Chương 1 TỔNG QUAN 1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước. Các nghiên cứu trong nước. Bài báo: “Nghiên cứu và thử nhiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển” của tác giả Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải – Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam được đăng trên “Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 17, Số 1: 2017”.
Bài viết đưa ra các kết quả đạt được trong nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển. Thiết bị phát điện được chế tạo hoạt động theo phương thẳng đứng của sóng biển, phao của thiết bị thả nổi trên mặt biển để truyền năng lượng sóng biển đến máy phát điện được gắn cố định ở đáy biển. Kết quả thử nghiệm ở biển nhận được với công suất hoạt động ổn định đạt đến 200 W, điện áp phát ra 220 VAC tần số 50 Hz thực sine. Các kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị hoàn toàn phù hợp với các điều kiện thực tế biển Việt Nam.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải.[1] 1 Luan van Hình 1.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải.
Bài báo: “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi” của các tác giả: ThS. Phùng Văn Ngọc - Viện Khoa học thủy lợi Miền Trung và Tây nguyên, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS. Lê Vĩnh Cẩn - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, ThS. Đoàn Thị Vân - Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung Ương được đăng ở tạp chí Khoa học và công nghệ thủy lợi số 21 - 2014.
Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng sử dụng nguyên lý phao nổi hình hộp chữ nhật. Bài báo cũng đưa ra một số kết quả tính toán cho thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển áp dụng cho vùng có mức năng lượng lớn. 2 Luan van Hình 1.3: Nguyên lý mô hình của tác giả ThS. Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS.
Lê Vĩnh Cẩn và ThS. Đoàn Thị Vân. Bài báo giới thiệu các nghiên cứu về thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện năng sử dụng nguyên lý phao nổi. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng khảo sát, phân tích và tính toán các đặc tính của thiết bị biến đổi năng lượng sóng.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy được việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi hoàn toàn đáp ứng về mặt chuyển đổi năng lượng trong thực tế với điều kiện áp dụng tại vùng biển Việt Nam. Quá trình nghiên cứu đưa ra một số kết quả tính toán cho thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển dạng hình trụ áp dụng cho vùng có mức năng lượng lớn. 3 Luan van Hình 1.4: Mô hình của tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba [3] Bài báo: “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đặt ven bờ” của tác giả: Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương được đăng trong tạp chí Khoa học và công nghệ xây dựng số 4 – 2017. Trong bài báo này, một mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển theo nguyên lý phao nổi được đề xuất, một số thông số chính của thiết bị cũng được tính toán, khảo sát cho điều kiện Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi chuyển hóa năng lượng sóng thành năng lượng dòng thủy lực để làm quay tuabin máy phát điện là phù hợp với điều kiện tại một số khu vực. 4 Luan van Hình 1.5: Mô hình của tác giả Tống Đức Năng, Lê Hồng Chương. [4] Bài báo: “Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện” của các tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM, Trường ĐH Bách khoa TP.
Bài báo này giới thiệu các nghiên cứu của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển như bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) và bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon (WD). Bên cạnh đó, các nghiên cứu, phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng được giới thiệu trong bài báo. Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab cho thấy tính hiệu quả của các bộ điều khiển mà đã được áp dụng cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển. 5 Luan van Hình 1.6: Mô hình của tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh Châu Duy.
[5] Viện Nghiên cứu Cơ khí thực hiện thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển trong khuôn khổ đề tài KC.05-17/06-10, thiết bị hoạt động theo mô hình thả nổi trên mặt biển dạng rắn biển với công suất thiết kế từ 5÷10 kW [6]. Thiết bị được chế tạo gồm năm boong phao, trong đó ba boong phao thu nhận năng lượng và hai boong phao chuyển đổi năng lượng được lắp đặt các mô tơ phát điện loại công nghiệp. Các boong phao được liên kết với nhau bằng khớp bản lề để thu nhận năng lượng, dưới tác dụng của sóng biển hệ thống thuỷ lực sẽ cung cấp dòng lưu lượng dầu ổn định với áp suất cao đẩy quay các mô tơ phát điện. Thiết bị đã hoạt động thử nghiệm tại biển Hòn Dấu - Hải Phòng và cung cấp điện năng cho bộ đội biên phòng đóng trên đảo sử dụng.
