Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực của nghiên cứu sinh Phùng Văn Ngọc, với đề tài "Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam" (Mã số: 9520116), được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Thế Mịch và PGS. Đặng Thế Ba tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2019.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu không ngừng gia tăng trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, thủy điện và hạt nhân đang dần cạn kiệt, đồng thời gây ra tác động xấu tới môi trường và biến đổi khí hậu. Theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tỷ lệ thiếu hụt điện năng quốc gia vào năm 2020 ước tính lên tới 20% - 30% mỗi năm. Theo báo cáo Quy hoạch điện 7 bổ sung, Việt Nam đặt mục tiêu đưa tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm 3% tổng công suất vào năm 2010, 8% vào năm 2020 và 10% vào năm 2030. Năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng tái sinh có trữ lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và mang tính liên tục tương đối cao. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng này trên thế giới cũng như tại Việt Nam gặp nhiều trở ngại do tính chất phân tán, mật độ năng lượng biến động theo không gian và thời gian, điều kiện thời tiết khắc nghiệt trên biển và sự ăn mòn của môi trường nước mặn.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Tại Việt Nam, các nghiên cứu về thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển (NLSB) còn ở giai đoạn sơ khai, chưa có hệ thống tính toán động lực học đồng bộ gắn liền với đặc thù trường sóng thực tế. Phần lớn các thiết bị trên thế giới sử dụng giải pháp cố định chân đế hoặc neo cứng vào đáy biển, dẫn đến chi phí xây dựng cao, khó thích ứng với biên độ dao động triều cường và dễ bị phá hủy khi gặp giông bão. Do đó, nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một thiết bị biến đổi trực tiếp năng lượng sóng sang điện năng dạng chuyển động tịnh tiến sử dụng hệ phao nổi không neo cố định đáy, phù hợp với chế độ sóng ven biển và ngoài khơi Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được phân định cụ thể theo văn bản như sau:

a) Về cơ sở khoa học:

  1. Luận án nghiên cứu tổng hợp các thông tin về năng lượng sóng biển ở Việt Nam để định hướng nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng phù hợp với từng vùng.
  2. Tìm hiểu phân tích nguyên lý hoạt động và cấu tạo của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới để đề xuất ứng dụng mô hình phù hợp với vùng biển tiềm năng tại Việt Nam.
  3. Nghiên cứu phát triển sơ đồ cấu tạo, mô hình mô phỏng và tiến hành tính toán xác định khả năng hoạt động của thiết bị.
  4. Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị để kiểm tra nguyên lý hoạt động của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động thẳng.

b) Về thực tiễn:

  • Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển ứng với từng mức năng lượng sóng biển của vùng biển phù hợp với đặc điểm sóng tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Năng lượng sóng biển và các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu, phát triển trên thế giới thuộc dạng chuyển động tịnh tiến.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về giải pháp công nghệ: Luận án tập trung vào các thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng sóng biển thành điện năng dạng chuyển động tịnh tiến (không sử dụng cơ cấu biến đổi quay trung gian hay tua-bin khí/thủy lực).
    • Về không gian địa lý: Khảo sát trên toàn bộ dải ven biển Việt Nam với chiều dài 3260 km, tập trung tính toán thiết kế và thử nghiệm ứng dụng cho vùng biển ngoài khơi Nam Trung Bộ (đặc biệt là khu vực phụ cận đảo Phú Quý).
    • Về điều kiện thời gian và hải văn: Dữ liệu hải văn đo đạc nhiều năm; chế độ sóng tập trung khai thác trong giai đoạn từ tháng 11 năm trước đến tháng 3 năm sau (thời kỳ có mức năng lượng cao và ít bão trên Biển Đông).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại

Luận án tiến hành tổng hợp có hệ thống các công trình nghiên cứu trên phạm vi quốc tế và trong nước:

  • Đánh giá tiềm năng năng lượng sóng thế giới: Trích dẫn các công trình của G. Matusepski sử dụng phương pháp trung bình các yếu tố sóng có tính đến tần suất đảm bảo theo mùa để xác định công suất sóng tại các biển lớn. Các tài liệu của Ủy ban Năng lượng Thế giới (IEA), Ủy ban Công nghệ Năng lượng (CERT) và Hệ thống Năng lượng Đại dương (OES) với các giai đoạn hợp tác (2001-2005, 2006-2011, 2012-2017) và tầm nhìn đến năm 2050 (mục tiêu sản xuất 748 GW, tạo ra 160.000 việc làm, giảm trừ 5,2 tỷ tấn khí thải CO2).
  • Phân loại thiết bị: Dẫn theo cách phân loại của Diễn đàn tư vấn năng lượng và biến đổi khí hậu (AEA Technology Plc - AEAT), chia thiết bị thành 3 nhóm: vùng ven bờ biển, vùng gần bờ biển và vùng ngoài khơi.
  • Các thiết bị chuyển đổi ngoài khơi:
    • Dạng biến đổi trực tiếp: Thiết bị của Đại học bang Oregon (Hoa Kỳ) gồm trục trụ tròn cố định chứa cuộn dây stator và phao gắn nam châm vĩnh cửu rotor chuyển động tịnh tiến; thiết bị của Công ty Seabased AB (Thụy Điển) có cuộn dây stator đặt trong đế trụ cố định dưới đáy biển và rotor nam châm vĩnh cửu nối với phao nổi trên mặt nước thông qua cáp kéo; thiết bị Wavebob của Viện Biển Ireland cấu tạo từ các mô-đun ghép nối.
    • Dạng biến đổi gián tiếp: Thiết bị Pelamis (Bồ Đào Nha) gồm các đoạn phao hình trụ liên kết khớp bản lề, trang bị 3 bộ chuyển đổi với tổng công suất 750 kW, sử dụng hệ thống bơm thủy lực 2 chiều dẫn động tua-bin phát điện.
    • Các thiết bị xa bờ khác: Hệ thống RP OPT Wave Power System (Mỹ, Úc, Ba Lan), Danish Heaving buoy (Đan Mạch), Phase-controlled Power Buoy (Na Uy), DELBUOY (Mỹ), Bơm ống (Thụy Điển), IPS Buoy (Thụy Điển), McCabe Wave Pump (Ireland), Wave Energy Module (Mỹ), Archimedes Wave Swing (Hà Lan, Thổ Nhĩ Kỳ).
  • Các thiết bị gần bờ và ven bờ: Thiết bị con lắc Pendulor (Nhật Bản) dẫn động bơm thủy lực trên bờ; thiết bị Oyster, WaveRoller, hệ thống kênh hẹp thu nhận thế năng nước dâng.
  • Nghiên cứu trong nước: Luận án kế thừa kết quả từ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước mã số KC.19/06-10 về tính toán mô phỏng trường sóng Biển Đông và xác định thông lượng năng lượng sóng dọc dải bờ biển Việt Nam; các số liệu quan trắc hải văn tại 83 trạm đo ven bờ của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trên thế giới tuy đạt được một số kết quả thử nghiệm nhưng còn tồn tại nhiều nhược điểm lớn: kết cấu neo cố định đáy biển (như thiết bị của Seabased AB) chịu tải trọng phá hủy nghiêm trọng khi gặp sóng bão, khó thích ứng với sự thay đổi mực nước do thủy triều, và chi phí lắp đặt, bảo dưỡng dưới đáy biển rất tốn kém. Mặt khác, các thiết bị gián tiếp (như Pelamis, Pendulor) sử dụng hệ thống thủy lực hoặc khí nén có cấu tạo phức tạp, hiệu suất chuyển đổi bị suy giảm do qua nhiều khâu trung gian. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách đề xuất mô hình thiết bị chuyển đổi trực tiếp sóng - điện dạng chuyển động tịnh tiến (LPM) sử dụng giải pháp hai phao chuyển động chậm pha nhau, thả nổi tự do tương đối mà không cố định chân đế dưới đáy biển, lần đầu tiên được nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết sóng biển tuyến tính (Airy, Stokes bậc một): Mô tả mặt nước tự do dưới dạng sóng điều hòa: $$x = a \cos(kx - \omega t) = \frac{H}{2}\cos(kx - \omega t)$$ trong đó $H$ là chiều cao sóng, $a$ là biên độ sóng, $k$ là số sóng, và $\omega$ là tần số góc. Phân tích thành phần năng lượng sóng gồm thế năng ($E_p$) và động năng ($E_k$) trên một đơn vị bề rộng bước sóng: $$E_p = \frac{\rho g a^2}{4}, \quad E_k = \frac{\rho g a^2}{4}$$ Thông lượng dòng năng lượng sóng trung bình qua một đơn vị chiều rộng mặt cắt thẳng đứng vuông góc với hướng truyền sóng: $$P = \frac{1}{32}\rho g^2 H^2 T$$ trong đó $\rho$ là khối lượng riêng của nước biển, $g$ là gia tốc trọng trường ($g = 9,81 \text{ m/s}^2$), $T$ là chu kỳ sóng.
  • Lý thuyết thủy động lực học công trình nổi: Xác định các lực tác dụng lên phao dao động nhấp nhô theo phương thẳng đứng ($z$), bao gồm: lực kích thích sóng $F_{e,b}(t)$, lực bức xạ do sóng phát xạ $F_{r,b}(t)$, lực phục hồi thủy tĩnh và trọng trường $F_{b,b}(t)$, lực cản hình dáng $F_{b,v}(t)$, và lực ma sát nhớt của chất lỏng $F_{b,f}(t)$.
  • Lý thuyết điện từ trường trong máy phát tuyến tính (LPM): Ứng dụng hệ phương trình Maxwell và định luật cảm ứng điện từ Faraday để xác định sức điện động cảm ứng; tính toán lực kháng điện từ (lực Ampere) xuất hiện trên cuộn dây stator khi có dòng điện tải: $$F_{b,u}(t) = \sum I (B_T \times L)$$ với $B_T$ là cảm ứng từ, $I$ là cường độ dòng điện, và $L$ là chiều dài hiệu dụng của dây quấn.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp giải tích số, mô phỏng trên máy tính và nghiên cứu thực nghiệm:

  • Phương pháp giải tích và động lực học: Xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động tương đối của hệ hai phao (phương trình 3.13) dựa trên nguyên lý cơ học Newton, tích hợp phản lực điện từ của máy phát.
  • Phương pháp mô phỏng số:
    • Phần mềm SolidWorks: Thiết kế mô hình kết cấu hình học 3D của phao sơ cấp, phao thứ cấp và các chi tiết máy phát điện tịnh tiến.
    • Phần mềm FlexPDE: Giải hệ phương trình đạo hàm riêng mô tả trường điện từ, tính toán phân bố từ thế véc-tơ, cường độ từ trường và đường sức từ trong khe hở không khí của cụm nam châm vĩnh cửu.
    • Phần mềm Matlab: Thiết lập mô hình giải thuật số giải hệ phương trình vi phân dao động của hệ hai phao, mô phỏng mạch điện tương đương của máy phát, tính toán sức điện động, dòng điện, lực điện từ và công suất trên tải điện trở.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Chế tạo mô hình vật lý thiết bị công suất 50W.
    • Thử nghiệm kiểm tra máy phát trên bàn tạo chuyển động tịnh tiến trong phòng thí nghiệm.
    • Thử nghiệm mô hình hoàn chỉnh trong bể tạo sóng tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (VKHTLVN).
    • Thử nghiệm hiện trường tự nhiên tại mặt nước Hồ Tây (Hà Nội).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu hải văn đo đạc tại 83 trạm quan trắc ven biển Việt Nam từ Móng Cái đến Mũi Cà Mau do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương cung cấp.
  • Cơ sở dữ liệu tính toán trường sóng và thông lượng năng lượng sóng Biển Đông thuộc Đề tài cấp nhà nước KC.19/06-10.
  • Số liệu đo đạc thực nghiệm về cảm ứng từ, điện áp, cường độ dòng điện và công suất phát điện ghi nhận từ các cảm biến và thiết bị đo chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày tổng quan về các dạng năng lượng biển, cơ chế hình thành và đặc trưng cơ học của sóng biển, tiềm năng năng lượng sóng tại Việt Nam và hiện trạng phát triển các công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng trên thế giới.

Năng lượng sóng biển toàn cầu ước đạt công suất từ 2,5 đến 3 TW. Quá trình hình thành sóng được phân thành 3 vùng:

  1. Vùng sóng gợn (wave crowding): Sóng ngoài khơi xa, bước sóng ngắn, chiều cao thấp, hợp lực tác động là $F_1$ (gồm lực đứng $F_{z1}$ và lực ngang $F_{x1}$).
  2. Vùng gia tăng chiều cao sóng (wave height increases): Sóng chuyển dịch về phía gần bờ, tốc độ đỉnh sóng giảm, chiều cao và bước sóng tăng, lực đẩy thẳng đứng $F_{z2}$ chiếm ưu thế ($F_{z2} > F_{x2}$). Đây là vùng tối ưu để khai thác lực dao động theo phương đứng.
  3. Vùng sóng vỡ (surf zone): Gần sát bờ, sườn sau vượt lên sườn trước làm sóng vỡ, lực tác động ngang $F_{x3}$ chiếm ưu thế tuyệt đối.

Nghiên cứu chỉ ra đặc tính phân bố năng lượng sóng: 100% thế năng tập trung trong giới hạn 1 lần chiều cao sóng ($H$), trong khi gần 80% động năng (khoảng 2000 J) nằm ở tầng nước sâu từ 0 đến 10m và 56% (khoảng 1400 J) tập trung ở độ sâu từ 0 đến 5m. Với điều kiện trung bình vùng tiềm năng tại Việt Nam lấy $H = 2$ m và chu kỳ $T = 7$ s, tổng năng lượng trong một bước sóng trên một mét bề rộng đạt 386,7 kJ, tương ứng công suất sóng trung bình đạt 55,2 kW/m.

Vùng biển thế giới Mức năng lượng sóng (kW/m)
Biển Bering 15 - 44
Biển Okhốt 12 - 20
Biển Barensevo 22 - 29
Biển Caspien 7 - 11
Biển Nhật Bản 21 - 31
Biển Bantic 7 - 8
Biển Hắc Hải 6 - 8

Dọc theo bờ biển Việt Nam, tiềm năng năng lượng sóng được phân chia thành 6 vùng đặc trưng:

Vùng Phạm vi trạm quan trắc Khu vực địa lý Đặc điểm và thông lượng năng lượng sóng trung bình năm
Vùng 1 Trạm 1 - 11 Phía Bắc Vịnh Bắc Bộ Năng lượng mạnh vào các tháng 6, 7, 8 ($\ge 16$ kW/m); trạm 7-11 đạt $\ge 15$ kW/m quanh năm; TB năm khoảng 15 kW/m.
Vùng 2 Trạm 12 - 21 Phía Nam Vịnh Bắc Bộ Gió mùa đông bắc chiếm ưu thế; từ tháng 10 đến tháng 2 năm sau đạt $\ge 30$ kW/m; mùa hè $< 20$ kW/m; TB năm khoảng 25 kW/m.
Vùng 3 Trạm 22 - 37 Bắc Miền Trung Bị đảo Hải Nam che chắn trong gió đông bắc; gió tây nam thổi từ bờ ra; TB năm khoảng 10 kW/m.
Vùng 4 Trạm 38 - 54 Nam Miền Trung Đà sóng không bị giới hạn trong cả hai mùa gió; gió đông bắc $\ge 30$ kW/m; tháng 12 trạm 43-54 xấp xỉ 100 kW/m; TB năm khoảng 30 kW/m.
Vùng 5 Trạm 55 - 71 Ven bờ Đồng bằng Nam Bộ Trường sóng đông bắc bị hạn chế; TB năm khoảng 18 kW/m.
Vùng 6 Trạm 72 - 83 Ven bờ biển Tây Nam Vùng sóng yếu nhất dải ven biển; nhiều tháng sóng lặng ($H < 0,5$ m, $T < 5$ s); mùa gió tây nam đạt khoảng 15 kW/m; TB năm khoảng 5 - 6 kW/m.

Tại Vùng 4 (Nam Trung Bộ), vị trí quan sát ký hiệu $S_{max}$ nằm gần đảo Phú Quý có tiềm năng lớn nhất: công suất sóng khai thác đạt khoảng 10 kW/m, chiều cao sóng trung bình đạt 1,62m (tháng 12 đạt đỉnh 2,69m, tháng thấp nhất đạt 0,68m), chu kỳ sóng trung bình $T = 7,1$ s. Khoảng 80% thời gian trong năm sóng có chiều cao đạt từ 1m trở lên, và khoảng 60% - 75% thời gian trong năm chiều cao sóng duy trì từ 1,2 đến 2m.

Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Chương 2 tập trung phân tích các điều kiện biên thủy động lực học để lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp với vùng biển Nam Trung Bộ:

  • Lựa chọn nguyên lý chuyển đổi: Đối với vùng nước sâu xa bờ (> 40m), khai thác lực tác động theo phương thẳng đứng $F_z$ ở bề mặt sóng là phương án tối ưu. Luận án chọn nguyên lý chuyển đổi trực tiếp năng lượng dao động nhấp nhô của sóng thành điện năng bằng máy phát tuyến tính chuyển động thẳng (LPM), loại bỏ các khâu trung gian thủy khí nhằm nâng cao hiệu suất và đơn giản hóa cơ cấu.
  • Lựa chọn dạng phao tiếp nhận: So sánh giữa phao hình hộp chữ nhật và phao hình trụ chóp nón. Phao hình trụ chóp nón có tính đối xứng trục cao, ít chịu ảnh hưởng bởi hướng sóng tới, giảm sức cản nhớt chuyển động và dễ bố trí đồng trục với hệ thống máy phát chuyển động tịnh tiến.
  • Giải pháp hệ thống hai phao chậm pha: Để khắc phục nguy cơ đứt gãy hệ thống neo đáy khi có sóng lớn, thiết bị sử dụng mô hình hai phao liên kết động:
    • Phao sơ cấp (phao 1): Dạng phao nổi trên mặt sóng, có diện tích tiếp xúc mặt nước lớn, dao động bám sát biên độ nhấp nhô của sóng mặt. Phao sơ cấp liên kết với rotor gắn các thanh nam châm vĩnh cửu.
    • Phao thứ cấp (phao 2): Dạng phao trụ chìm sâu hơn dưới mặt nước, có khối lượng và khối lượng nước kèm chuyển động theo ($m = \rho d_n A_{wp}$) lớn hơn, tạo quán tính dao động lớn và dao động chậm pha so với phao sơ cấp. Phao thứ cấp liên kết với stator mang các cuộn dây quấn.
    • Sự chuyển động lệch pha giữa phao sơ cấp và phao thứ cấp tạo ra vận tốc tương đối giữa rotor và stator, làm từ thông xuyên qua các cuộn dây biến thiên và phát sinh dòng điện xoay chiều.

Chương 3: Nghiên cứu động lực học thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Chương 3 xây dựng mô hình toán học và thực hiện tính toán mô phỏng hệ động lực học của thiết bị:

  • Hệ phương trình vi phân chuyển động (phương trình 3.13): Áp dụng định luật cơ học cho dao động nhấp nhô của phao 1 và phao 2 dọc trục $z$: $$m_{b1} \ddot{s}{b1}(t) = F{e,b1}(t) + F_{r,b1}(t) + F_{b,b1}(t) + F_{b,v1}(t) + F_{b,f1}(t) + F_{b,u}(t)$$ $$m_{b2} \ddot{s}{b2}(t) = F{e,b2}(t) + F_{r,b2}(t) + F_{b,b2}(t) + F_{b,v2}(t) + F_{b,f2}(t) - F_{b,u}(t)$$ trong đó:
    • $s_b(t), \dot{s}_b(t), \ddot{s}_b(t)$ lần lượt là độ dịch chuyển đứng, vận tốc và gia tốc của phao.
    • $m_{b1}, m_{b2}$ là khối lượng bản thân cộng khối lượng kèm của nước tác động vào phao.
    • $F_{e,b}(t)$ là lực kích thích theo chiều đứng do sóng tới.
    • $F_{r,b}(t)$ là lực bức xạ theo chiều đứng do phao dao động tạo ra sóng phát xạ.
    • $F_{b,b}(t)$ là tổng lực đẩy Ac-si-mét thủy tĩnh và trọng lực.
    • $F_{b,v}(t)$ là lực cản hình dáng.
    • $F_{b,f}(t)$ là lực cản do ma sát nhớt của môi trường nước biển.
    • $F_{b,u}(t)$ là lực phản kháng điện từ trường của máy phát tác dụng ngược chiều chuyển động tương đối.
  • Mô phỏng trường từ bằng FlexPDE: Thiết lập mặt cắt dọc theo trục đối xứng của hệ nam châm vĩnh cửu. Kết quả mô phỏng thể hiện rõ phân bố từ thế véc-tơ, các đường đồng mức độ lớn từ trường và véc-tơ cảm ứng từ $B_T$ trong không gian khe hở không khí giữa rotor và stator.
  • Mô phỏng động lực học và thông số điện bằng Matlab:
    • Giải hệ phương trình liên kết dao động và mạch điện tương đương. Kết quả tính toán cho thấy độ dịch chuyển và vận tốc tương đối giữa hai phao có sự trễ pha ổn định dưới tác động của sóng điều hòa.
    • Xác định đường cong biến thiên của sức điện động cảm ứng, cường độ dòng điện trong cuộn dây và công suất tức thời trên tải theo chu kỳ sóng.

Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

Chương 4 trình bày chi tiết quy trình chế tạo, thử nghiệm mô hình 50W và định hướng thiết kế mô hình 5 kW:

  • Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm 50W:
    • Máy phát điện tịnh tiến (LPM): Phần ứng gồm thanh gắn các khối nam châm vĩnh cửu cực tính xen kẽ và lõi định vị; stator gồm khung quấn các cuộn dây đồng được chia thành các phân đoạn độc lập.
    • Hệ thống phao tiếp nhận: Phao sơ cấp và phao thứ cấp chế tạo đúng tỷ lệ hình học, bố trí cơ cấu dẫn hướng chuyển động thẳng đảm bảo khe hở không khí đồng đều giữa rotor và stator.
  • Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (bể tạo sóng VKHTLVN): Khảo sát thông số công suất của máy phát theo các cấu hình mạch từ khác nhau:
Cấu hình thử nghiệm máy phát LPM (chế độ 1 pha) Công suất trung bình thu được ($P_{tb}$)
1 mặt nam châm, có khung sắt từ, không thanh sắt dẫn từ 30,905 W
1 mặt nam châm, có khung sắt từ, có thanh sắt dẫn từ 31,198 W
2 mặt nam châm, không có khung sắt từ 41,112 W
1 mặt nam châm, có khung sắt từ 42,189 W
  • Khi kiểm tra máy phát trên hệ thống tạo chuyển động tịnh tiến mô phỏng sóng, đồ thị hiệu điện thế trên tải theo thời gian cho thấy công suất trung bình tính toán lý thuyết đạt 11,351 W.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các tham số cơ học: Đồ thị công suất phụ thuộc vào khối lượng phao thu cho thấy công suất đạt giá trị cực đại ($P_{max}$) khi khối lượng phao $m = 270$ kg.
  • Khi thiết lập hệ số thu hồi $R_{bu} = 250 \text{ Ns/m}$ và hệ số ma sát nhớt $R_{bf} = 20 \text{ Ns/m}$, năng lượng thu được trong một chu kỳ đạt hiệu quả tối ưu.
  • Thử nghiệm hiện trường tại Hồ Tây: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống hai phao và máy phát thả nổi trên mặt nước tự nhiên tại Hồ Tây để kiểm tra độ kín nước, cơ cấu dẫn hướng và đặc tính phát điện dưới tác động của sóng gió thực tế. Kết quả ghi nhận các đồ thị dao động riêng, hiệu điện thế trên tải và lực tác dụng lên cuộn dây phù hợp với quy luật tính toán mô phỏng.
  • Đề xuất mô hình thiết bị chuyển đổi công suất 5 kW:
    • Mở rộng tính toán cho quy mô ứng dụng công nghiệp tại vùng biển Nam Trung Bộ ($H_s = 1$ m, $T = 7,1$ s).
    • Thiết lập cấu trúc máy phát LPM 3 pha; khảo sát mối quan hệ giữa công suất trung bình $P_{tb}$ với số vòng dây $n$, kích thước hình học tiết diện phao (độ dài các cạnh $a, b, L$), điện trở trong và tần số góc dao động $\omega$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đã tổng hợp, hệ thống hóa và phân tích cơ sở dữ liệu tiềm năng năng lượng sóng biển chi tiết cho 6 phân vùng ven biển Việt Nam; chỉ ra quy luật biến thiên năng lượng theo mùa và xác định vùng biển Nam Trung Bộ là khu vực tối ưu nhất cho việc khai thác năng lượng sóng.
  2. Thiết lập được hệ phương trình vi phân động lực học tổng quát (hệ phương trình 3.13) mô tả sự tương tác động lực học giữa hệ thống chuyển đổi năng lượng hai phao tự do với sóng biển, tích hợp đầy đủ các thành phần lực thủy động lực học, khối lượng nước kèm và phản lực kháng điện từ trường của máy phát tuyến tính.
  3. Xây dựng quy trình tính toán mô phỏng kết hợp giữa mô hình trường điện từ (sử dụng phần mềm FlexPDE) và mô hình động lực học hệ cơ điện (sử dụng phần mềm Matlab) đối với thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng trực tiếp dạng chuyển động tịnh tiến.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng - điện dạng chuyển động tịnh tiến trực tiếp công suất 50W sử dụng máy phát nam châm vĩnh cửu không lõi sắt (hoặc có khung dẫn từ) lần đầu tiên được nghiên cứu và chế tạo tại Việt Nam.
  2. Áp dụng thành công giải pháp kết cấu hai phao dao động chậm pha, không cần neo cứng xuống đáy biển, giúp thiết bị thích nghi tự nhiên với sự biến đổi mực nước do thủy triều và nâng cao độ an toàn cơ học trong môi trường biển khơi.
  3. Thử nghiệm kiểm chứng thành công nguyên lý làm việc của mô hình 50W trong phòng thí nghiệm (bể tạo sóng VKHTLVN) và ngoài hiện trường tự nhiên (Hồ Tây), xác định được các thông số công suất thực tế đạt từ 30,9 W đến 42,2 W tương ứng với từng phương án cấu tạo phần ứng.
  4. Đề xuất hoàn chỉnh cấu hình và khảo sát các đặc tính kỹ thuật cơ bản của mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng công suất 5 kW, cung cấp cơ sở khoa học để chế tạo thiết bị ở quy mô công nghiệp phục vụ vùng biển Nam Trung Bộ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm tăng cường khả năng chống ăn mòn nước mặn và độ kín khít cho các cụm kết cấu chuyển động của máy phát tuyến tính khi làm việc dài ngày ngoài biển.
  • Đề xuất hoàn thiện hệ thống ổn định điện áp đầu ra và kết nối tích hợp với các bộ lưu trữ năng lượng (ắc quy) hoặc pin nhiên liệu hydro nhằm phục vụ cấp điện độc lập cho các trạm quan trắc hải văn, phao đèn báo hiệu hàng hải và các đảo xa bờ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Thiết bị thử nghiệm vật lý mới dừng lại ở quy mô công suất nhỏ (mô hình 50W); mô hình công suất 5 kW mới dừng ở mức độ tính toán thiết kế, mô phỏng lý thuyết và khảo sát tham số, chưa được chế tạo và thử nghiệm thực tế ngoài biển khơi.
  • Thử nghiệm hiện trường tự nhiên của mô hình 50W mới được thực hiện trong môi trường nước ngọt kín tại Hồ Tây (Hà Nội), chưa trải qua thử nghiệm dài ngày dưới tác động của phổ sóng biển ngẫu nhiên phức tạp và môi trường nước mặn ăn mòn tại vùng biển Nam Trung Bộ.
  • Chưa đi sâu khảo sát ảnh hưởng của các bậc tự do dao động phụ (lắc ngang, lắc dọc) ngoài chuyển động nhấp nhô thẳng đứng của phao.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiến hành chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị công suất 5 kW và tổ chức thả nổi thử nghiệm thực tế tại vùng biển ngoài khơi đảo Phú Quý thuộc vùng biển Nam Trung Bộ.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật ngữ điều khiển tải điện từ thích nghi (MPPT) theo chu kỳ sóng biến đổi thực tế để tối đa hóa công suất phát điện trung bình.
  • Nghiên cứu giải pháp liên kết ghép nối nhiều cụm mô-đun thiết bị thành một trang trại điện sóng (wave farm) nhằm nâng cao tổng công suất cung cấp cho lưới điện hải đảo.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Thủy khí và Kỹ thuật Biển: Tham khảo phương pháp thiết lập phương trình dao động liên hợp giữa công trình nổi và tải điện từ (Chương 3), cũng như phương pháp mô phỏng số phân bố từ trường bằng FlexPDE kết hợp mô phỏng động lực học bằng Matlab.
  • Kỹ sư thiết kế công trình biển và thiết bị năng lượng tái tạo: Tham khảo giải pháp kết cấu hệ hai phao chuyển động chậm pha không neo cố định đáy biển và các thông số kích thước, tỷ lệ phân bố khối lượng, kết cấu máy phát điện tịnh tiến tuyến tính (LPM) được trình bày tại Chương 2 và Chương 4.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị quy hoạch năng lượng (EVN, Bộ Công Thương, Sở Công Thương các tỉnh duyên hải miền Trung): Tham khảo cơ sở dữ liệu và bản đồ phân vùng thông lượng năng lượng sóng 6 vùng biển Việt Nam (Chương 1) để xây dựng chiến lược và quy hoạch phát triển các trạm khai thác năng lượng biển tại các hải đảo.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao vùng biển Nam Trung Bộ (đặc biệt là khu vực đảo Phú Quý) được luận án lựa chọn để nghiên cứu phát triển thiết bị?

Theo số liệu quan trắc hải văn và tính toán thông lượng, vùng Nam Trung Bộ (Vùng 4) là khu vực có mật độ năng lượng sóng lớn nhất dải ven biển nước ta, với thông lượng trung bình năm đạt khoảng 30 kW/m, riêng tháng 12 đạt xấp xỉ 100 kW/m do biển thoáng và đà sóng không bị giới hạn trong cả hai mùa gió. Tại điểm quan sát $S_{max}$ gần đảo Phú Quý, công suất sóng khai thác đạt khoảng 10 kW/m, chiều cao sóng trung bình đạt 1,62m và chu kỳ trung bình đạt 7,1s; có từ 60% - 75% thời gian trong năm sóng duy trì chiều cao từ 1,2 đến 2m. Ngoài ra, giai đoạn từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau có năng lượng sóng lớn nhất và điều kiện thời tiết ổn định, ít bão, rất thuận lợi cho việc vận hành thiết bị khai thác điện.

2. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng của luận án sử dụng nguyên lý nào và có ưu điểm gì so với các thiết bị neo đáy biển?

Thiết bị sử dụng nguyên lý biến đổi trực tiếp dao động thẳng đứng của sóng thành điện năng thông qua máy phát điện tuyến tính chuyển động thẳng (LPM). Điểm khác biệt cốt lõi là thiết bị gồm hai phao (phao sơ cấp nổi trên mặt sóng và phao thứ cấp chìm sâu hơn có khối lượng kèm lớn) chuyển động chậm pha nhau, thả nổi tự do tương đối mà không cố định chân đế dưới đáy biển. Giải pháp này giúp thiết bị tự động thích ứng với sự thay đổi mực nước do thủy triều, không bị phụ thuộc vào độ sâu đáy biển, hạn chế nguy cơ bị sóng bão phá hủy hệ thống neo, đồng thời loại bỏ các cơ cấu chuyển đổi trung gian thủy khí phức tạp để đạt hiệu suất cao.

3. Năng lượng sóng biển tập trung chủ yếu ở tầng nước sâu nào theo phân tích lý thuyết của luận án?

Theo lý thuyết sóng tuyến tính và kết quả tính toán tích phân trong luận án, toàn bộ 100% thế năng của sóng tập trung trong phạm vi 1 lần chiều cao sóng ($H$) ở lớp mặt nước. Đối với động năng của cột nước, gần 80% động năng (khoảng 2000 J) nằm ở độ sâu từ 0 đến 10m tính từ mặt nước tĩnh, và khoảng 56% (khoảng 1400 J) tập trung ở dải nước mặt từ 0 đến 5m. Do đó, việc thiết kế các phao nổi thu nhận thành phần năng lượng ngay trên bề mặt sóng là phương án đạt hiệu suất thu hồi tối ưu.

4. Kết quả công suất phát điện thực nghiệm của mô hình 50W trong phòng thí nghiệm đạt được là bao nhiêu?

Khi đo đạc kiểm tra trên bàn thử nghiệm tạo chuyển động tịnh tiến, công suất trung bình tính toán đạt 11,351 W. Khi thử nghiệm trong bể tạo sóng với các cấu hình cuộn dây 1 pha khác nhau, công suất trung bình thu được như sau: cấu hình 1 mặt nam châm có khung sắt từ không thanh dẫn từ đạt 30,905 W; cấu hình 1 mặt nam châm có khung sắt từ và có thanh dẫn từ đạt 31,198 W; cấu hình 2 mặt nam châm không có khung sắt từ đạt 41,112 W; và cấu hình 1 mặt nam châm có khung sắt từ đạt cực đại 42,189 W. Công suất đạt giá trị lớn nhất $P_{max}$ khi khối lượng phao thu nước đạt $m = 270$ kg.

5. Những phần mềm mô phỏng kỹ thuật nào được tác giả sử dụng trong luận án?

Tác giả đã ứng dụng ba phần mềm kỹ thuật chuyên dụng: phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình hình học 3D chi tiết của hệ thống phao sơ cấp, phao thứ cấp và vỏ máy phát; phần mềm FlexPDE để giải hệ phương trình điện từ trường, mô phỏng từ thế véc-tơ và phân bố cường độ từ trường trong không gian khe hở nam châm vĩnh cửu; phần mềm Matlab để lập trình giải hệ phương trình vi phân dao động của hệ hai phao, mô phỏng mạch điện tương đương và tính toán sức điện động, dòng điện và công suất trên tải điện trở.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Phùng Văn Ngọc đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu từ việc tổng hợp cơ sở dữ liệu tiềm năng sóng biển Việt Nam, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động tương tác động lực học giữa công trình nổi và sóng biển, đến thiết kế và chế tạo thử nghiệm thành công mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng - điện dạng chuyển động tịnh tiến công suất 50W. Giải pháp sử dụng hệ thống hai phao dao động chậm pha kết hợp máy phát điện tuyến tính trực tiếp không cố định đáy biển là hướng tiếp cận phù hợp với điều kiện hải văn phức tạp và biên độ triều tại vùng biển Nam Trung Bộ. Các kết quả thực nghiệm trong bể sóng và hiện trường tự nhiên cùng mô hình đề xuất 5 kW tạo tiền đề khoa học và công nghệ vững chắc cho việc phát triển các thiết bị khai thác năng lượng sóng quy mô thực tế, phục vụ nhu cầu điện năng tự chủ cho các công trình biển và hải đảo Việt Nam.