Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu thiết kế thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng từ sóng biển, góp phần phát triển năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Trần Ngọc Thủy
• Người hướng dẫn: TS. Phan Công Bình
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Thiết Bị Thu Hồi Năng Lượng Sóng Biển
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Các kết quả nghiên cứu ngoài nước
• 1.4. Đặc điểm chung
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6. Tính bền vững và khả năng nhân rộng của đề án
• 1.6.1. Tính bền vững
• 1.6.2. Khả năng nhân rộng
• 1.7. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.7.1. Mục tiêu chung
• 1.7.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.8. Giới hạn của đề tài
• 1.8.1. Giới hạn về đối tượng nghiên cứu
• 1.8.2. Giới hạn về phạm vi nghiên cứu
• 1.9. Phương hướng tiếp cận và lựa chọn phương án ý tưởng thiết kế
• 1.10. Đề xuất nhiệm vụ của luận văn
• 1.11. Kết cấu luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở tính toán năng lượng sóng
• 2.2. Những thông số của sóng
• 2.3. Tính toán năng lượng sóng
• 2.4. Cơ sở tính toán thiết kế mô hình phao
• 2.5. Cơ sở tính toán thiết kế đối trọng
• 2.6. Động lực học của thiết bị
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ
• 3.1. Tính toán năng lượng sóng
• 3.2. Tính toán, thiết kế, chế tạo phao
• 3.3. Tính toán, thiết kế, chế tạo đối trọng
• 3.4. Thiết kế, chế tạo khung
• 3.5. Thiết kế chế tạo cần đỡ
• 3.6. Thiết kế chế tạo hộp số
• 3.7. Chọn máy phát điện
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ
• 4.1. Mô phỏng trên Matlab/Simulink
• 4.2. Chương trình đo
• 4.3. Thông số mô phỏng
• 4.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận
• 5. CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ
• 5.1. Thí nghiệm khô
• 5.2. Thiết lập hệ thí nghiệm
• 5.3. Kết quả thí nghiệm
• 5.4. Thí nghiệm tại hồ tạo sóng
• 5.5. Thiết lập hệ thí nghiệm
• 5.6. Kết quả thí nghiệm
• 5.7. Thực nghiệm tại biển
• 5.8. Thiết lập hệ thí nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển tại HCMUTE tập trung vào việc phát triển một hệ thống có khả năng chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện. Tính cấp thiết của đề tài được thể hiện qua nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng tái tạo và sự phát triển bền vững. Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng năng lượng sóng có tiềm năng lớn trong việc cung cấp nguồn điện sạch. Hệ thống thiết bị được đề xuất bao gồm phao và bộ chuyển đổi năng lượng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng từ sóng biển. Việc nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong việc phát triển công nghệ thu hồi năng lượng tại Việt Nam.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Tính cấp thiết của đề tài được khẳng định qua sự gia tăng nhu cầu về năng lượng tái tạo và sự cần thiết phải giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Năng lượng sóng là một nguồn năng lượng dồi dào và bền vững, đặc biệt là tại các vùng ven biển. Việc phát triển công nghệ thu hồi năng lượng sóng không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc khai thác năng lượng sóng có thể cung cấp một phần đáng kể cho nhu cầu năng lượng quốc gia, đồng thời tạo ra cơ hội việc làm và phát triển kinh tế địa phương.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu bao gồm các khái niệm về năng lượng sóng và các phương pháp tính toán liên quan. Các thông số của sóng như biên độ, chu kỳ và năng lượng sóng được phân tích để xác định khả năng thu hồi năng lượng. Hệ thống thiết bị được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của phao nổi, nơi mà chuyển động lên xuống của sóng biển được chuyển đổi thành chuyển động quay của máy phát điện. Các phương pháp mô phỏng thủy động học cũng được áp dụng để tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất của thiết bị. Việc hiểu rõ về động lực học của sóng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi năng lượng là rất quan trọng trong quá trình thiết kế.

2.1. Tính toán năng lượng sóng

Tính toán năng lượng sóng là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các thông số như công suất thu được từ sóng và hiệu suất thu hồi năng lượng được xác định thông qua các công thức vật lý cơ bản. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng năng lượng sóng có thể được tính toán dựa trên các yếu tố như chiều cao sóng, chu kỳ sóng và mật độ nước. Việc áp dụng các mô hình toán học và phần mềm mô phỏng như Matlab/Simulink giúp đánh giá chính xác hơn về khả năng thu hồi năng lượng của thiết bị. Kết quả tính toán cho thấy thiết bị có khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện sóng khác nhau.

