được đánh giá bao gồm áp suất bên trong, thay đổi hình dạng
ống và các lực mà cáp biển phải chịu. Dữ liệu này sẽ là cơ sở cho mô hình toán học

Trang 6


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

PHẦN II: SÓNG PHÌNH CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
SÓNG BIỂN (The bulge wave sea energy converter)
(Nguồn tài liệu: ./down.html)
I-

GIỚI THIỆU:
Lưu ý này mô tả một cách hoàn toàn mới chiết xuất năng lượng từ sóng
biển, dựa trên sóng phình di chuyển dọc theo một ống cao su có thể làm nở [1].
Ống thông thường đường kính 7 m và dài 150 m và chứa đầy nước, được định
hướng theo hướng dao động của làn sóng. Các sóng kích động một chỗ phình ra
trong ống đi chỉ ở phía trước của sóng giống như một bảng lướt, đón năng lượng
và tăng dần về kích thước. Chỗ phình tập trung di chuyển, Có thể triết xuất các
năng lượng từ biển đến khi kết thúc vào tuabin. Tính toán cho thấy một ống có kích
thước này sẽ nhận khoảng 1 megawatt công suất trung bình từ các sóng Đại Tây
Dương.

Hình 1.Sóng phình đưa ra bởi tay; vận tốc khoảng 3 m / s.
Hệ thống này rất đơn giản, chỉ cần một ống cao su trong biển với một số van
đầu vào thu nước và một tuabin máy phát điện. Ống mềm và giản nở, nó có thể uốn
Trang 7


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

Sóng phình trong ống là một làn sóng áp lực dao động ,cực âm và cực dương
liên kết gắn liền với dao động và qua lại theo chiều dọc của nước trong ống.ở cuối
của ống dài là một bước song. Các áp suất dao động gấp ba lần chuyển động của
sóng biển.Năng lượng trong ống tỉ lệ thuận với diện tích của nó. Năng lượng đó
liên quan đến năng lượng trên một mét mặt trước biên dạng sóng bởi một tham số
được gọi là " chiều rộng bao phủ " (CW).
Trong thực tế, thiết bị thu thập tất cả các năng lượng ở biển từ một mặt tiền
của sóng bằng với chiều rộng chụp. Chiều rộng chụp dự đoán được vẽ trong hình 2
như là một chức năng giai đoạn song đường kính ống 7 m và 150 m dài. Chúng ta
thấy rằng Chiều rộng lưu giữ tối đa là gần 50 m và phản ứng là khá rộng. Trung
bình trên dãi sóng biển, một trong những dự kiến chiều rộng bao phủ trung bình là
khoảng 20 m. Trong điều kiện điển hình của Đại Tây Dương, năng lượng sóng biển
là 50 kW / m, do đó, năng lượng thu được trung bình sẽ là khoảng 1kw.
Chiều rộng bao phủ của sóng hiện tại năng lượng chuyển đổi thường là chỉ
có một phần nhỏ trong số này, và chúng là tương đối xây dựng các cấu trúc nổi.

Trang 9


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

Hình 3: Ống phình trrong bể với áp kế. Những cơn sóng đang đến từ bên trái
Dao động trong áp kế là khoảng 5 lần chiều cao sóng
III-

THỰC NGHIỆM XÁC MINH
Khái niệm này đã được xác nhận trong một bể sóng, xem hình. 3. Một ống
cao su 12 cm và có đường kính dài 2,2 m được trang bị với áp kế tại mỗi đầu để


mooring
generator
duck bill valve
distensible tube
150
Hình 4.Thiết kế quy mô đầy đủ. Khi áp suất phình dao động ở phần cuối của biến động tiêu cực của ống,
nước bị hút vào qua van hóa đơn vịt, duy trì một áp lực tích cực trong ống.

