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 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 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 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 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.
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.
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 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 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 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.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 .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 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 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”.
Bài viết đƣa ra các kết quả bƣớc đầu đạt đƣợc trong nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị phát điện từ năng lƣợng sóng biển. Trên cơ sở các kết quả phân tích, tính toán động lực học và mô phỏng số sự hoạt động của thiết bị, thiết bị phát điện đƣợc chế tạo hoạt động theo phƣơng thẳng đứng của sóng biển, phao của thiết bị thả nổi trên mặt biển để truyền năng lƣợng sóng biển đến máy phát điện đƣợc gắn cố định ở đáy biển. Kết quả thử nghiệm ở biển nhận đƣợc với công điện thiết bị phát ra 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.2: Mô hình của tác giả Nguyễn Đông Anh và Nguyễn Văn Hải.
Bài báo: “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển thành năng lƣợng 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 - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, ThS.