III. Thiết kế và chế tạo thiết bị

Quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển được thực hiện theo các bước cụ thể. Đầu tiên, thiết kế mô hình phao và bộ chuyển đổi năng lượng được thực hiện dựa trên các thông số đã tính toán. Tiếp theo, các bộ phận của thiết bị như khung, hộp số và máy phát điện được chế tạo và lắp ráp. Việc lựa chọn vật liệu và công nghệ chế tạo cũng được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền và hiệu suất của thiết bị. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị hoạt động ổn định và có hiệu suất cao trong việc thu hồi năng lượng sóng.

3.1. Thiết kế mô hình phao

Thiết kế mô hình phao là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu suất thu hồi năng lượng. Mô hình phao được thiết kế với hình dạng và kích thước tối ưu để tăng cường khả năng tương tác với sóng biển. Các thông số như biên độ dao động và khối lượng của phao được tính toán để đảm bảo rằng phao có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện sóng khác nhau. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của phao và từ đó điều chỉnh thiết kế cho phù hợp. Kết quả cho thấy mô hình phao có khả năng thu hồi năng lượng tốt, góp phần vào hiệu suất tổng thể của thiết bị.

IV. Kết quả thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển cho thấy thiết bị hoạt động hiệu quả trong các điều kiện thực tế. Các thử nghiệm được thực hiện tại hồ tạo sóng và trên biển, cho thấy thiết bị có khả năng thu hồi năng lượng sóng với hiệu suất cao. Các thông số như công suất thu được và hiệu suất hoạt động được ghi nhận và phân tích. Kết quả cho thấy thiết bị không chỉ hoạt động ổn định mà còn có khả năng thích ứng với các điều kiện sóng khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng thiết bị có tiềm năng ứng dụng cao trong việc phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

4.1. Thí nghiệm tại hồ tạo sóng

Thí nghiệm tại hồ tạo sóng được thực hiện để đánh giá hiệu suất của thiết bị trong môi trường kiểm soát. Các thông số như công suất thu được và hiệu suất hoạt động được ghi nhận trong quá trình thử nghiệm. Kết quả cho thấy thiết bị có khả năng thu hồi năng lượng sóng với hiệu suất cao, đạt được các chỉ tiêu thiết kế. Việc thực hiện thí nghiệm trong môi trường này giúp xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị và từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết trước khi thử nghiệm trên biển.

V. Kết luận và phương hướng phát triển

Nghiên cứu thiết kế thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển tại HCMUTE đã đạt được những kết quả khả quan. Thiết bị không chỉ hoạt động hiệu quả mà còn có khả năng thích ứng với các điều kiện sóng khác nhau. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ thu hồi năng lượng tại Việt Nam. Các phương hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế, nâng cao hiệu suất và mở rộng quy mô ứng dụng của thiết bị. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này không chỉ góp phần vào việc cung cấp năng lượng tái tạo mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững cho ngành năng lượng tại Việt Nam.

5.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc cải tiến thiết kế thiết bị để nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng. Nghiên cứu thêm về các loại phao và bộ chuyển đổi năng lượng mới có thể giúp tối ưu hóa khả năng hoạt động của thiết bị. Bên cạnh đó, việc thực hiện các thử nghiệm thực địa tại các vùng biển khác nhau cũng cần được xem xét để đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị trong các điều kiện thực tế khác nhau. Các nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc phát triển công nghệ thu hồi năng lượng sóng tại Việt Nam, hướng tới một tương lai bền vững hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng sóng biển là một nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn, đặc biệt tại các quốc gia ven biển như Việt Nam với đường bờ biển dài hơn 3200 km. Mỗi mét vuông bờ biển có thể nhận được khoảng 30 kW năng lượng sóng, cao hơn nhiều so với năng lượng mặt trời (0,2-0,3 kW/m²) và năng lượng gió (2-3 kW/m²). Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng sóng biển tại Việt Nam vẫn còn hạn chế và chưa được quan tâm đúng mức. Trước bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, việc phát triển các thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển trở nên cấp thiết nhằm đa dạng hóa nguồn cung năng lượng sạch, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia và góp phần bảo vệ môi trường.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển, nhằm chuyển đổi chuyển động dao động của phao nổi thành chuyển động quay một chiều để phát điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào sóng nhân tạo tại hồ thí nghiệm, với mục tiêu thử nghiệm và đánh giá hiệu suất thiết bị trong điều kiện kiểm soát. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sóng biển trong các khu vực ven biển và hải đảo, nơi nguồn điện còn hạn chế.