Một dòng chảy ổn định ở cung ổ đĩa tua bin tạo ra điện.đến bằng biên độ của
các dao động áp lực, thường khoảng 4 m nước đầu. Nước vào thông qua các dòng
chảy nghiêm khắc dọc theo ống và lối thoát hiểm thông qua một tua-bin đầu thấp
tiêu chuẩn nằm ở mũi. ống làm mềm dòng chảy. Do đó, năng lượng trong sóng
được chuyển đổi thành một dòngchảy êm lượng nước thông qua các tua bin ở
cung, tạo ra điện. Một sự sắp xếp phức tạp hơn ("áp lực khuếch đại") có thể được
sử dụng ở phía đuôi để bơm ống.
Khi chỗ phình ra ống, năng lượng được lưu trữ trong các bức tường cao su,
xem phụ lục eq (21). Sản lượng trung bình cho 1 MW công suất đỉnh khoảng 3
MW. Với vận tốc sóng 15 m / s tương ứng với sóng 10 s, năng lượng được lưu trữ
cho mỗi mét chiều dài là 800 kJ / m. So sánh điều này với 250 kJ/m3 được lưu trữ
cao su với E = 2MPa 50% biến dạng, độ dày thành cần thiết cho ống có đường
kính 7 m đến 15 cm. Nhưng điều này chỉ cần thiết ở phần cuối của ống: một nửa

Trang 11


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

hệ thống Đơn giản
Ít phải bảo dưỡng
Độ dẽo ống tốt
•

Hiện trạng: Khái niệm này được bảo vệ bởi một ứng dụng bằng sáng chế của Anh
Quốc [3] và có rất nhiều thời gian cho các ứng dụng quốc tế. Việc tìm kiếm chính
thức bởi phòng sáng chế đã cho thấy không có nghệ thuật signif-bộ phận trước đây.
Chương trình nghiên cứu của Giáo sư Chaplin giải quyết tất cả các vấn đề khoa
học :phát triển đó là đường kính khoảng 1,5m, thích hợp để cài đặt trên một bãi
biển,công suất điện trung bình khoảng 50 KW.

V-

LÝ THUYẾT PHỤ LỤC:
Cho pb là áp lực bên trong các ống phình do các chỗ căng của ống (gọi là áp
lực lồi ra) và pw là áp lực trong làn sóng bên ngoài. Áp suất bên trong sau đó p =
pb + pw. Cho u là vận tốc hạt trong sóng phình theo chiều dọc tọa độ x. với một
chất lỏng không nén được ρ bên trong ống tốc này là do những áp lực.

(1)
Sự thay đổi trong ống cắt ngang S là

(2)
Ta cần loại bỏ u :


GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

(7) là biểu thức sóng phình với các ống trong không khí hoặc nước bình tĩnh.
Theo quy ước thông thường cho phương trình vi phân, Đó là chức năng bổ sung,
CF.
Trong sự hiện diện của một làn sóng bên ngoài với k1 số sóng và vận tốc C1
= ω/k1 và biên độ A, áp lực sóng pw = ρgA cos (ωt - k1x) và chúng ta có thể giải
quyết (6) để có được một giải pháp, đặc biệt là thiếu PI, bằng cách thay thế pb=
ρgB cos (ωt –k1x). Sử dụng (8)này thỏa mãn (6)

Tìm chiều rộng Từ (6) và (7) ta nhận thấy rằng biên độ vận tốc ngang trong
con sóng này.

Trang 15


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

PHẦN III: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG SÓNG BIỂN ANACONDA BẰNG CAO SU
(Development Of The Anaconda All-Rubber WEC)
(Nguồn tài liệu: ./down.html)

I-

KHÁI QUÁT :
The ANACONDA all-rubber WEC hoạt động theo một cách hoàn toàn mới,
giữ lại sóng biển ở dạng “sóng phình” trong một ống cao su khổng lồ chứa đầy

có một sự khuếch đại cộng hưởng của sóng phình, và năng lượng sóng nước được
giữ lại như sóng phình. Có một số cách khác nhau xem cơ chế mà sóng biển kích
thích sóng phình, Vấn đề nghiêm trọng, cũng không kém phần hiệu quả cho dù
thiết bị cố định dưới đáy biển trong vùng nước cạn, hoặc nổi ngay trên bề mặt và
uốn theo biên dạng dao động của sóng.
1.

Nếu ống dẻo như một quả bóng cao su rất mỏng, chuyển động của nước bên
trong sẽ giống như nhau nếu không có ống. Ống này sẽ bị dẹt thành một
hình elip cắt ngang dưới đáy sóng, và kéo dài thành một hình elip cắt ngang
dưới đỉnh sóng. Bởi vì chiều rộng của nó sẽ giống nhau ở mọi nơi, diện tích
mặt cắt ngang của nó sẽ giảm dưới đáy sóng và tăng dưới đỉnh sóng. Điều
này cho thấy rằng sóng phình sẽ được kích thích trong ống, cho dù đó là
nằm dưới đáy biển trong vùng nước nông, hoặc trôi nổi ngay trên bề mặt và

2.

uốn theo biên dạng dao động của sóng.
Nếu ống vô cùng cứng như một ống cứng, và được nằm dưới đáy biển cạn
nước, nước bên sẽ ổn định và do đó có áp lực liên tục. Áp lực bên ngoài sẽ
giảm dưới đáy sóng, và tăng dưới đỉnh sóng, do đó, sẽ có một sự khác biệt
áp suất dao động qua các thành ống. Điều này rõ ràng sẽ kích thích sóng
phình trong ống, không cứng. Nếu ống đủ mềm dẻo để nổi ngay trên bề mặt
nước và uốn theo biên dạng dao động của sóng, nhưng vẫn không thay đổi
diện tích mặt cắt ngang của nó, sau đó một lần nữa vận tốc trục trong đó sẽ
là số không (hoặc liên tục dọc theo nó, bảo toàn thể tích chất lỏng, như trong
Trang 17


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

cần thiết trong các kích thích, điều này phát sinh bởi vì C không bằng C *. Nếu C
là C *, thì sự khác biệt này nhỏ, do đó sự kích thích nhỏ từ sóng biển thì tạo ra
sóng phình lớn bên trong ống. Theo Farley and Rainey (2006b), trạng thái biên độ
Trang 18


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

ổn định cuối cùng của sóng phình thì được tính toán, nếu các thiết bị dài vô hạn,
bằng cách sử dụng các thiết bị cổ điển của một hệ quy chiếu di chuyển theo tốc độ
sóng.
Tỷ lệ áp lực trong những con sóng phình và sóng biển được thể hiện là (1 –
(C/C*)2)-1,

do đó biên độ sóng phình là vô hạn trên phân tích này khi C = C *. Điều

này là chính xác tương tự như sự cộng hưởng trong một con lắc đơn giản, được
kích thích bởi một chuyển động bên của trục của nó, với một tần số góc Ω gần với
tần số góc của con lắc tự nhiên Ω *. Một lần nữa, con lắc không cần kích thích để
dao động ở tần số tự nhiên của nó, do đó, các ngoại lực phát sinh chỉ là “tạo nên sự
chênh lệch” bởi vì Ω không phải là bằng Ω *, và có một khuếch đại năng động
bằng một hệ số (1 - (Ω / Ω *) 2) -1.
Một phân tích khác được đưa ra trong Farley và Rainey (2006c, 2006d), bằng
cách sử dụng hệ quy chiếu cố định thông thường tham khảo và phương trình vi
phân sóng phình (xem phần 2). Điều này khẳng định kết quả sớm hơn và cũng cho
phép ảnh hưởng trễ trong cao su, và sự phát triển của sóng phình để được xem xét,
bắt đầu từ biên độ 0 đến cuối của thiết bị. Sự cộng hưởng, nó phát triển tuyến tính
xuống thiết bị, với chỗ phình lướt trên mặt trước của sóng như dự đoán ở mục (3)


Trang 20


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

dưới mực nước tĩnh trên đường tâm của dãy sóng rộng 0,42m, dài 18 mét, với độ
sâu tĩnh của nước 0,7m.
Hình 2 dưới đây cho thấy mô hình tại chỗ, đáp ứng với sóng tới từ bên trái.
Trong các thí nghiệm, ống áp lực được để một đầu dư khoảng 70mm, và sau đó bịt
kín. Một đầu dò ghi nhận áp lực bên trong ở một đầu ống. Sóng thường xuyên có
thể được tạo ra trong hồ với một wavemaker loại nắp với sự hấp thụ chủ động, và
những người thông qua các mô hình Anaconda đạt được hiệu quả tán xạ trong một
cái nêm thẳng đứng của bọt polyete vững chắc mà từ đó phản xạ ít hơn 3%. Đồng
hồ đo sóng ghi nhận độ cao mặt nước phía trước và phía sau m ô hình.

Hình2: Bên trái, hình ảnh của mô hình sóng Anaconda trong một bể hẹp.Những hình
ảnh trên cho thấy đoạn cuối của ống trong sự lan truyền sóng từ trái sang phải. Quan
điểm dưới đây là của sóng phình di chuyển trong cùng một hướng, như được thấy qua
sàn kính của bể. Bên phải được hiển thị chiều rộng bao phủ được suy ra từ phép đo áp
suất bên trong (vòng tròn) và từ các phép đo của sự cố, phản xạ và truyền tải sóng (lai).

Dự tính ban đầu về tốc độ sóng phình đã được thực hiện từ những quan sát chỗ
phình ra bắt đầu bằng tay, lan truyền dọc theo một ống chứa đầy nước nằm trên
một bề mặt nằm ngang trong không khí. Trong những điều kiện mặt cắt ngang của
ống là chắc chắn không tròn, nhưng tốc độ đo được trong vòng 10% của giá trị lý
thuyết cho một ống tròn của cùng một khu vực. Về mặt lý thuyết chỗ phình tốc độ


lực bên ngoài, và pb vượt quá áp lực nội bộ được hỗ trợ bởi sự căng thẳng trong
thành ống. Áp suất tại tất cả các điểm dọc theo ống đã được ước tính bằng cách sử
dụng phương trình này với điều kiện biên thích hợp đóng cuối cùng, và phù hợp
với áp lực vào cuối làn sóng xuống của ống với các phép đo. Từ kết quả nhấn
Trang 22


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

mạnh đó là sau đó có thể để tính toán tổn thất trễ và chiều rộng bao phủ có liên
quan.

IV-

BỘ TRUYỀN LỰC:
Những ống cao su trong hệ thống ANACONDA chỉ là giai đoạn đầu tiên của
quá trình chuyển đổi năng lượng từ những đợt sóng nhỏ thành những đợt sóng lớn
và nó cần thiết để chuyển hóa điện năng.Dòng chuyển đổi trong vùng sóng giống
như dòng khí trong WEC của cột nước,vì vậy có thể dung OWC(oscillating water
column) như là một turbin(hay ngược lại).Hiệu sấut của những turbin loại này là đã
biết trước,tuy nhiên năng lượng lcủa nó cũng dễ do động.
Trong trường hợp dùng ANACONDA,đường ống nước rất hữu ích,van 1
chiều ở cuối dường ống cho phép nước đi qua với áp lực cao hoăc thấp(hình
3),Hình 3 minh họa thiết bị dặt dưới đáy biển,nơi đặt bể chứa.Một turbin được đặt
ở nơi bằng phẳng trong bể chứa

Hình 3.Bản thiết kế thiết bị dưới đáy biển,1 turbin thủy lực được đặt giữa
nơi bằng phẳng trong bể chứa.


Trang 24


Hệ thống năng lượng sóng biển “Anaconda”

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hào

Hai cái bể chứa đầy khí được biểu diễn bằng màu xanh đậm và những thiết
bị khác được biễu diễn những màu khác nhau (để tiện lợi trong việc phân biệt
chúng) độ cao khác nhau giữa chúng là để cân bằng chênh lệch cột áp.Bộ truyền
lực đang vận hành là một sự vượt trội về công nghệ của WEC với áp lực nước cao
vào trong bồn áp lực cao, áp lực nước thấp vào bồn chứa áp lực thấp.Loại trừ
những áp suất cao bởi vì chúng là áp suất trong vùng sóng, không phải nằm ngoài
bụng sóng.

Hình 5: Hệ thống ANACONDA hoàn tất với bộ truyền lực. Túi chứa khí được biểu
diễn bằng màu xanh đậm.

V-

TÍNH KINH TẾ:
Với độ bền của cao su trong hệ thống ANACONDA thì đó là sự hấp dẫn cho
các nhà đầu tư. Những tàu đệm khí với những vỏ bọc cao su phía dưới là một ví dụ
diển hình về sự hoàn hảo của nó. Xem hình 6

Trang 25