Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí thiết kế và mô phỏng hệ thống tái tạo năng lượng từ sóng biển với hệ truyền động thủy tĩnh

Khám phá thiết kế và mô phỏng hệ thống tái tạo năng lượng sóng biển sử dụng truyền động thủy tĩnh, ứng dụng công nghệ tiên tiến cho hiệu suất tối ưu.

• Tác giả: Phạm Văn Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Danh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết kế và mô phỏng hệ thống tái tạo năng lượng từ sóng biển với hệ truyền động thủy tĩnh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu điện năng lượng sóng trên thế giới
• 1.2. Lịch sử phát triển của bộ chuyển đổi năng lượng sóng
• 1.3. Tình hình sử dụng điện sóng trên thế giới
• 1.4. Tình hình nghiên cứu điện sóng ở Việt Nam
• 1.5. Tình hình cung – cầu điện năng ở Việt Nam
• 1.6. Tiềm năng của năng lượng sóng biển ở Việt Nam
• 1.7. Các dự án năng lượng sóng đã và đang được xây dựng ở Việt Nam
• 1.8. Cấu tạo và nguyên lý bộ chuyển đổi năng lượng sóng
• 1.9. Một số mô hình chuyển đổi năng lượng sóng hiện nay
• 1.10. Mục tiêu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHAO
• 2.1. Mô hình hệ thống phao
• 2.2. Thông số hình học của phao cầu
• 2.3. Tính toán hệ thống cân bằng
• 2.4. Tính toán chọn bơm, motor
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY TĨNH
• 3.1. Bộ truyền động thủy tĩnh
• 3.2. Phương trình động lực học trục bơm
• 3.3. Mô hình toán học bình trữ khí nén
• 3.4. Mô hình toán học van an toàn
• 3.5. Phương trình động lực học trục Motor
• 3.6. Mô hình toán học bộ truyền thủy tĩnh
• 3.6.1. Mô hình toán học trên nhánh áp suất cao
• 3.6.2. Mô hình toán học trên nhánh áp suất thấp
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Mục tiêu điều khiển
• 4.2. Phương trình động lực học máy phát điện. Bộ điều khiển tốc độ máy phát điện
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Thiết kế mô hình hệ thống
• 5.2. Kết quả mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Các nhiệm vụ hoàn thành
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống tái tạo năng lượng

Luận văn tập trung vào hệ thống tái tạo năng lượng từ sóng biển, một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng. Năng lượng sóng biển được xem là giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt. Các phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng được nghiên cứu, trong đó phương pháp sử dụng hệ thống phao nổi kết hợp với truyền động thủy tĩnh được ưu tiên. Hệ thống này hấp thụ năng lượng từ sóng biển và chuyển đổi thành dòng lưu chất áp suất cao, tạo ra điện năng. Luận văn nhấn mạnh việc tối ưu hóa bán kính phao để tăng hiệu suất hấp thụ năng lượng.

1.1. Công nghệ tái tạo năng lượng

Các công nghệ tái tạo năng lượng hiện nay bao gồm năng lượng mặt trời, gió và sóng biển. Trong đó, năng lượng sóng biển có hiệu suất chuyển đổi cao hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác. Luận văn đề cập đến ba phương pháp chính để dự trữ năng lượng sóng biển: mô hình hồ chứa, cột nước dao động và phao nổi. Phương pháp phao nổi được nghiên cứu nhiều nhất do tính linh hoạt và hiệu quả.

1.2. Hệ thống năng lượng tái tạo

Hệ thống năng lượng tái tạo từ sóng biển bao gồm các thành phần chính như phao nổi, bộ truyền động thủy tĩnh và máy phát điện. Phao nổi hấp thụ năng lượng từ sóng biển, chuyển đổi thành chuyển động cơ học, sau đó được truyền qua hệ thống thủy tĩnh để tạo ra điện năng. Luận văn sử dụng phần mềm AMEsim và Matlab/Simulink để mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống này.

II. Thiết kế hệ thống năng lượng

Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống năng lượng từ sóng biển. Luận văn đề xuất thiết kế hệ thống phao hình cầu kết hợp với truyền động thủy tĩnh. Các thông số sóng như bước sóng, chu kỳ sóng và chiều cao sóng được xác định trước để xây dựng mô hình toán học. Hệ thống được mô phỏng trong ba trường hợp: bán kính phao bất kỳ, bán kính phao tối ưu không sử dụng bình trích chứa và bán kính phao tối ưu có sử dụng bình trích chứa. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của việc tối ưu hóa bán kính phao và sử dụng bình trích chứa.

2.1. Mô phỏng hệ thống năng lượng

Mô phỏng hệ thống năng lượng được thực hiện bằng phần mềm AMEsim và Matlab/Simulink. Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng để mô tả quá trình hoạt động. Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt về hiệu suất giữa các trường hợp bán kính phao khác nhau. Việc sử dụng bình trích chứa giúp ổn định dòng năng lượng và tăng hiệu suất chuyển đổi.

2.2. Tối ưu hóa thiết kế

Luận văn tập trung vào tối ưu hóa thiết kế hệ thống phao nổi. Bán kính phao được tối ưu hóa để hấp thụ năng lượng sóng biển một cách hiệu quả nhất. Kết quả cho thấy bán kính phao tối ưu giúp tăng đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Ngoài ra, việc sử dụng bình trích chứa giúp ổn định hệ thống và tăng hiệu suất tổng thể.

III. Truyền động thủy tĩnh

Truyền động thủy tĩnh là thành phần quan trọng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển. Luận văn nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động thủy tĩnh. Hệ thống này bao gồm bơm thủy lực, motor và bình trích chứa. Phương trình động lực học của trục bơm và motor được xây dựng để mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của việc điều khiển hệ thống truyền động thủy tĩnh để máy phát điện hoạt động ở chế độ tối ưu.

3.1. Mô hình toán học

Mô hình toán học của hệ thống truyền động thủy tĩnh được xây dựng để mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng. Phương trình động lực học của trục bơm và motor được sử dụng để mô phỏng hoạt động của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ổn định và hiệu quả của hệ thống khi được điều khiển tối ưu.

3.2. Điều khiển hệ thống

Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống truyền động thủy tĩnh để đảm bảo máy phát điện hoạt động ở chế độ tối ưu. Bộ điều khiển tốc độ máy phát điện được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của việc điều khiển hệ thống trong việc tăng hiệu suất tổng thể.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tế

Luận văn đưa ra các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của hệ thống tái tạo năng lượng sóng biển. Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa bán kính phao và sử dụng bình trích chứa giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc cung cấp điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo. Luận văn cũng đề xuất hướng phát triển trong tương lai để cải thiện hiệu suất và tính kinh tế của hệ thống.

4.1. Đánh giá hiệu suất

Đánh giá hiệu suất của hệ thống được thực hiện thông qua kết quả mô phỏng. Việc tối ưu hóa bán kính phao và sử dụng bình trích chứa giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Kết quả cho thấy hệ thống có thể hoạt động ổn định và hiệu quả trong điều kiện thực tế.

4.2. Ứng dụng thực tế

Hệ thống tái tạo năng lượng sóng biển có tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc cung cấp điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo. Luận văn đề xuất các hướng phát triển trong tương lai để cải thiện hiệu suất và tính kinh tế của hệ thống, bao gồm việc nghiên cứu thêm về vật liệu và công nghệ chế tạo phao nổi.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, đặt ra thách thức lớn về an ninh năng lượng toàn cầu. Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng sơ cấp của Việt Nam tăng trung bình 6,54%/năm trong giai đoạn 2000-2009, đạt 57 triệu TOE vào năm 2009. Nhu cầu điện năng cũng tăng nhanh với tốc độ 14-15%/năm, dự báo đến năm 2020 nhu cầu điện sẽ đạt khoảng 200.000 GWh, trong khi sản lượng điện nội địa chỉ đáp ứng được khoảng 165.000 GWh, dẫn đến thiếu hụt 20-30%. Trước tình hình này, năng lượng tái tạo trở thành giải pháp ưu tiên, trong đó năng lượng sóng biển được đánh giá là nguồn năng lượng sạch, bền vững và có tiềm năng lớn với công suất trung bình dọc bờ biển Việt Nam đạt từ 15 đến 30 kW/m.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống tái tạo năng lượng từ sóng biển sử dụng phao nổi kết hợp hệ truyền động thủy tĩnh. Mục tiêu chính là tối ưu hóa bán kính phao để hấp thụ năng lượng sóng tối đa và điều khiển hệ thống truyền động thủy tĩnh nhằm duy trì máy phát điện hoạt động ở chế độ tối ưu, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình phao hình cầu, sử dụng dữ liệu sóng biển giả định với bước sóng 30 m, chu kỳ sóng 4,68 giây và biên độ sóng 0,75 m. Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink và AMEsim, nhằm đánh giá hiệu quả của các phương án thiết kế trong điều kiện vận hành thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, góp phần giảm áp lực lên nguồn năng lượng truyền thống và thúc đẩy phát triển bền vững. Kết quả nghiên cứu không chỉ hỗ trợ phát triển công nghệ năng lượng sóng biển mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng hệ truyền động thủy tĩnh trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết dao động cơ học của phao nổi: Mô hình phao hình cầu được mô tả bằng phương trình động lực học dạng tổng quát, bao gồm các lực kích động, lực thủy tĩnh, lực ma sát nhớt và lực ma sát khô. Tần số dao động tự nhiên của phao được tính toán để đồng bộ với tần số sóng nhằm tối đa hóa năng lượng hấp thụ.