6 Luan van Hình 1.7: Thiết bị phát điện kiểu rắn biển, Viện Nghiên cứu Cơ khí Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện chế tạo thiết bị phát điện từ năng lượng sóng biển dạng phao nổi, thiết bị được thiết kế chế tạo hoạt động thả nổi trên mặt biển theo phương thẳng đứng. Trong mô hình, các tác giả đã tính toán chế tạo mô tơ phát điện dạng chuyển động tịnh tiến lên xuống và phát điện trực tiếp, với nam châm của mô tơ phát được gắn xung quanh trục chuyển động nằm ở giữa, các cuộn dây cảm ứng được lắp đặt xung quanh trục nam châm để phát ra điện năng. Thiết bị đã được tiến hành thử nghiệm ở biển, với công suất điện từ thiết bị phát ra đã nhận được còn hạn chế, thiết bị là sản phẩm thuộc đề tài mã số QG.8: Thiết bị phát điện dạng phao nổi, Đại học Quốc gia Hà Nội Viện Khoa học Năng lượng, thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN đã thực hiện đề tài mã số VAST07.04/14-15, trong đề tài đã chế tạo được một mô hình thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển hoạt động nổi trên mặt biển sử dụng mô tơ phát điện dạng máy phát thủy điện loại trục đứng. Thiết bị hoạt động trên bề mặt sóng biển và gắn cố định trên mặt biển.
Thiết bị được chế tạo gồm hai khoang chứa15 trên dưới, khoang ở trên nhận nước biển đổ vào trong nửa chu kỳ sóng tiến từ bụng sóng đến đỉnh sóng và đồng thời khoang dưới xả nước đẩy quay mô tơ phát điện trong nửa chu kỳ kế tiếp khi sóng biến đổi từ đỉnh sóng xuống bụng sóng. Trong mô hình thiết bị, các tác giả sử dụng loại mô tơ phát điện có công suất định mức 60 W, với công suất điện phát ra khi thử nghiệm ở biển đã nhận được 50,92 W. Cách thức thử nghiệm: các tác giả sử dụng cần cẩu cảng buộc cáp thả treo thiết bị giữ ở mức lơ lửng trên bề mặt nước biển để khảo sát thử nghiệm sự hoạt động của thiết bị [9]. 7 Luan van Hình 1.9: Thiết bị phát điện cố định trên mặt biển, Viện Khoa học Năng lượng 8 Luan van 1.
Các kết quả nghiên cứu ngoài nước. Mối quan tâm về năng lượng sóng được thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973. Một số nhà nghiên cứu đã tiến hành kiểm tra tiềm năng tạo ra điện từ sóng biển. Cho đến hiện nay theo thống kê trên thế giới có hàng trăm các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này, ngoài ra còn nhiều tổ chức, cá nhân đóng góp rất nhiều công trình từ phát minh, sáng chế để không ngừng nghiên cứu và phát triển các thiết bị công nghệ WEC.10: Tỷ lệ phát triển của mô hình sóng biển trên thế giới.11: Các công trình thu hồi năng lượng sóng trên thế giới.
❖ Thiết bị pelamis: 9 Luan van Pelamis là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, nối với nhau bằng bản lề. Sóng biển làm chuyển động mạnh hệ thống phao, nó tác động mạnh vào hệ thống bơm thủy lực làm quay turbin phát điện. Hàng loạt thiết bị tương tự sẽ kết nối với nhau, làm cho turbin hoạt động liên tục. Dòng điện được truyền qua giây cáp ngầm dưới đáy đại dương dẫn vào bờ, nối với lưới điện, cung cấp cho hộ sử dụng.
Nếu xây dựng nhà máy điện có công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2.12: Thiết bị Pelamis. [10] Pelamis neo ở độ sâu chừng 50 – 70 m, cách bờ dưới 10 km, là nơi có mức năng lượng cao trong các con sóng. Và Pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul có hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ. Mỗi thiết bị pelamis có thể cho công suất 750 kW, nó có chiều dài 140 – 150 m, có đường kính ống 3 - 3,5 m.
Tại Bồ Đào Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis có công suất 2,25 MW. Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3 MW, với giá thành 4 triệu bảng. ❖ Hệ thống Crestwing Crestwing bao gồm hai phao hình chữ nhật được nối với nhau bằng bản lề. Hai chiếc phao nối liền nhau chuyển động tương quan với nhau.
Một thanh đẩy được gắn 10 Luan van vào phao sau và lắp vào phía trước. Thanh đẩy di chuyển một giá đỡ và bánh răng nhờ đó nó dẫn động một máy phát điện. Máy phát điện hoạt động như một phanh hãm. Năng lượng được tạo ra khi sóng kéo đi và tâm của cây bị kéo xuống.13: Thiết bị Crestwing [10] ❖ Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy: AquaBuoy là một hệ thống phao nổi, có nguyên lý hoạt động nhằm biến đổi năng lượng động học của chuyển động thẳng đứng do các đợt sóng biển tạo ra năng lượng điện sạch.
Nhờ việc trồi lên, ngụp xuống của sóng biển làm hệ thống phao nổi dập dềnh lên xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuyển động, tạo ra dòng điện. Điện dẫn qua hệ thống cáp ngầm đưa lên bờ, hòa vào lưới điện.14: Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy.