BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Nguyễn Văn Hải

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH
TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG
SÓNG BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Nguyễn Văn Hải

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH
TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS.TSKH. Nguyễn
Đông Anh, người thầy đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực
hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào
tạo trong quá trình học nghiên cứu sinh. Tôi xin cảm ơn Viện Cơ học, Học viện
Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn tới Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã hỗ trợ kinh phí thông qua đề tài khoa học công nghệ VAST 01.10/16-17 để
có được các kết quả nghiên cứu của luận án.
Xin cảm ơn các đồng nghiệp ThS. Lê Chí Công, ThS. Nguyễn Như Hiếu,
cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận án này.


iii

MỤC LỤC

Trang
Lời cam đoan ………………………………………………………………….

i

Lời cảm ơn ……………………………………………………………………

ii

Mục lục ……………………………………………………………………….



5

1.1.2. Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển ……………………………

6

1.1.3. Nhận xét và đánh giá …………………………………………………...

11

1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển tại Việt Nam ………………………………………………………
1.3. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị phát điện từ năng lượng sóng
biển tại Việt Nam và định hướng nghiên cứu của luận án …………………….

13
17

1.3.1. Vị trí địa lý và tiềm năng năng lượng sóng biển Việt Nam …………….

17

1.3.2. Phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án ……...

22

Kết luận chương 1 ………………………………………………………..........

25


2.3. Tối ưu hóa mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………….

41

2.3.1. Tính toán tối ưu hóa mô hình thiết bị theo điều kiện sóng biển Việt
Nam ……………………………………………………………………………

41

2.3.2. Khảo sát công suất cơ hệ theo kích thước phao ………………………...

49

2.4. Xây dựng chương trình mô phỏng số và khảo sát sự hoạt động của thiết
bị chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……………..
2.4.1. Xây dựng chương trình mô phỏng số ………………………..................
2.4.2. Tính toán mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị chuyển đổi từ năng
lượng sóng biển sang năng lượng cơ học ……………………………………..
2.4.3. Khảo sát tính phi tuyến và chuyển động của mô hình theo biên độ sóng
biển …..………………………………………………………………………..

52
52
54
61

Kết luận chương 2 ………………………………………………………..........

63


75

3.3.2. Mạch bảo vệ …………………………………………………………….

82

3.4. Chế tạo thiết bị ……………………………………………………………

83

3.4.1. Chế tạo các cơ cấu bộ phận của thiết bị ………………………………...

83


v

3.4.2. Lắp ghép hiệu chỉnh thiết bị ……………………………………………

85

3.4.3. Kiểm tra sự hoạt động của thiết bị tại phòng thí nghiệm .........................

86

Kết luận chương 3 ……………………………………………………………..

87



100

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ………………………………..

102

TÀI LIỆU THAM KHẢO .……………………………………………………

103

PHỤ LỤC …………………………………………………………………….

109

Phụ lục A: Các số liệu về sóng biển …………………………………………..

109

Phụ lục B: Các bản vẽ thiết kế ………………………………………………...

115

Phụ lục C: Thông số mô hình của mô tơ phát điện ……………………………

129


vi



Chuyển động của sóng biển (m)

γ

Hệ số cản (Ns/m)

γf

Hệ số cản nhớt (Ns/m)

γem

Hệ số cản điện (Ns/m)

t, τ

Thời gian (s)

Pgm

Công suất cơ hệ của thiết bị (W)

kL

hệ số đàn hồi tuyến tính của lò xo (N/m)

kN

hệ số phi tuyến của lò xo ( N/m3)


Chiều cao (m)

l, Lr, Lp

Chiều dài (m)

Փ

Đường kính (m)

h1, h2, h3

Chiều cao (m)

Pe

Công suất điện của thiết bị phát ra khi thử nghiệm (W)

UDC

Điện áp một chiều (VDC)

UAC

Điện áp xoay chiều (VAC)


vii


Cảm ứng từ (T)

s

Thiết diện dây ( m2)

d

Đường kính dây (m)

η

Hiệu suất chuyển đổi của thiết bị

ηm

Hiệu suất phần cơ hệ của quá trình truyền năng lượng từ
phao nhận được đến mô tơ phát điện

ηe

Hiệu suất phần điện của thiết bị

ηdc-ac

Hiệu suất bộ chuyển đổi DC-AC

ηg

Hiệu suất của mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Công suất cơ hệ Pgm theo bán kính phao tại các chu kỳ sóng biển

50

Bảng 3.1. Các thông số chính trong mô hình …………………………………

69

Bảng 4.1. Các kết quả thử nghiệm nhận được về công suất điện của thiết bị

93

phát ra tại biển ……………………………………………………………….
Bảng 4.2. Giá trị công suất điện phát ra trung bình theo tải thử ……………..

94


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Mô hình thiết bị phát điện Hyperbaric, Brazil ……………………...

5

Hình 1.9. Sơ đồ đo kiểm tra thiết bị hoạt động tại biển của L. Ulvgard ………

11

Hình 1.10. Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí ………..

13

Hình 1.11. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện cố định trên mặt biển ………………

14

Hình 1.12. Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội ……...

14

Hình 1.13. Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng

15

lượng .…… ……………………………………………………………………
Hình 1.14. Cấu trúc hệ thiết bị phát điện trực tiếp gắn cố định ở đáy biển …...

16

Hình 1.15. Sơ đồ các điểm khảo sát và tính thông lượng năng lượng sóng …..

19

Hình 1.16. Độ cao sóng trung bình mùa gió mùa đông bắc tại Biển Đông …...


Hình 2.4. Đồ thị công suất cơ hệ theo hệ số cản ………………………………

46

Hình 2.5. Mô tơ phát điện và bộ chuyển đổi ổn định điện áp 12 VDC ……….

47

Hình 2.6. Đồ thị đặc trưng về điện áp và cường độ dòng điện của mô tơ phát

48

điện theo tốc độ chuyển động quay …………………………………………...
Hình 2.7. Các đường đặc trưng công suất cơ hệ theo tần số góc ……………...

49

Hình 2.8. Đồ thị công suất cơ hệ theo bán kính phao …………………………

51

Hình 2.9. Sơ đồ khối của chương trình ………..................................................

53

Hình 2.10. Đồ thị công suất cơ hệ theo tần số góc ……………..……………..

54


Hình 2.18. Đồ thị đặc trưng công suất theo biên độ sóng biển ……………….

60

Hình 2.19. Đồ thị công suất cơ hệ của thiết bị nhận được theo biên độ sóng

61

tại các chu kỳ sóng biển ……………………………………………………….
Hình 2.20. Đồ thị đặc trưng công suất cơ hệ nhận được theo biên độ sóng

62

biển .…………………………………………………………………………...
Hình 2.21. Chuyển động của phao theo biên độ sóng biển …………………...

63

Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển ………..……

66

Hình 3.2. Cấu trúc tổng thể phần cơ hệ của thiết bị ……..……………………

67

Hình 3.3. Cấu trúc lõi thiết bị phát điện ………………………………………

68



Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại DC-DC ………………………..

80

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điện áp 220 VAC ………………

81

Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ ……………………………………..

83

Hình 3.14. Chế tạo vỏ thiết bị và phao tại xưởng ……………………………..

84

Hình 3.15: Chế tạo trục piston, thanh răng và các khớp nối …………………..

84

Hình 3.16. Board mạch chuyển đổi DC-AC và bảo vệ ………...……………..

85

Hình 3.17. Lõi thiết bị phát điện ........................................................................

85

Hình 3.18. Lắp ghép toàn bộ thiết bị .................................................................


Hình 4.6. Đồ thị dạng sóng điện áp do thiết bị chế tạo phát ra ………………..

95

Hình 4.7. Dạng sóng điện áp 220 VAC tần số 50 Hz của các thiết bị sẵn có

96

trên thị trường ………………………………………………………………..
Hình 4.8. Cấu trúc sơ đồ khối hiệu suất hoạt động của thiết bị ………………

97


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Theo tính toán của các nhà khoa học, với tốc độ sử dụng năng lượng như
hiện nay, nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm tới. Việc tìm kiếm
nguồn năng lượng thay thế đang là nhu cầu thiết yếu. Đối với Việt Nam, định
hướng chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn 2050
đã ghi rõ: “Phấn đấu tăng tỷ lệ nguồn năng lượng mới và tái tạo chiếm khoảng 5%
tổng năng lượng vào năm 2020 và khoảng 11% vào năm 2050”. Về kinh tế, đến
năm 2020 kinh tế biển sẽ chiếm trên 50% GDP. Do đó nhu cầu cần thiết về nguồn
năng lượng để cung cấp cho nền kinh tế nói chung và kinh tế biển nói riêng là rất
quan trọng, đặc biệt điện năng phục vụ an ninh quốc phòng trên biển (nguồn điện sử
dụng trên các nhà dàn DKI, các ngọn đèn hải đăng v.v.) là nhiệm vụ cấp bách, trong
khi điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới. Do vậy, việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị

số phương trình chuyển động phi tuyến của mô hình, phương pháp Simpson tính
tích phân số. Xác định mức công suất cơ hệ của thiết bị nhận được từ năng lượng
sóng biển, phân tích đánh giá sự phi tuyến của mô hình, quỹ đạo chuyển động và
biên độ dao động của mô hình theo các điều kiện sóng biển.
- Tính toán thiết kế và chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, thử
nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển để kiểm chứng kết quả lý thuyết và phân
tích hiệu suất hoạt động của thiết bị.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đưa ra được một phương pháp nghiên cứu với cách tiếp cận từ việc khảo
sát các điều kiện thực tế của sóng biển để thực hiện xây dựng mô hình cơ học, tính
toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế tại biển.
- Chế tạo được một mẫu thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển, thiết bị
hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam.
- Thiết bị có khả năng sử dụng trong việc làm phao báo dẫn đường biển hay
làm nguồn cấp điện cho các đèn hải đăng.
5. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án gồm: phần mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết luận
và kiến nghị, phần danh mục công trình của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục.


3

Chương 1: “Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ
năng lượng sóng biển và khả năng ứng dụng thiết bị tại Việt Nam”. Trong chương
này trình bày nghiên cứu tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển trên thế giới và Việt Nam, phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết
bị. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển tại
Việt Nam, phân tích nhu cầu thực tế và định hướng nghiên cứu của luận án, nhằm
xây dựng được một mô hình thiết bị hoạt động hiệu quả và phù hợp với điều kiện
thực tế biển Việt Nam.

VỀ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TẠI VIỆT NAM
Chương 1 nghiên cứu tổng quan về các mô hình thiết bị phát điện từ năng
lượng sóng biển trên thế giới và Việt Nam; Phân tích ưu nhược điểm của các mô
hình thiết bị đang được nghiên cứu chế tạo ở trong nước và trên thế giới; Thu thập,
phân tích các số liệu thực tế về điều kiện biển Việt Nam và nhu cầu sử dụng thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển trong thực tế, làm cơ sở để xác định phạm vi và
định hướng nghiên cứu của luận án. Mục tiêu xây dựng được một mô hình thiết bị
phát điện từ năng lượng sóng biển, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế biển
Việt Nam, khả năng gia công chế tạo trong nước, cũng như đáp ứng nhu cầu cần
thiết của xã hội.
1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị phát điện từ năng lượng
sóng biển trên thế giới
Trên thế giới, việc nghiêu cứu, chế tạo các thiết bị phát điện từ nguồn năng
lượng sóng biển đang được quan tâm và phát triển mạnh. Đặc biệt ở các vùng đảo
xa ngoài biển, các thiết bị phát điện từ nguồn năng lượng sóng biển đã đáp ứng
được một phần trong nhu cầu sử dụng điện năng. Các mô hình thiết bị được nghiên
cứu, chế tạo theo nhiều phương pháp và cách thức hoạt động khác nhau, với các
thiết bị phát điện lắp đặt trên bờ, hay thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển theo
phương pháp thả nổi trên mặt biển hoặc gắn cố định ở đáy biển. Hiện nay, các mô
hình thiết bị này đã, đang được khai thác sử dụng tại một số nước như: Anh, Bồ
Đào Nha, Canada, Đan Mạch, Hàn Quốc, Mỹ, Na Uy, Nhật Bản, Pháp, Tây Ban
Nha, Thụy Điển v.v. Ví dụ ở Tây Ban Nha, họ định hướng phát triển mạnh nguồn
năng lượng tái tạo và đề ra đến năm 2020 đảm bảo 42,3% năng lượng điện tiêu thụ
được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó phát triển điện năng từ
nguồn năng lượng sóng biển là mũi nhọn. Tại Anh, các chuyên gia ước tính trong
tương lai việc phát triển điện sóng biển sẽ đáp ứng được 25% nhu cầu năng lượng
điện sử dụng. Tại Mỹ đã có các tính toán về kế hoạch phát triển nguồn năng lượng




Hình 1.2. Mô hình thiết bị phát điện Oyster [4]
1.1.2. Các thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển
Hiện nay các mô hình thiết bị phát điện hoạt động ngoài biển đang được
nghiên cứu chế tạo theo nhiều phương pháp, cách thức khác nhau và được phân
thành hai loại chính: thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển và thiết bị phát điện gắn
cố định ở đáy biển.
* Thiết bị phát điện thả nổi trên mặt biển: loại mô hình thiết bị này đang
được nghiên cứu chế tạo ở nhiều nước trên thế giới, tiêu biểu như: thiết bị phát điện
dạng rắn biển (Pelamis), thiết bị phát điện dạng phao nổi (Buoy). Chúng được chế
tạo để sử dụng trong các hoạt động ngoài khơi xa và ở vùng nước sâu, với công suất
phát điện từ vài chục đến vài trăm kW [1,4-8]:
- Thiết bị phát điện dạng rắn biển: được thiết kế chế tạo gồm bốn boong phao
thả nổi trên mặt biển, thiết bị có dạng ống hình trụ nửa chìm nửa nổi trên mặt biển
và được kết nối với nhau bằng các khớp thủy lực. Thiết bị có chiều dài khoảng
140÷150 m, đường kính ống 3÷3,5 m, sử dụng ba mô tơ phát điện với tổng công
suất phát điện vào khoảng 750 MW. Dưới tác dụng của sóng biển, hệ thống phao
chuyển động uốn theo sóng và truyền chuyển động kích bơm thủy lực hoạt động để
đẩy quay các mô tơ phát điện được lắp đặt bên trong các boong phao. Hiện nay,
dạng mô hình thiết bị này đã, đang được chế tạo và khai thác sử dụng tại các nước:
Anh, Bồ Đào Nha, Na Uy v.v. [1,3-5].


7

Hình 1.3. Thiết bị phát điện dạng rắn biển [4]
- Thiết bị phát điện dạng phao nổi: được thiết kế chế tạo dạng trụ đứng và
hoạt động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng. Thiết bị gồm hai phần, phần
tĩnh đứng yên lơ lửng trong môi trường biển chứa các cuộn dây của máy phát, phần
chuyển động chứa các nam châm máy phát được gắn cố định trong thân phao và thả

1.6). Dưới tác dụng của sóng biển, phao thiết bị chuyển động lên xuống theo
phương thẳng đứng được truyền dẫn kéo mô tơ phát điện hoạt động và phát ra điện
năng. Thiết bị được thiết kế chế tạo với công suất phát điện khoảng 5 kW.

Hình 1.6. Cấu trúc mô hình thiết bị thả nổi trên mặt biển [12]


9

* Thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển: các mô hình thiết bị phát điện
này chủ yếu gồm hai loại thiết bị phát điện phao nổi và thiết bị phát điện phao chìm.
Các mô hình thiết bị này hoạt động phù hợp ở các vùng nước nông, gần bờ với công
suất phát điện mức vừa và nhỏ. Thiết bị được chế tạo hoạt động theo phương thẳng
đứng, phần phát điện gắn cố định ở đáy biển, phần phao nhận năng lượng sóng biển
được thả nổi trên mặt biển hay chìm lơ lửng trong nước biển. Dưới tác động của
sóng biển, phao truyền năng lượng nhận được từ sóng biển đến mô tơ phát điện qua
dây cáp và một hệ thống cơ cấu phù hợp. Công suất phát điện của thiết bị thường từ
vài trăm oát cho đến cỡ 10 kW, các mô tơ phát điện được nghiên cứu chế tạo dạng
chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng [4,8,13-21]. Trong đó,
tiêu biểu là các công trình nghiên cứu tại Đại học Uppsala – Thụy Điển như: tính
toán mô phỏng số sự tương tác giữa phần thiết bị phát điện gắn ở đáy biển và phao
thiết bị thả nổi trên mặt biển, với công suất phát điện định mức 10 kW của Mikael
Eriksson [13]. Trong nghiên cứu của Cecilia Bostrom tính toán thiết kế hệ thiết bị
chuyển đổi từ năng lượng sóng biển sang điện năng, tác giả thực hiện tính toán mô
hình thiết bị sử dụng mô tơ phát điện ba pha chuyển động tịnh tiến lên xuống theo
phương thẳng đứng, xây dựng các mạch lọc để ổn định điện áp đầu ra với công suất
phát điện lên đến 20 kW, đồng thời đưa ra phương pháp tích hợp các thiết bị phát
điện riêng lẻ thành một hệ thống phát điện ổn định để truyền tải điện năng đến nơi
tiêu thụ [14].



nhằm thu được mức công suất điện phát ra đạt lớn nhất [22]. Công trình nghiên cứu
của Liselotte Ulvgard [23], nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị đo kiểm tra đánh
giá trong thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động thực tế
tại biển, áp dụng cho mô hình thiết bị phát điện sử dụng loại mô tơ phát điện chuyển
động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng. Tác giả đưa ra phương pháp thực
hiện, thiết kế chế tạo hệ thống đo với các thông số đo kiểm tra về công suất trên cơ
sở đo điện áp và cường độ dòng điện của thiết bị phát ra, đo biến dạng vỏ thiết bị và
độ lớn lực thiết bị nhận được tại đầu trục piston từ phao truyền đến.

Hình 1.9. Sơ đồ đo kiểm tra thiết bị hoạt động tại biển của L. Ulvgard [23]
1.1.3. Nhận xét và đánh giá
Từ các nghiên cứu và phân tích ở trên cho thấy, các mô hình thiết bị phát
điện được nghiên cứu và chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau như thiết bị phát
điện đặt trên bờ, thiết bị phát điện gắn cố định ở đáy biển hay thiết bị phát điện thả
nổi trên mặt biển. Mỗi mô hình thiết bị chế tạo đều có các ưu nhược điểm khác
nhau, tùy theo khả năng chế tạo của từng đơn vị và mục đích sử dụng thiết bị trong
thực tế.
- Các mô hình thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển lắp đặt trên bờ được
xây dựng với các mô tơ phát điện công nghiệp truyền thống. Ưu điểm: toàn bộ phần
phát điện của thiết bị được lắp đặt trên bờ sẽ thuận lợi trong bảo dưỡng, sửa chữa và
truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ. Nhược điểm: các mô hình phát điện này được
xây dựng cố định không có khả năng di động trong sử dụng, hiệu suất chuyển đổi


12

năng lượng thấp do phần phát điện được lắp đặt trên bờ cách xa bộ phận thu nhận
năng lượng hoạt động ở dưới biển.
- Các thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển hoạt động ngoài biển thường