• Mô hình truyền động thủy tĩnh: Hệ thống truyền động thủy tĩnh vòng kín gồm bơm lưu lượng hai chiều và motor thủy lực, kết nối với máy phát điện. Mô hình toán học bao gồm phương trình động lực học trục bơm và motor, mô hình bình trữ khí nén, van an toàn và các phương trình cân bằng lưu lượng, áp suất trong mạch thủy lực.

• Khái niệm hiệu suất chuyển đổi năng lượng: Hiệu suất tổng thể bao gồm hiệu suất biến đổi năng lượng sóng thành năng lượng cơ (η₁) và hiệu suất biến đổi năng lượng cơ thành điện năng (η₂). Nghiên cứu tập trung tối ưu hóa cả hai thành phần này.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu sóng biển giả định với bước sóng 30 m, chu kỳ sóng 4,68 giây, biên độ sóng 0,75 m, cùng các thông số vật liệu và hình học phao được xác định dựa trên lý thuyết và tài liệu chuyên ngành.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học hệ thống phao và truyền động thủy tĩnh, sau đó mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và AMEsim. Các mô phỏng được thực hiện với ba trường hợp: bán kính phao ngẫu nhiên, bán kính phao tối ưu không sử dụng bình trích chứa, và bán kính phao tối ưu có sử dụng bình trích chứa.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung trên mô hình mô phỏng kỹ thuật, không áp dụng khảo nghiệm thực tế với cỡ mẫu vật lý. Thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2016.

• Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp mô phỏng cho phép đánh giá hiệu quả thiết kế và điều khiển hệ thống trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau, tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế. Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng giúp mô phỏng chính xác các hiện tượng động lực học và thủy lực phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Bán kính phao tối ưu: Tính toán và mô phỏng cho thấy bán kính phao hình cầu tối ưu là khoảng 5,68 m (bán kính trong), giúp phao đạt tần số dao động tự nhiên trùng với tần số sóng (chu kỳ 4,68 giây). Với bán kính này, biên độ dao động phao lớn hơn đáng kể so với các bán kính nhỏ hơn hoặc lớn hơn, dẫn đến công suất hấp thụ trung bình đạt khoảng 49.963 W, cao hơn khoảng 20-30% so với các trường hợp khác.

2. Hiệu quả hệ truyền động thủy tĩnh: Việc lựa chọn bơm thủy lực Boschrexroth A4VSG kích cỡ 250 với công suất 321 kW và motor A2FM size 500 giúp hệ thống vận hành ổn định ở tốc độ vòng quay phù hợp (bơm 1325,5 vòng/phút, motor 1500 vòng/phút). Điều này đảm bảo máy phát điện hoạt động trong vùng hiệu suất tối ưu, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng cơ thành điện.

3. Ảnh hưởng của bình trích chứa: Mô phỏng trường hợp sử dụng bình trích chứa khí nén cho thấy hệ thống có khả năng điều tiết lưu lượng và áp suất trong mạch thủy lực hiệu quả hơn, giúp giảm dao động không mong muốn và duy trì công suất đầu ra ổn định. Điều này làm tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống, đặc biệt trong điều kiện sóng biến động.

4. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng: Hệ thống phao nổi kết hợp truyền động thủy tĩnh đạt hiệu suất hấp thụ năng lượng sóng khoảng 60%, cao hơn đáng kể so với các phương pháp khác như cột nước dao động (50%) và hồ chứa (20%). Việc điều khiển hệ thống thủy tĩnh giúp máy phát điện duy trì hoạt động ở chế độ tối ưu, góp phần nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng cơ thành điện.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc tối ưu hóa bán kính phao là yếu tố then chốt để tăng hiệu quả hấp thụ năng lượng sóng. Biểu đồ dao động vị trí phao và công suất hấp thụ minh họa rõ sự khác biệt giữa các kích thước phao, với bán kính tối ưu cho biên độ dao động lớn nhất và công suất hấp thụ cao nhất. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất hấp thụ năng lượng của hệ thống phao nổi trong luận văn tương đương hoặc vượt trội hơn các thiết bị Pelamis và AquaBuoy.

Việc sử dụng hệ truyền động thủy tĩnh với bơm và motor được lựa chọn kỹ càng giúp duy trì số vòng quay máy phát điện trong vùng hiệu suất cao, giảm tổn thất năng lượng. Mô hình bình trích chứa khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định áp suất và lưu lượng, từ đó giảm thiểu dao động và tăng độ bền cho hệ thống. Biểu đồ mô men và tốc độ motor trong các trường hợp có và không có bình trích chứa cho thấy sự ổn định và hiệu quả vận hành được cải thiện rõ rệt khi sử dụng bình trích chứa.

So với các nghiên cứu khác, luận văn đã kết hợp thành công mô hình phao nổi với hệ truyền động thủy tĩnh và điều khiển tối ưu, góp phần nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo tại Việt Nam và các vùng biển có điều kiện tương tự.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống phao với bán kính tối ưu: Thực hiện khảo nghiệm ngoài biển để đánh giá hiệu suất thực tế và điều chỉnh thiết kế phù hợp với điều kiện sóng biển tại Việt Nam. Thời gian đề xuất: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu năng lượng tái tạo, các trường đại học kỹ thuật.

2. Phát triển hệ thống điều khiển tự động cho truyền động thủy tĩnh: Áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại nhằm duy trì máy phát điện hoạt động ở chế độ tối ưu trong mọi điều kiện sóng biến động. Mục tiêu nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng cơ thành điện thêm 10-15%. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu chuyên ngành điều khiển tự động.

3. Nâng cấp và mở rộng hệ thống bình trích chứa khí nén: Thiết kế bình trích chứa có dung tích và áp suất phù hợp để tăng khả năng điều tiết lưu lượng, giảm dao động và tăng độ bền hệ thống. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Các công ty thiết kế hệ thống thủy lực.

4. Xây dựng mô hình kinh tế kỹ thuật và đánh giá tác động môi trường: Phân tích chi phí đầu tư, vận hành và lợi ích môi trường khi ứng dụng hệ thống năng lượng sóng biển tại các vùng ven biển Việt Nam. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Các viện nghiên cứu kinh tế năng lượng và môi trường.

5. Tăng cường hợp tác quốc tế và đào tạo nguồn nhân lực: Học hỏi kinh nghiệm từ các dự án năng lượng sóng biển trên thế giới, đồng thời đào tạo kỹ sư chuyên ngành để phát triển và vận hành hệ thống. Chủ thể: Bộ Khoa học và Công nghệ, các trường đại học kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình toán học chi tiết về hệ thống phao nổi và truyền động thủy tĩnh, hỗ trợ phát triển các dự án năng lượng sóng biển.

2. Các doanh nghiệp và nhà đầu tư trong ngành năng lượng: Thông tin về hiệu suất, thiết kế và mô phỏng giúp đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của công nghệ năng lượng sóng biển.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và phân tích về tiềm năng năng lượng sóng biển, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, năng lượng: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, học tập và phát triển các đề tài liên quan đến chuyển đổi năng lượng và hệ thống thủy lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn phao hình cầu trong thiết kế hệ thống?
   Phao hình cầu có cấu trúc đơn giản, dễ tính toán và chế tạo. Hình dạng này giúp tối ưu hóa tần số dao động tự nhiên, đồng thời tăng diện tích tiếp xúc với sóng, nâng cao hiệu suất hấp thụ năng lượng.

2. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng sóng biển hiện nay đạt bao nhiêu?
   Theo mô phỏng, hiệu suất hấp thụ năng lượng sóng của hệ thống phao nổi đạt khoảng 60%, cao hơn so với các phương pháp khác như cột nước dao động (50%) và hồ chứa (20%).

3. Vai trò của bình trích chứa khí nén trong hệ thống là gì?
   Bình trích chứa giúp điều tiết lưu lượng và áp suất trong mạch thủy lực, giảm dao động không mong muốn, duy trì công suất đầu ra ổn định và tăng độ bền cho hệ thống truyền động thủy tĩnh.

4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống?
   Luận văn sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng động lực học phao và hệ truyền động, kết hợp với AMEsim để mô phỏng chi tiết hệ thống thủy lực, giúp đánh giá hiệu quả thiết kế và điều khiển.

5. Khó khăn chính khi ứng dụng công nghệ năng lượng sóng biển là gì?
   Khó khăn bao gồm chi phí đầu tư cao, hiệu suất chuyển đổi chưa tối ưu, điều kiện môi trường biển khắc nghiệt và thách thức trong việc lắp đặt, bảo trì thiết bị ngoài khơi.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công hệ thống tái tạo năng lượng sóng biển sử dụng phao nổi kết hợp truyền động thủy tĩnh, đạt hiệu suất hấp thụ năng lượng sóng khoảng 60%.
• Bán kính phao hình cầu tối ưu được xác định là 5,68 m, giúp đồng bộ tần số dao động phao với tần số sóng, tối đa hóa công suất hấp thụ.
• Hệ thống truyền động thủy tĩnh với bơm và motor được lựa chọn phù hợp giúp máy phát điện hoạt động ổn định trong vùng hiệu suất cao.
• Việc sử dụng bình trích chứa khí nén cải thiện đáng kể độ ổn định và hiệu quả vận hành của hệ thống.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ năng lượng sóng biển tại Việt Nam, góp phần giải quyết thách thức thiếu hụt năng lượng và thúc đẩy phát triển bền vững.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế, phát triển hệ thống điều khiển tự động và xây dựng mô hình kinh tế kỹ thuật. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tiễn.

Hãy cùng chung tay đầu tư nghiên cứu và phát triển năng lượng sóng biển để khai thác nguồn năng lượng sạch, bền vững cho tương lai Việt Nam và thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu năng lượng sóng trên thế giới 1.Lịch sử phát triển của bộ chuyển đổi năng lượng sóng Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng sóng. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng sóng được thực hiện với nguồn tài trợ từ chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện. Được bắt đầu nghiên cứu từ những thập niên 70 của thế kỷ 20 nhưng năng lượng sóng có một số vấn đề như lợi nhuận thấp và khó có thể thương mại hóa.

Đến giữa thập niên 90 của thế kỷ 20 các công nghệ này mới được một số công ty nhỏ ở Nauy và vương quốc Anh phát triển. Tại Bồ Ðào Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis có công suất 2,25MW. Một bộ chuyển đổi năng lượng sóng sóng kiểu cột nước dao động được vận hành thành công ở vùng biển phía nam Ấn Độ từ những năm 1990 đến năm 2005 khi một số thí nghiệm trên các mô đun năng lượng đã được tiến hành. Bộ chuyển đổi năng lượng sóng kiểu dao động cột nước đã được vận hành ở Bồ Đào Nha từ năm 1999.

Một số thiết bị tương tự được phát triển ở Scoltlen năm 2000. Tháng 4 Năm 2004 bộ chuyển đổi năng lượng sóng kiểu Pelamis công suất 750Kw đã được lắp đặt và hòa vào mạng lưới điện vương quốc Anh. Hai thiết bị cột nước dao dộng ngoài khơi đã được chế tạo ở dạng mẫu thử tại Úc từ năm 2006. Nam 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng.

Ngoài ra còn có các dự án hợp tác đáng chú ý như: dự án phối hợp nghiên cứu năng lượng đại dương của 41 tổ chức đến từ 15 quốc gia. HVTH: PHẠM VĂN TOÀN Trang 1 GVHD: TS. LÊ THANH DANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Dự án tổ chức được 5 hội thảo hoạt động tương tác trong vòng 3 năm của dự án theo các chủ đề chính như sau:  Mô hình số hóa và thử nghiệm bể chứa  Linh kiện và sản sinh năng lượng  Thiết kế cấu trúc  Đánh giá hiệu suất  Đánh giá tác động đến môi trường Buổi họp khởi động dự án được tổ chức tại Copenhagen Đan Mạch một tháng sau khi dự án khởi động vào tháng 11-2004. Tất cả các đối tác tham dự với mục tiêu xác lập kế hoạch cho từng hội thảo, đó cũng là cơ hội để các đối tác hiểu hơn về nhau.

Từ ngày 4-5 tháng 4-2005 mô hình số hóa và các thí nghiệm được tiến hành tại hội thảo đầu tiên thuộc đại học Aalborg, Đan Mạch. Hội thảo đã tiến hành xây dựng các mô hình đại diện cho các công nghệ mới theo nhiều kích cỡ khác nhau để các nhà nghiên cứu về năng lượng sóng biển có cơ hội chia sẻ kinh nghiệm với nhau. Ngày 1-2 tháng 11-2005 hội thảo về kỹ thuật chuyển đổi năng lượng sóng được tiến hành tại Upsala Thụy Điển, chủ đề của hội thảo là tái hiện lại hàng loạt các hệ thống chuyển đổi năng lượng khác nhau như hệ thống chuyển đổi dao động tuyến tính trực tiếp thành điện, hệ thống thủy lực sử dụng dầu (dự án Pelamis). Ngày 29-30 tháng 3 năm 2006 hội thảo về thiết kế hệ thống, cấu trúc, độ tin cậy và độ an toàn của hệ thống.

Hội thảo được tổ chức tại Amsterdam chủ đề chính của hội thảo là các tiêu chuẩn mới trong lĩnh vực nguồn năng lượng từ đại dương. Năm 2006, dự án 8 00kW, theo hệ thống phao tiêu ở Makar Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình. Lời kết Đại dương là mênh mông, năng lượng do sóng đại dương là vô cùng lớn, nếu nó được chuyển đổi sang năng lượng điện một cách có hiệu quả thì trái đất sẽ tránh được các vấn nạn về môi trường, việc biến năng lượng sóng thành điện năng mới chỉ là bước đầu tuy nhiên có nhiều triển vọng và không xa nữa chúng ta sẽ được hưởng nguồn năng lượng sạch tái tạo từ đại dương của chúng ta. HVTH: PHẠM VĂN TOÀN Trang 2 GVHD: TS.

LÊ THANH DANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Bảng tóm lược về lịch sử phát triển điện sóng trên thế giới 1990-2005 Một bộ chuyển đổi năng lượng sóng sóng kiểu cột nước dao động được vận hành thành công ở vùng biển phía nam Ấn Độ. 1999 Bộ chuyển đổi năng lượng sóng kiểu dao động cột nước đã được vận hành ở Bồ Đào Nha. 2000 Một số thiết bị tương tự được phát triển ở Scoltlen. 2004 Bộ chuyển đổi năng lượng sóng kiểu Pelamis công suất 750Kw đã được lắp đặt và hòa vào mạng lưới điện vương quốc Anh.

2006 Hai thiết bị cột nước dao dộng ngoài khơi đã được chế tạo ở dạng mẫu thử tại Úc. 2004-2006 Dự án phối hợp nghiên cứu năng lượng đại dương của 41 tổ chức đến từ 15 quốc gia. 2007 Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng.Tình hình sử dụng điện sóng trên thế giới Đại dương là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận cho việc chế tạo điện năng sử dụng cho thế giới. Tổng quát, về lý thuyết đánh giá thế năng của đại dương có thể đạt 100000 TWh/năm (trong khi đó tiêu thụ năng lượng điện của thế giới là 16 000 TWh/năm).

Trong những năm gần đây thế giới đã quan tâm rộng rãi tới năng lượng của sóng biển. Khai thác đại dương để sản xuất điện từ nguồn sóng biển mênh mông trong các đại dương của thế giới là một phần lời giải cho vấn đề năng lượng của chúng ta. Sự chuyển đổi chỉ riêng tài nguyên sóng biển có thể cung cấp một phần rất lớn yêu cầu về điện năng của nhiều nước ở châu âu như Bắc Ai len, Đan mạch , Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha và các nước khác. Viện nghiên cứu năng lượng điện của Mỹ đã có tính toán về năng lượng điện sóng biển dọc theo bờ biển của U.

có thể sản xuất ra khoảng 2100TWh/năm. Sản lượng đó chiếm một nửa yêu cầu sử dụng điện của nước Mỹ. Ở HVTH: PHẠM VĂN TOÀN Trang 3 GVHD: TS. LÊ THANH DANH LUẬN VĂN THẠC SĨ nước Anh, giới chuyên gia ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25% nhu cầu năng lượng cần thiết.

Việc phát triển các dự án năng lượng sóng biển được thực hiện ở châu Âu và châu Mỹ. Ở châu Âu các thiết bị điện sóng biển đã được thử nghiệm từ năm 60 của thế kỷ trước. Ở Tây Ban Nha trong các năm 2011-2020 viện kế hoạch năng lượng tái tạo đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phát triển tương đối mạnh năng lượng sóng biển, đã thực hiện nhiều dự án. Người ta tính toán rằng ở Tây Ban Nha có thể đảm bảo 42.3% năng lương điện tiêu thụ là năng lượng tái tạo vào năm 2020.

Hiện có nhiều công nghệ để biến năng lượng sóng biển vào điện năng và ngày nay vẫn còn chưa biết được công nghệ nào sẽ được ứng dụng vào thực tiễn. 1: Biểu đồ năng lượng sóng hàng năm Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều. Tất cả những loại năng lượng sạch này sẽ góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiên môi trường. Các hệ thống năng lượng này được xem như là một sự lựa chọn thay thế cho các hệ thống cung cấp từ lưới điện quốc gia ở những vùng nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi về mặt kinh tế.

Trong các dạng năng lượng tái tạo thì năng lượng sóng là dạng năng lượng có hiệu suất chuyển đổi tương đối cao. HVTH: PHẠM VĂN TOÀN Trang 4 GVHD: TS. LÊ THANH DANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1. 2: Phần trăm chuyển đổi năng lượng của các dạng năng lượng tái tạo Bởi phần trăm chuyển đổi năng lượng cao nên vấn đề nghiên cứu phát triển các thiết bị chuyển đổi năng lượng từ sóng được các nước trên thế giới ngày càng chú trọng trong những năm gần đây.

Trong báo cáo về năng lượng tái tạo năm 2014 đã nêu bật rằng các nghiên cứu về công nghệ khai thác năng lượng từ đại dương tiếp tục có những bước phát triển. Scotland’s EMEC tổ chức hàng đầu thế giới về kiểm định các bộ chuyển đổi năng lượng sóng và thủy triều tiếp tục có các hoạt động trợ giúp và thẩm định cho nhiều quốc gia trên thế giới như Singapore, Bắc Mỹ, châu Á. Scotlen cũng tiếp tục phát triển mô hình chuyển đổi năng lượng sóng dạng Pelamis ở một tỷ lệ lớn hơn nhằm mục đích nâng cao tỷ lệ chuyển đổi năng lượng, độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị. Trung Quốc cũng thông báo rằng họ cũng đang nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng từ năm 2013 với dự án công suất 200KW được nghiên cứu và phát triển bởi đại học Harbin engineering.

HVTH: PHẠM VĂN TOÀN Trang 5 GVHD: TS. LÊ THANH DANH LUẬN VĂN THẠC SĨ Mặt khác Trung Quốc cũng đang chạy dự án thí điểm chuyển đổi năng lượng sóng được phát triển bởi viện năng lượng Quảng Đông và dự án điện sóng 120 Kw dạng phao của đại học Sơn Đông từ cuối năm 2012. Tình hình nghiên cứu điện sóng ở Việt Nam 1.Tình hình cung – cầu điện năng ở Việt Nam Năng lượng (trong đó có điện năng) có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốc gia. Năng lượng là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân và cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác, có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa, xã hội.

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành Công nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh. Cùng với sự biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, nguồn năng lượng thiên nhiên dần cạn kiệt đang dẫn tới tình trạng khủng hoảng về năng lượng trên toàn thế giới.Chính vì vậy, việc tập trung chỉ đạo, đầu tư cho phát triển năng lượng (trong đó có ngành điện) luôn được Đảng và Nhà nước ta ưu tiên chú trọng, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia.