Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu cùng với sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (dầu mỏ, than đá) và các tác động tiêu cực đến môi trường khí hậu đã thúc đẩy nghiên cứu các nguồn năng lượng tái tạo. Trong các nguồn năng lượng đại dương, năng lượng sóng biển sở hữu hai đặc tính là khả năng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường, với tổng công suất ước tính trong các đại dương đạt khoảng 2,5 - 3 TW.

Tại Việt Nam, với hơn 3.260 km bờ biển, việc khai thác năng lượng tái tạo là yêu cầu thực tiễn nhằm đa dạng hóa nguồn cung năng lượng. Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia (Quy hoạch điện VII bổ sung) và dự báo từ Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tỷ lệ thiếu hụt điện năng có thể lên tới 20 - 30% mỗi năm, đặt ra mục tiêu nâng tỷ trọng năng lượng tái tạo lên 3% vào năm 2010, 8% vào năm 2020 và 10% vào năm 2030. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước về thiết bị thu nhận năng lượng sóng biển trước đây chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ lẻ, phòng thí nghiệm, chưa đánh giá toàn diện theo đặc trưng sóng của từng vùng biển cụ thể và chưa có thiết bị tối ưu hóa cơ chế chuyển đổi năng lượng trực tiếp.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu cụ thể:

  1. Về cơ sở khoa học:
    • 1.1. Tổng hợp các thông tin về tiềm năng năng lượng sóng biển tại Việt Nam nhằm định hướng lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng phù hợp với từng vùng biển.
    • 1.2. Tìm hiểu, phân tích nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển trên thế giới để đề xuất mô hình phù hợp với vùng biển tiềm năng tại Việt Nam.
    • 1.3. Nghiên cứu phát triển sơ đồ cấu tạo, xây dựng mô hình mô phỏng và tiến hành tính toán xác định khả năng hoạt động của thiết bị.
    • 1.4. 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 (tịnh tiến).
  2. Về thực tiễn:
    • Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác nghiên cứu, lựa chọn và thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển tương ứng với từng mức năng lượng và đặc điểm sóng tại các vùng biển 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 dạng chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp thành điện năng.
  • Phạm vi không gian: Vùng biển Việt Nam, trong đó tập trung tính toán, thiết kế và thử nghiệm thiết bị ứng dụng cho vùng biển ngoài khơi Nam Trung Bộ (trọng tâm là khu vực đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận).
  • Phạm vi nội dung: Nghiên cứu nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng - điện trực tiếp sử dụng hệ thống hai phao nổi chuyển động chậm pha nhau kết hợp máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu không lõi sắt.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước

Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu quốc tế và trong nước về tiềm năng năng lượng sóng và công nghệ thiết bị chuyển đổi:

Nghiên cứu quốc tế về tiềm năng và công nghệ:

  • G. Matusepski đã tính toán và công bố mức năng lượng sóng trung bình tại các vùng biển: biển Bering (15 - 44 kW/m), biển Barensevo (22 - 29 kW/m), biển Nhật Bản (21 - 31 kW/m), biển Okhốt (12 - 20 kW/m), biển Caspien (7 - 11 kW/m), biển Baltic (7 - 8 kW/m), biển Hắc Hải (6 - 8 kW/m).
  • Báo cáo của Hiệp định Năng lượng Đại dương (OES) trực thuộc Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) với định hướng phát triển năng lượng biển toàn cầu đến năm 2050 đạt công suất 748 GW, cắt giảm 5,2 tỷ tấn CO2.
  • Phân loại thiết bị theo AEA Technology Plc (AEAT) chia thành ba nhóm: ven bờ (onshore), gần bờ (nearshore) và ngoài khơi (offshore). Các công nghệ tiêu biểu được khảo sát gồm: thiết bị Pelamis (Bồ Đào Nha, công suất 750 kW), Wavebob (Ireland), thiết bị phao tịnh tiến của Đại học Bang Oregon (Hoa Kỳ), hệ thống máy phát Stator cố định đáy biển của Seabased AB (Thụy Điển), thiết bị con lắc Pendulor (Nhật Bản), Oyster (Aquamarine Power), WaveRoller (AW Energy), DELBUOY, IPS Buoy, ConWEC, Archimedes Wave Swing.

Nghiên cứu trong nước:

  • Đề tài cấp nhà nước mã số KC.19/06-10 đã thực hiện mô phỏng trường sóng và tính toán thông lượng năng lượng sóng trên toàn Biển Đông.
  • Các công trình nghiên cứu phân vùng năng lượng sóng biển Việt Nam thành 6 vùng đặc trưng từ Móng Cái đến Mũi Cà Mau.
  • Nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Cơ khí về thiết bị phát điện từ sóng dạng rắn biển sử dụng hệ thống truyền động thủy lực và bình tích áp lai máy phát (chiều dài phao 14 m, đường kính 1,2 m, phao nhận 3,5 m, công suất tổng 10 kW) thử nghiệm tại khu vực đảo Hòn Dấu.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG                  |
+---------------------------------+-------------------------------------------------+
| Phân loại theo vị trí đặt       | Thiết bị tiêu biểu                              |
+---------------------------------+-------------------------------------------------+
| Ven bờ (Onshore)                | Kênh dẫn thu hẹp, bể dao động cột nước          |
| Gần bờ (Nearshore)              | Pendulor, Oyster, WaveRoller                    |
| Ngoài khơi (Offshore)           | Pelamis, Seabased AB, Oregon Buoy, Luận án này  |
+---------------------------------+-------------------------------------------------+

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ truyền thống thường gặp nhược điểm:

  1. Cơ cấu neo cố định cứng dưới đáy biển (như Seabased AB) chịu ảnh hưởng lớn bởi dao động thủy triều và chi phí xây dựng công trình biển cao.
  2. Máy phát điện chuyển động tịnh tiến thông thường có lõi sắt trong cuộn cảm tạo ra lực hút từ lớn giữa nam châm và lõi sắt, làm gia tăng lực cản khởi động mỗi khi roto đảo chiều dao động theo nhịp sóng, dẫn đến suy giảm hiệu suất chuyển đổi.
  3. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách đề xuất cấu kết hai phao nổi chuyển động tương đối chậm pha nhau, không neo cứng đáy biển, kết hợp máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu không dùng lõi sắt (coreless) nhằm triệt tiêu lực hút từ khi đảo chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án áp dụng lý thuyết sóng tuyến tính (sóng Airy / sóng Stokes bậc một) và lý thuyết thủy động lực học công trình nổi:

  • Phương trình mặt nước tự do: $$\eta(x, t) = a \cos(kx - \omega t) = \frac{H}{2} \cos(kx - \omega t)$$ Trong đó $H = 2a$ là chiều cao sóng, $a$ là biên độ sóng, $k$ là số sóng, $\omega$ là tần số sóng.

  • Thế năng ($E_p$) và động năng ($E_k$) trên một đơn vị bề rộng bước sóng: $$E_p = \frac{1}{4} \rho g a^2; \quad E_k = \frac{1}{4} \rho g a^2$$ $$E = E_p + E_k = \frac{1}{2} \rho g a^2 = \frac{1}{8} \rho g H^2$$

  • Dòng năng lượng sóng (thông lượng năng lượng trên một đơn vị chiều rộng mặt sóng): $$P = \frac{1}{32 \pi} \rho g^2 H^2 T \quad \text{hoặc} \quad P = E \cdot C_g = \frac{1}{32} \rho g^2 H^2 T$$ Với $C$ là tốc độ pha, $T$ là chu kỳ sóng, $\rho$ là khối lượng riêng của nước biển, $g$ là gia tốc trọng trường.

  • Phân bố năng lượng theo độ sâu: Kết quả giải tích chỉ ra rằng 100% thế năng tập trung trong phạm vi 1 lần chiều cao sóng tính từ mặt thoáng; gần 80% động năng (2000 J) nằm ở độ sâu từ 0 đến 10 m và 56% (1400 J) tập trung ở độ sâu từ 0 đến 5 m.

  • Bài toán tương tác sóng và vật thể nổi: Giả thiết chất lỏng lý tưởng, không nhớt, không nén được và chuyển động không xoáy. Hàm thế vận tốc tổng cộng được xác định theo mô hình tách biến: $$\Phi(x, y, z, t) = \Phi_I(x, y, z, t) + \Phi_D(x, y, z, t) + \sum_{k=1}^6 \Phi_k(x, y, z, t)$$ Thỏa mãn phương trình vi phân Laplace $\nabla^2 \Phi = 0$ trong miền chất lỏng cùng các điều kiện biên trên mặt thoáng ($z = 0$), mặt đáy biển ($z = -d$), điều kiện bức xạ ở vô cực và điều kiện biên tiếp xúc trên bề mặt ướt $S$ của phao. Tải trọng thủy động tổng quát được xác định qua việc tích phân áp lực thủy động $p(x, y, z, t)$, từ đó xác định ma trận khối lượng nước kèm $a_{ik}$ và ma trận hệ số cản bức xạ $c_{ik}$.

Dạng phao (Tỷ lệ $L/d$) Khối lượng nước kèm ($m_w$) Mô men quán tính nước kèm ($I_w$)
$L/d = 0,02$ $0,279 \rho \pi L^2 B$ $0,0046 \rho \pi d L^4$
$L/d = 0,40$ $0,248 \rho \pi L^2 B$ $0,0047 \rho \pi d L^4$
$L/d = 1,00$ $0,212 \rho \pi L^2 B$ $0,0047 \rho \pi d L^4$
$L/d = 2,00$ $0,189 \rho \pi L^2 B$ $0,0046 \rho \pi d L^4$
$L/d = 4,00$ $0,170 \rho \pi L^2 B$ $0,0047 \rho \pi d L^4$
$L/d = 10,0$ $0,151 \rho \pi L^2 B$ $0,0047 \rho \pi d L^4$
$L/d = 20,0$ $0,142 \rho \pi L^2 B$ $0,0046 \rho \pi d L^4$

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm:

  • Phương pháp lý thuyết: Áp dụng cơ học thủy khí, lý thuyết thế vận tốc để thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động (3.13) mô tả tương tác động lực học giữa hệ phao và sóng.
  • Phương pháp mô phỏng số: Tính toán tải trọng thủy động, hệ số cản, khối lượng nước kèm theo các kích thước hình học của phao.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô công suất 50W, thử nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của nguyên lý hoạt động máy phát không lõi sắt.
  • Nguồn dữ liệu hải văn: Số liệu đo đạc thực tế từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương và dữ liệu tính toán mô phỏng trường sóng từ Đề tài KC.19/06-10 đối với các trạm quan trắc vùng biển Nam Trung Bộ (Trạm 49, Trạm 52, Trạm 54, Trạm 58).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật bức tranh toàn cầu và hiện trạng trong nước về năng lượng sóng biển. Luận án phân tích chi tiết dữ liệu phân vùng tiềm năng năng lượng sóng dải ven biển Việt Nam thành 6 vùng:

Phân vùng bờ biển Phạm vi trạm quan trắc Đặc điểm mùa gió & Thông lượng năng lượng sóng Dòng năng lượng TB năm
Vùng 1: Phía Bắc vịnh Bắc Bộ Trạm số 1 đến Trạm số 11 Ưu thế vào tháng 6, 7, 8 ($\ge 16\text{ kW/m}$); mùa đông bắc yếu ở phía Bắc, các trạm phía Nam đạt $\ge 15\text{ kW/m}$. $\approx 15\text{ kW/m}$
Vùng 2: Phía Nam vịnh Bắc Bộ Trạm số 12 đến Trạm số 21 Gió mùa đông bắc chiếm ưu thế (tháng 10 đến tháng 2 năm sau $\ge 30\text{ kW/m}$); mùa hè $< 20\text{ kW/m}$. $\approx 25\text{ kW/m}$
Vùng 3: Bắc miền Trung Trạm số 22 đến Trạm số 37 Năng lượng nhỏ do đảo Hải Nam che chắn trường sóng đông bắc; mùa hè gió thổi từ bờ ra khơi. $\approx 10\text{ kW/m}$
Vùng 4: Nam miền Trung Trạm số 38 đến Trạm số 54 Lớn nhất cả nước, tiếp xúc trực tiếp biển thoáng; mùa đông bắc $\ge 30\text{ kW/m}$; tháng 12 tại trạm 43-54 đạt $\approx 100\text{ kW/m}$. $\approx 30\text{ kW/m}$
Vùng 5: Ven bờ ĐB Nam Bộ Trạm số 55 đến Trạm số 71 Tác động của trường sóng gió mùa đông bắc bị hạn chế. $\approx 18\text{ kW/m}$
Vùng 6: Ven biển Tây Nam Trạm số 72 đến Trạm số 83 Năng lượng yếu nhất; nhiều tháng sóng lặng ($H < 0,5\text{ m}, T < 5\text{ s}$); mùa tây nam đạt khoảng $15\text{ kW/m}$ (tháng 8). $\approx 5 - 6\text{ kW/m}$

Chương này cũng tổng hợp các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng trên thế giới, chỉ ra các hạn chế về độ phức tạp cơ khí, khả năng chịu ăn mòn và chi phí vận hành, làm cơ sở lựa chọn mô hình biến đổi trực tiếp dạng tịnh tiến.

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

Chương 2 đi sâu phân tích các đặc trưng hải văn tại khu vực huyện đảo Phú Quý (tọa độ $9^\circ 58' - 10^\circ 33'\text{N}$ và $109^\circ 05'\text{E}$) - điểm có tiềm năng năng lượng sóng lớn nhất ($S_{max}$):

  • Chiều cao sóng hiệu dụng trung bình năm đạt $H_s = 1,62\text{ m}$ (cực đại vào tháng 12 đạt $2,69\text{ m}$, thấp nhất là $0,68\text{ m}$).
  • Chu kỳ sóng trung bình $T = 7,1\text{ s}$.
  • Dòng công suất khai thác khả thi đạt khoảng $10\text{ kW/m}$.
  • Độ cao sóng hiệu dụng đưa vào tính toán thiết kế lựa chọn là $H = 1\text{ m}$ (xuất hiện trong khoảng 80% thời gian của năm).
Tháng 11 - Tháng 3 năm sau (Gió mùa Đông Bắc)
---> Năng lượng sóng cực đại (tháng 12 đạt xấp xỉ 100 kW/m tại trạm 43-54)
---> Điều kiện thuận lợi khai thác phát điện (ít bão hơn mùa hè)

Trên cơ sở phân tích tương tác thủy động học bằng phương trình Laplace và điều kiện biên Neumann, chương 2 luận chứng việc lựa chọn kết cấu hệ 2 phao nổi (phao sơ cấp nhận sóng trực tiếp và phao thứ cấp dao động lệch pha) nối với máy phát điện tịnh tiến nam châm vĩnh cửu không lõi sắt, loại bỏ nhu cầu xây móng cố định dưới đáy biển.

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

Chương 3 tập trung xây dựng mô hình toán học và tính toán mô phỏng động lực học:

  • Thiết lập hệ phương trình vi phân động lực học (ký hiệu hệ phương trình 3.13 trong luận án) mô tả chuyển động tương đối giữa phao nổi và sóng biển, có xét đến các thành phần lực kích động sóng, lực cản bức xạ sóng, khối lượng nước kèm $m_w$, lực đẩy Archimedes hồi phục và lực cản điện từ của máy phát điện.
  • Khảo sát ảnh hưởng của hình dạng hình học phao (phao trụ tròn vát hai đầu, phao hình cầu) và tỷ lệ kích thước $L/d$ đến mô men quán tính $I_w$ và hệ số khối lượng nước kèm nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ động năng và thế năng mặt sóng.

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

Chương 4 trình bày quá trình thực nghiệm và tính toán mở rộng:

  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng - điện dạng chuyển động tịnh tiến công suất 50W sử dụng cuộn dây không lõi sắt và nam châm vĩnh cửu.
  • Thực nghiệm kiểm chứng nguyên lý chuyển động lệch pha giữa hai cụm phao, xác nhận việc triệt tiêu lực hút từ tĩnh giúp hệ thống khởi động và đổi chiều dao động thuận lợi dưới tác động của sóng nhỏ.
  • Đề xuất thông số thiết kế, tính toán kết cấu cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động tịnh tiến công suất 5kW định hướng ứng dụng thực tế cho vùng biển Nam Trung Bộ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đã tổng hợp, phân tích có hệ thống tiềm năng năng lượng sóng biển tại 6 vùng biển Việt Nam, cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học cho việc định hướng lựa chọn công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng phù hợp với điều kiện khí hậu hải văn trong nước.
  2. Thiết lập hệ phương trình vi phân (3.13) mô tả chuyển động tương đối giữa thiết bị chuyển đổi hai phao nổi và sóng biển, tích hợp các yếu tố thủy động lực học sóng và phản lực điện từ của máy phát tuyến tính.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng - điện dạng chuyển động tịnh tiến công suất 50W sử dụng máy phát nam châm vĩnh cửu không lõi sắt lần đầu tiên được nghiên cứu và chế tạo tại Việt Nam.
  2. Đề xuất giải pháp kết cấu hai phao nổi chuyển động chậm pha nhau, giúp thiết bị hoạt động độc lập không phụ thuộc vào hệ thống ngàm cố định đáy biển, giảm chi phí xây dựng công trình và thích ứng với dao động mực nước triều.
  3. Đề xuất mô hình thiết kế và khảo sát bộ thông số kỹ thuật cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng công suất 5kW ứng dụng cho vùng biển ngoài khơi Nam Trung Bộ (khu vực đảo Phú Quý).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình thiết bị chuyển đổi sóng - điện dạng phao tịnh tiến độc lập để cung cấp điện năng cho các trạm hải văn, đèn báo hiệu hàng hải, phao tín hiệu hoặc cấp điện bổ sung cho các đảo xa bờ chưa có điện lưới quốc gia.
  • Tiếp tục nghiên cứu kết hợp nhiều module thiết bị đơn lẻ thành tổ hợp trạm phát điện năng lượng sóng ngoài khơi để nâng cao tổng công suất cung cấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Thử nghiệm chế tạo thực tế trong luận án mới dừng lại ở mô hình công suất nhỏ (50W) trong điều kiện thử nghiệm có kiểm soát, chưa thực hiện đo đạc vận hành dài hạn ngoài khơi thực tế trong điều kiện bão và thời tiết khắc nghiệt.
  • Chưa giải quyết sâu bài toán đấu nối, lưu trữ năng lượng và ổn định điện áp đầu ra khi tích hợp vào lưới điện hoặc hệ thống lưu trữ độc lập quy mô lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện chế tạo và đưa vào thử nghiệm hiện trường mẫu thiết bị công suất 5kW tại vùng biển đảo Phú Quý.
  • Nghiên cứu sâu hơn về giải pháp chống ăn mòn vật liệu trong môi trường nước biển mặn và hệ thống neo giữ định vị mềm cho cụm thiết bị nhiều phao.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật biển, Năng lượng tái tạo: Luận án là tài liệu tham khảo về phương pháp giải bài toán thủy động lực học sóng tương tác với công trình nổi qua phương trình Laplace và thuật toán xác định khối lượng nước kèm, hệ số cản.
  • Đối với các kỹ sư thiết kế thiết bị năng lượng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về thiết kế máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu không lõi sắt nhằm loại bỏ lực hút từ khi đảo chiều chuyển động.
  • Đối với cơ quan hoạch định chính sách năng lượng và phát triển kinh tế biển: Cung cấp bộ số liệu phân vùng tiềm năng dòng năng lượng sóng tại 6 vùng biển Việt Nam làm căn cứ định hướng các dự án năng lượng tái tạo hải đảo.

Câu hỏi thường gặp

1. Vùng biển nào tại Việt Nam có tiềm năng năng lượng sóng lớn nhất theo kết quả trong luận án?

Vùng biển Nam Trung Bộ (Vùng 4, từ Trạm 38 đến Trạm 54) có tiềm năng năng lượng sóng lớn nhất cả nước do tiếp xúc trực tiếp với biển thoáng và đà sóng không bị che chắn. Dòng năng lượng sóng trung bình năm đạt khoảng 30 kW/m; vào mùa gió đông bắc đạt từ 30 kW/m trở lên, riêng tháng 12 tại các trạm từ 43 đến 54 có thể đạt xấp xỉ 100 kW/m. Khu vực đảo Phú Quý có chiều cao sóng hiệu dụng trung bình 1,62 m và chu kỳ sóng trung bình 7,1 s.

2. Tại sao luận án lựa chọn máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt thay vì máy phát có lõi sắt truyền thống?

Trong máy phát điện tịnh tiến có lõi sắt, lực hút từ giữa nam châm và lõi sắt cuộn ứng tạo ra lực cản tĩnh và gia tăng lực khởi động rất lớn mỗi khi roto đổi chiều chuyển động theo chu kỳ dao động của sóng. Việc sử dụng kết cấu không lõi sắt (cuộn dây lõi không khí) giúp triệt tiêu hoàn toàn lực hút từ này, giúp roto di chuyển mượt mà khi đổi chiều, giảm tổn hao năng lượng cơ học và nâng cao hiệu suất làm việc trong điều kiện vận tốc sóng biến thiên liên tục.

3. Nguyên lý làm việc của cơ cấu hai phao nổi chuyển động chậm pha nhau là gì?

Thay vì cố định một bộ phận xuống đáy biển (gây tốn kém và khó thích ứng với thủy triều), thiết bị sử dụng hai phao nổi tự do trên mặt nước. Dưới tác động của cùng một trường sóng, do sự khác biệt về đặc tính hình học và khối lượng, hai phao dao động với pha lệch nhau. Chuyển động tịnh tiến tương đối giữa hai phao này sẽ dẫn động trực tiếp phần cảm (nam châm) và phần ứng (cuộn dây) của máy phát điện tuyến tính để sinh ra dòng điện.

4. Năng lượng của sóng biển phân bố như thế nào theo độ sâu cột nước?

Theo tính toán lý thuyết sóng tuyến tính trong luận án, 100% thế năng của sóng biển tập trung trong phạm vi 1 lần chiều cao sóng tính từ mặt thoáng. Về động năng, gần 80% động năng của sóng (khoảng 2000 J) tập trung ở tầng nước mặt từ 0 đến 10 m, và khoảng 56% (1400 J) nằm ở độ sâu từ 0 đến 5 m. Do đó, việc thiết kế các thiết bị phao nổi thu nhận năng lượng ngay trên bề mặt sóng đem lại hiệu quả tiếp nhận năng lượng tối ưu.

5. Luận án đã chế tạo thử nghiệm mô hình ở mức công suất nào và đề xuất nghiên cứu tiếp theo ở mức công suất nào?

Luận án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm thành công mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng - điện dạng chuyển động tịnh tiến công suất 50W sử dụng nam châm vĩnh cửu không lõi sắt. Đồng thời, tác giả đã tiến hành tính toán thiết kế và khảo sát các thông số kỹ thuật cho mô hình thiết bị công suất 5kW định hướng ứng dụng thực tế tại vùng biển Nam Trung Bộ.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán nghiên cứu, tính toán và chế tạo thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng dạng chuyển động tịnh tiến trực tiếp, phù hợp với đặc thù hải văn Việt Nam. Bằng việc làm rõ tiềm năng năng lượng sóng tại 6 phân vùng bờ biển, luận án đã xác định vùng biển Nam Trung Bộ (trọng tâm là đảo Phú Quý) là khu vực tối ưu để triển khai thiết bị. Đề tài đã đóng góp giải pháp công nghệ sử dụng hệ 2 phao chuyển động chậm pha kết hợp máy phát nam châm vĩnh cửu không lõi sắt, được kiểm chứng thành công qua mô hình thực nghiệm 50W và thiết lập thông số cho mô hình 5kW. Đây là tài liệu khoa học có giá trị tham khảo cao về phương pháp tính toán thủy động lực học công trình nổi và thiết kế thiết bị khai thác năng lượng tái tạo đại dương.