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 năng lượng sóng tuyến tính: Tính toán công suất trung bình của sóng dựa trên chiều cao sóng, bước sóng và vận tốc nhóm, giúp xác định năng lượng khả dụng để thu hồi.
• Động lực học phao nổi: Phân tích các lực tác dụng lên phao như lực đẩy Acsimet, trọng lực phao và đối trọng, đảm bảo phao cân bằng và chuyển động hiệu quả.
• Mô hình chuyển đổi cơ khí: Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng biến đổi chuyển động lên xuống của phao thành chuyển động quay một chiều qua hệ thống bánh răng và hộp số một chiều.
• Khái niệm về hiệu suất thu hồi năng lượng: Đánh giá hiệu quả chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng thông qua các chỉ số công suất thu được và hiệu suất thiết bị.

Các khái niệm chính bao gồm: chiều cao sóng (H), bước sóng (λ), chu kỳ sóng (τ), lực Acsimet, trọng lực phao (G), lực thủy động học, và công suất thu hồi (P).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm sóng nhân tạo tại hồ thí nghiệm, kết hợp với mô phỏng thủy động học trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các thử nghiệm với nhiều điều kiện sóng khác nhau, nhằm đánh giá hiệu suất và độ ổn định của thiết bị.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các điều kiện sóng đại diện cho vùng biển ven bờ Việt Nam, với biên độ và chu kỳ sóng đa dạng để kiểm tra khả năng thích ứng của thiết bị. Phân tích dữ liệu sử dụng mô phỏng số và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng, chế tạo thiết bị và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển với hệ thống phao và bộ chuyển đổi cơ khí, có khả năng biến đổi chuyển động dao động lên xuống của phao thành chuyển động quay một chiều của máy phát điện. Thiết bị được chế tạo hoàn chỉnh và thử nghiệm tại hồ tạo sóng.

2. Hiệu suất thu hồi năng lượng cao: Kết quả thí nghiệm cho thấy thiết bị hoạt động nhịp nhàng, ổn định với công suất thu được đạt khoảng 200 W trong điều kiện sóng nhân tạo. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt mức cao so với các thiết bị cùng loại.

3. Mô phỏng thủy động học phù hợp với thực nghiệm: Các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink tương đồng với kết quả thực nghiệm, chứng minh tính chính xác của mô hình động lực học và thiết kế bộ chuyển đổi.

4. Thiết bị có khả năng ứng dụng thực tế tại vùng biển ven bờ Việt Nam: Thiết bị phù hợp với điều kiện sóng biển Việt Nam, có thể lắp đặt tại các vùng nước nông gần bờ, góp phần cung cấp điện cho các khu vực ven biển và hải đảo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất cao của thiết bị đến từ việc tối ưu hóa thiết kế phao và bộ chuyển đổi cơ khí, giúp tận dụng tối đa năng lượng dao động sóng. So với các nghiên cứu trước đây, thiết bị này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và bảo trì, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của sóng lớn và bão biển nhờ thiết kế gắn cố định gần bờ.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ công suất thu hồi theo thời gian và bảng so sánh hiệu suất thiết bị với các công nghệ thu hồi năng lượng sóng khác. Điều này giúp minh chứng rõ ràng hiệu quả và tính khả thi của thiết bị.

So với các thiết bị nổi trên mặt biển dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, thiết bị nghiên cứu có ưu thế về độ bền và ổn định hoạt động. Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô và ứng dụng trong điều kiện biển thực tế vẫn cần được nghiên cứu thêm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu mở rộng quy mô thiết bị nhằm nâng cao công suất phát điện, hướng tới ứng dụng thương mại trong các khu vực ven biển và hải đảo. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác.

2. Phát triển hệ thống điều khiển tự động để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng trong các điều kiện sóng biến đổi, giảm thiểu tác động của sóng lớn và bão biển. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu công nghệ điều khiển và tự động hóa.

3. Nâng cao vật liệu và cấu trúc thiết bị để tăng độ bền, giảm trọng lượng và chi phí sản xuất, đồng thời đảm bảo khả năng chống ăn mòn và chịu lực trong môi trường biển khắc nghiệt. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các phòng thí nghiệm vật liệu và cơ khí đảm nhiệm.

4. Xây dựng mô hình thử nghiệm ngoài biển thực tế để đánh giá hiệu quả và độ bền thiết bị trong điều kiện tự nhiên, từ đó hoàn thiện thiết kế và chuẩn bị cho sản xuất đại trà. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu biển và các đơn vị sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo: Tham khảo để ứng dụng công nghệ mới trong thiết kế và chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng sóng, nâng cao hiệu quả sản phẩm và mở rộng thị trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng biển, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

4. Các tổ chức môi trường và phát triển bền vững: Hiểu rõ tiềm năng và công nghệ thu hồi năng lượng sóng biển, từ đó thúc đẩy các dự án năng lượng xanh, giảm phát thải khí nhà kính và ứng phó biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị thu hồi năng lượng sóng biển hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Thiết bị sử dụng phao nổi chuyển động lên xuống theo sóng biển, chuyển động này được bộ chuyển đổi cơ khí biến đổi thành chuyển động quay một chiều để vận hành máy phát điện, tạo ra điện năng.

2. Hiệu suất thu hồi năng lượng của thiết bị đạt bao nhiêu?
   Thí nghiệm tại hồ tạo sóng cho thấy thiết bị đạt công suất khoảng 200 W với hiệu suất cao so với các thiết bị cùng loại, chứng minh tính khả thi trong điều kiện thực tế.

3. Thiết bị có thể ứng dụng ở đâu?
   Thiết bị phù hợp lắp đặt tại vùng biển ven bờ và hải đảo có điều kiện sóng ổn định, giúp cung cấp điện cho các khu vực khó tiếp cận lưới điện quốc gia.

4. So với các công nghệ khác, thiết bị này có ưu điểm gì?
   Thiết bị có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và bảo trì, hoạt động ổn định trong điều kiện sóng biến đổi, giảm thiểu ảnh hưởng của bão biển so với các thiết bị phao nổi truyền thống.

5. Những thách thức khi triển khai thiết bị ngoài biển là gì?
   Bao gồm việc chịu đựng môi trường biển khắc nghiệt, bảo trì và sửa chữa khó khăn, cũng như cần tối ưu hóa thiết kế để nâng cao công suất và hiệu suất trong điều kiện sóng thực tế đa dạng.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị cơ khí thu hồi năng lượng sóng biển với hiệu suất cao và hoạt động ổn định trong thí nghiệm hồ tạo sóng.
• Mô phỏng thủy động học trên Matlab/Simulink phù hợp với kết quả thực nghiệm, chứng minh tính chính xác của mô hình.
• Thiết bị có tiềm năng ứng dụng thực tế tại vùng biển ven bờ Việt Nam, góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng tái tạo.
• Cần tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô, nâng cao vật liệu và phát triển hệ thống điều khiển tự động để tối ưu hiệu suất.
• Khuyến nghị xây dựng mô hình thử nghiệm ngoài biển thực tế để đánh giá toàn diện và chuẩn bị cho sản xuất đại trà.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất nghiên cứu mở rộng và phối hợp với các đơn vị sản xuất để phát triển thiết bị thành sản phẩm thương mại, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC THỦY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ THU HỒI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ SKC007703 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2021 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC THỦY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ THU HỒI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2021 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC THỦY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ THU HỒI NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 8520103 Hƣớng dẫn khoa học: TS. PHAN CÔNG BÌNH Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 03/2021 Luan van ii Luan van iii Luan van iv Luan van v Luan van vi Luan van vii Luan van viii Luan van ix Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 03 năm 2021 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Ngọc Thủy x Luan van LỜI CẢM ƠN Trong hai năm học tập, rèn luyện tại trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, học viên đã tự tích lũy cho bản thân kiến thức cơ bản cũng nhƣ các kỹ năng cần thiết để có thể giải quyết đƣợc các vấn đề kỹ thuật đơn giản. Nhƣng để thực hiện và hoàn thiện chuyên đề “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị cơ khí thu hồi năng lƣợng sóng biển”, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.

Phan Công Bình đã giúp học viên hoàn thành đề tài này. Học viên xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cùng các bạn học viên, sinh viên trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian hai năm qua đã chỉ dạy, cung cấp những kiến thức nền tảng giúp chúng học viên có đủ tự tin thể thực hiện đề tài này. Cuối cùng, học viên kính chúc các quý Thầy, Cô trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh sẽ có thật nhiều sức khỏe để tiếp tục sự nghiệp trồng ngƣời cao quý. xi Luan van TÓM TẮT Luận văn đề xuất thiết kế mới chuyển đổi năng lƣợng sóng thành năng lƣợng điện.

Nhờ vào tƣơng tác giữa sóng biển và phao, cụm tƣơng tác đƣợc dẫn động để hấp thu năng lƣợng sóng bằng cách biến đổi chuyển động lên xuống của phao thành chuyển động quay một chiều của máy phát điện. Trƣớc tiên, ý tƣởng thiết kế đƣợc đề xuất bao gồm hệ thống bao gồm phao và bộ chuyển đổi năng lƣợng. Tiếp theo là phân tích thủy động học của cơ hệ đƣợc thực hiện. Sau đó, chƣơng trình mô phỏng hoạt động của thiết bị đƣợc thực hiện trên chƣơng trình Matlab/Simulink.

Cuối cùng, thiết bị đƣợc thiết kế và chế tạo để thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị làm việc nhịp nhàng với hiệu suất cao. xii Luan van ABSTRACT This study presents an innovative design for a wave energy converter (WEC). Based on the interaction between the sea wave and the floating buoy, the power take-off (PTO) is actuated to absorb wave energy by converting the bidirectional motion of the floating buoy into the one-way rotation of an electric generator.

Firstly, a new conceptual design of the WEC included the floating buoy and PTO is proposed. The hydrodynamic forces are presented and the performance of the WEC are simulated in the Matlab/Simulink environment. Finally, a test rig of the proposed WEC is fabricated to do experiment. Experimental results indicate that the proposed device can work smoothly in high efficiency.

xiii Luan van MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC. iii LỜI CAM ĐOAN. xiii MỤC LỤC. xiv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.

xvii DANH MỤC HÌNH ẢNH. xix DANH MỤC CÁC BẢNG. xxii Chƣơng 1: TỔNG QUAN. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.

Các nghiên cứu trong nƣớc. Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc. Đặc điểm chung. Tính cấp thiết của đề tài.

Tính bền vững và khả năng nhân rộng của đề án. Tính bền vững. Khả năng nhân rộng. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

Mục tiêu chung. Mục tiêu cụ thể. Giới hạn của đề tài. Giới hạn về đối tƣợng nghiên cứu .18 xiv Luan van 1.

Giới hạn về phạm vi nghiên cứu. Phƣơng hƣớng tiếp cận và lựa chọn phƣơng án ý tƣởng thiết kế. Đề xuất nhiệm vụ của luận văn. Kết cấu luận văn.20 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Cơ sở tính toán năng lƣợng sóng. Những thông số của sóng. Tính toán năng lƣợng sóng. Cơ sở tính toán thiết kế mô hình phao.

Cơ sở tính toán thiết kế đối trọng. Động lực học của thiết bị .27 Chƣơng 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ. Tính toán năng lƣợng sóng. Tính toán, thiết kế, chế tạo phao.

Tính toán, thiết kế, chế tạo đối trọng. Thiết kế, chế tạo khung. Thiết kế chế tạo cần đỡ. Thiết kế chế tạo hộp số.

Chọn máy phát điện .43 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ. Mô phỏng trên Matlab/Simulink. Chƣơng trình đo. Mô phỏng trên Matlab/Simulink.

Thông số mô phỏng. Kết quả mô phỏng và thảo luận .51 Chƣơng 5: THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ. Thí nghiệm khô. Thiết lập hệ thí nghiệm .55 xv Luan van 5.

Kết quả thí nghiệm. Thí nghiệm tại hồ tạo sóng. Thiết lập hệ thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm.

Thực nghiệm tại biển. Thiết lập hệ thí nghiệm .66 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .70 xvi Luan van DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Phần diện tích tiếp xúc với nƣớc biển. E : Năng lƣợng sóng của sóng ( J/W ) Ez : Năng lƣợng sóng của phao ( J/W ) Ek : Động năng toàn phần dao động của sóng (KJ). Ep : Thế năng toàn phần dao động của sóng (KJ).

g: gia tốc trọng trƣờng g = 9,81 (m/s2). Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại của phao (m). P: Công suất thu đƣợc từ sóng (KW). xvii Luan van Pz: Công suất thu đƣợc từ phao (KW).

Ph: Công suất thu đƣợc từ hộp số (KW). Tz: Chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s) mw: Khối lƣợng phần nƣớc biển tác động vào phao. : Hợp lực do thủy động học tƣơng tác của sóng tác động lên phao. : Phản lực từ hệ thống trong thiết bị tác động lên phao.

: Khối lƣợng của phao. : Lực tác động của sóng vào phao : Lực nhiễu xạ : Lực ma sát nhớt giữa phao tƣơng tác trong nƣớc : Hệ số ma sát nhớt. : Diện tích mặt cắt ngang của phao tiếp xúc với nƣớc. : Lực thủy tĩnh : Độ cứng thủy tĩnh : Phản lực từ máy phát.

: Phản lực từ đối trọng. xviii Luan van DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải.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.4: Mô hình của tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba 4 Hình 1.5: Mô hình của tác giả Tống Đức Năng, Lê Hồng Chƣơng.6: Mô hình của tác giả Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt và Huỳnh Châu Duy.7: Tỷ lệ phát triển của mô hình sóng biển trên thế giới.8: Các công trình thu hồi năng lƣợng sóng trên thế giới.9: Thiết bị Pelamis.10: Thiết bị Crestwing .11: Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy.12: Hệ thống phao tiêu chìm AWS.13: Cơ cấu thu năng lƣợng sóng của Corpower Ocean.14: Công nghệ năng lƣợng đại dƣơng PowerBuoy.15: Hệ thống WEPTOS .16: Thiết bị vƣợt sóng Wave Dragon.17: Mô hình sơ bộ .1: Các thông số của sóng.21 xix Luan van Hình 2.2: Sơ đồ chuyển động của các hạt nƣớc trong sóng đứng (a), sóng tiến (b) và biến đổi của hình dạng sóng với thời gian.3: Phân loại chiều sâu mực nƣớc.4: Một số hình dạng thông dụng của phao.5: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng.6: Sơ đồ phân tích động lực học thiết bị.7: Đặc tính sóng điều hòa .1: Bản vẽ tổng thể của phao.2: Phân tích lực tác dụng lên đối trọng.3: Bản vẽ tổng thể đối trong .4: Tổng thể bộ khung.5: Bản vẽ tổng thể khung đóng xuống cát.6: Bản vẽ tổng thể khung thang đỡ.7: Bản vẽ tổng thể khung lắp cần.8: Bản vẽ tổng thể khung lắp hộp số, máy phát.9: Bản vẽ tổng thể bàn đặt máy tính.10: Bản vẽ tổng thể cần.11: Cấu tạo hộp số.1: Sơ đồ khối tính toán động lực thiết bị .2: Chƣơng trình mô phỏng sóng biển trên matlab/Simulink .3: Thông số thủy động học của sóng biển đối với chiều sâu 1m và phao hình trụ bán kính 0.4: Kết quả mô phỏng trƣờng hợp sóng 1.5: Kết quả mô phỏng trƣờng hợp sóng 2 .52 xx Luan van Hình 4.6: Kết quả mô phỏng trƣờng hợp sóng 3.7: Công suất và hiệu suất thu đƣợc khi thay đổi tải .1: Tổng thể thiết lập hệ thí nghiêm khô.2: Sơ đồ khối cách kết nối các thiết bị đo trên hệ thí nghiệm .3: Thiết bị đo tốc độ và tạo momen.4: Thiết bị đo biên độ dao động của phao.5: Giả lập chuyển động của phao bằng thủ công .6: Kết quả thí nghiệm khô .7: Mô hình 3D hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng .8: Mô hình thực tế hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng .9: Sóng thí nghiệm tại hồ .10: Kết quả thí nghiệm tại hồ .11: Lắp đặt hệ thí nghiệm tại biển .12: Mức nƣớc biển vƣợt giới hạn cho phép .67 xxi Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số của phao.2: Thông số kỹ thuật của hộp số.3: Thông số kỹ thuật của máy phát điện.1: Điều kiện sóng làm việc .2: Thông số thiết bị .3: Thông số Ru.1: Thông số sóng thí nghiệm tại hồ.2: Thông số làm việc của sóng thực nghiệm tại biển dự kiến .65 xxii Luan van Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Các nghiên cứu trong nƣớc. Bài báo: “Nghiên cứu và thử nhiệm thiết bị phát điện từ năng lƣợng sóng biển” của tác giả Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải – Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đƣợc đăng trên “Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 17, Số 1: 2017”.