Chuyên đề Chuyển đổi năng lượng sóng đại dương

Chương 1: Giới thiệu Trang 01 1.1. Đặt vấn đề 1.2. Lý do chọn đề tài Trang 02 1.3. Mục tiêu đề tài 1.4. Giới hạn đề tài Trang 03 1.5. Nội dung đồ án Chương 2: Tổng quan về năng lượng tái tạo Trang 04 2.1. Khái niệm năng lượng tái tạo 2.2. Các dạng của năng lượng tái tạo 2.2.1. Năng lượng mặt trời Trang 05 2.2.2. Năng lượng gió 2.2.3. Năng lượng thủy điện 2.2.4. Năng lượng sóng 2.2.5. Năng lượng thủy triều 2.2.6. Năng lượng địa nhiệt Trang 06 2.2.7. Pin nhiên liệu 2.2.8. Năng lượng sinh khối 2.3. Tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo 2.4. Kết luận Trang 08 Chương 3: Năng lượng sóng và các phương pháp biến đổi Trang 09 3.1. Giới thiệu năng lượng sóng đại dương 3.2. Sự hình thành sóng đại dương Trang 10 3.3. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng Trang 11 3.3.1. Vùng sóng gợn 3.3.2. Vùng gia tăng chiều cao sóng 3.3.3. Vùng sóng vỗ Trang 12 3.4. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 3.4.1. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ 3.4.1.1. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ trực tiếp 3.4.1.2. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ gián tiếp Trang 14 3.4.2. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ Trang 16 Chương 4: Tính toán các thông số của sóng Trang 19 4.1. Định nghĩa mực nước của đại dương 4.2. Thông số đặc tính của sóng đại dương 4.3. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng đại dương Trang 20 4.3.1. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập được 4.3.1.1. Tính toán năng lượng của sóng đều Trang 21 4.3.1.2. Tính toán năng lượng của sóng không đều (sóng vỗ gần bờ) Trang 23 4.3.2. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng dựa vào thông số của gió biển Trang 25 Chương 5: Tính toán và thiết kế mô hình khai thác năng lượng sóng Trang 29 5.1. Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình phao khai thác năng lượng trên mặt sóng 5.2. Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình tấm chắn sóng khai thác năng lượng sóng tới Trang 38 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trang 44 6.1. Kết luận 6.2. Hướng phát triển

pdf47 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 4250 | Lượt tải: 10download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Chuyên đề Chuyển đổi năng lượng sóng đại dương, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
triều lớn nhất thế giới)… Và còn nhiều dự án hàng tỷ USD đã và đang được lên kế hoạch xây dựng trên toàn thế giới nhằm khai thác một cách triệt để và hiệu quả năng lượng tái tạo Theo thống kê của cơ quan điều tra môi trường EIA (Environmental Investigation Agency) và các nhà cung cấp năng lượng tại Mỹ (US Energy Supply) vào năm 2007 thì sản lượng điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo đạt 6,7% tổng giá trị sản lượng điện trên thê giới (hình 2.2). Sản lượng của năng lượng tái tạo tăng với tốc độ khá nhanh và hướng tới mục tiêu vào năm 2035 sẽ cung cấp và giải quyết gần 25% năng lượng điện năng trên toàn thế giới. Theo như biểu đồ dự đoán như hình 1.3 thi ta thấy tìm năng phát triển của năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng sinh khối, rác thải, sóng và thủy triều là có tiềm năng phát triển cao hơn trong tương lai từ 220 tỷ KW vào năm 2007 lên 870 tỷ KW vào năm 2035. Hình 2.2: Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo 2.4. Kết luận: Khai thác năng lượng tái tạo là một lĩnh vực tiềm năng và mang lại nhiều lợi ích lâu dài. Vì vậy, việc chú trọng phát triển loại năng lượng này là một nhu cầu cấp bách hiện nay trên toàn thế giới. Có rất nhiều phương pháp và thiết bị đã được nghiên cứu và phát triển nhằm khai thác năng lượng tái tạo, trong nội dung đề tài dưới đây đưa ra một số thông tin và cách thức nhằm khai thác năng lượng sóng của đại dương. Hình 2.3: Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo Chương 3: NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI 3.1. Giới thiệu năng lượng sóng đại dương: Dạng năng lượng dễ thấy nhất từ đại dương chính là năng lượng của sóng trên bề mặt đại dương, sóng đại dương mang năng lượng rất lớn. Nguồn tạo ra năng lượng sóng dựa trên 4 hiện tượng: - Vật thể di chuyển trên hoặc gần mặt nước gây ra sóng với chu kỳ nhỏ và mang năng lượng nhỏ. - Các hoạt động địa chấn cũng là nguyên nhân gây ra sóng địa chấn biển “hay được gọi là tsunami”. - Lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời cũng là nguyên nhân gây ra các đợt sóng triều cường “tidal wave” hay gọi là sóng thần. - Gió biển và các hiện tượng khí hậu là nguồn tạo ra sóng lớn nhất, gió thổi trên mặt biển tạo ra các đợt sóng khá lớn, các cơn bão có thể gây ra sóng thần và sóng lừng hai loại sóng này mang một năng lượng cực kỳ lớn. Năng lượng sóng biển từ gió là một dạng của năng lượng mặt trời, vì nguồn gốc cơ bản của gió chính là từ mặt trời. Năng lượng mặt trời bức xạ lên đất liền và biển, tạo ra các khối không khí ấm, khối không khí này sẽ di chuyễn đến và thế chỗ cho khối không khí lạnh hơn và tạo ra gió. Năng lượng từ sóng biển là dạng năng lượng vô hạn và rất dễ để khai thác, tuy nhiên giá trị kinh tế của việc khai thác chuyển đổi năng lượng từ sóng biển còn tùy thuộc vào các yếu tố sau: - Độ lớn và độ tin cậy của nguồn sóng. - Chi phí nguyên cứu phát triển các hệ thống chuyển đổi. - Hiệu suất của các hệ thống chuyển đổi năng lượng. - Chi phí lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng các hệ thống chuyển đổi. - Chi phí truyền tải năng lượng chuyển đổi đến nơi tiêu thụ. Hình 3.1: Sự hình thành của sóng Vì vậy, muốn thiết kế một mô hình khai thác năng lượng sóng đại dương ta cần quan tâm đến hiệu quả kinh tế của nó mang lại, nói cách khác ta phải quan tâm đến các yếu tố nêu trên. Trong các yếu tố đó yếu tố độ lớn và độ tin cậy của sóng là không phụ thuộc vào con người, cho nên muốn có nguồn sóng lớn và ổn định ta phải tìm hiểu về sóng cùng với việc đo đạc, thống kê để tìm ra nguồn sóng tốt nhất và thích hợp với những mô hình thiết kế nhất. 3.2. Sự hình thành sóng đại dương: Sóng cơ bản được hình thành qua 3 bước từ đó phân chia ra 3 vùng hình thành sóng cơ bản: Sóng ban đầu được hình thành ngoài khơi đại dương và rất xa bờ là từng đợt sóng gợn sóng với chiều dài thân sóng (wavelength) rất gắn và chiều cao (wave height) rất thấp (vùng sóng gợn (wave crowding)). Như vậy, ban đầu sóng được hình thành với bước sóng (chiều dài thân sóng) ngắn và tốc độ dịch chuyển của đỉnh sóng cao nhất. Sau đó những đợt sóng này sẽ dao động về phía gần bờ và bắt đầu gia tăng bước sóng, đồng thời chiều cao của sóng cũng được gia tăng (vùng gia tăng chiều cao sóng (wave height increases)). Ở vùng này, tốc độ dịch chuyển của đỉnh sóng cũng giảm xuống và năng lượng sóng với chiều tác động dẩy sóng nhô lên gia tăng lực đẩy làm gia tăng chiều cao của sóng. Khi tiến đến gần bờ thì sườn sau của sóng bắt đầu dịch chuyển nhanh hơn rất nhiều và vượt tới trước, lúc này chiều cao của sóng được đẩy lên cao nhất và sóng bắt đầu vỡ ra và đập vào bờ hay còn gọi là sóng tới (vùng sóng vỗ (surf zone)). Hình 3.2: Sự hình thành các vùng sóng Hình 3.3: Các thành phần của sóng 3.3. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng: 3.3.1: Vùng sóng gợn: Như đã đề cập ở mục 3.2, ở vùng sóng này, sóng được hình thành với bước sóng ngắn và chiều cao sóng thấp nên mang năng lượng thấp. Lực tác động của bề mặt sóng ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng 1Fz  và lực theo phương ngang 1Fx  và hợp lực tổng là 1F  , vì ở vùng này bước sóng và chiều cao tỉ lệ tương đối với nhau nên ta có 1 1Fz Fx   nên 1 1 / 2F Fz   . 3.3.2: Vùng gia tăng chiều cao sóng: Sóng ở vùng này được gia tăng năng lượng và lực 2Fz  được gia tăng nhằm đẩy mực nước lên cao, tăng chiều cao và bước sóng. Lực tác động của bề mặt sóng ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng 2Fz  và lực theo phương ngang 2Fx  ( 2 2Fx Fz   ) và hợp lực tổng là 2F  , nên 2 2F Fz   . Ta dễ thấy 2 1 2 1Fz Fz F F     Vì vậy, khi khai thác lực sóng theo phương đứng thường người ta khai thác ở vùng gia tăng chiều cao sóng hơn là vùng sóng gợn. Vì chủ yếu là khai thác lực ở bề mặt sóng và theo phương thẳng đứng nên các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng ở khu vùng này phải được thiết kế sao cho nhận được lực 2Fz  với hiệu suất cao nhất. Fz  Fx  Fz  Fx  F  F  Wave crowding and wave height increases Surf zone Hình 3.4: Năng lượng ở các vùng sóng 3.3.3: Vùng sóng vỗ: Khi tiến vào gần bờ sóng được gia tăng lực tác động theo phương ngang nhiều lần nhờ vào tác động của gió biển hoặc từ các nguồn tạo nên sóng. Vì được gia tăng nên lực 3Fx  lúc này rất lớn tác động vào sườn sau của sóng đẩy sườn sau di chuyển nhanh và vượt lên phía trước làm chiều cao sóng tăng lên cao nhất rồi đập vào bờ, như vậy lúc này lực 3Fz  cũng được gia tăng, mà 3F  = 3Fx  + 3Fz  . Như vậy ta thấy: 3 2 3 2 3 2Fx Fx Fz Fz F F         3 3F Fx   Như vậy năng lượng ở vùng sóng này là cao nhất và lực của mặt sóng tác động cũng cao nhất và chủ yếu là lực sóng tới 3 3F Fx   . Việc khai thác ỡ vùng sóng này đa số tập trung vào lực sóng tới, vì vậy các thiết bị chuyển đổi năng lượng ở vùng sóng này phải được thiết kế sao cho nhận được lực 3Fx  để chuyển đổi là cao nhất. 3.4. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng: 3.4.1. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ: Các thiết bị này thường được đặt ở khu vực nước sâu và ở xa bờ (cách bờ > 3km), ở vùng nước bao gồm 2 vùng nước chính là vùng sóng gợn và vùng gia tăng chiều cao sóng vì vậy việc khai thác năng lượng sóng ở vùng này chỉ tập trung vào khai thác lực của mặt sóng tác động theo phương đứng Fz  (như đã nói đến ở mục 3.3). Có rất nhiều phương pháp biến đổi năng lượng sóng xa bờ thành năng lượng điện như: biến lực mặt sóng thành chuyển động tịnh tuyến của rotor bên trong cuộn dây máy phát, hoặc thành áp suất không khí làm quay cánh quạt hay tác động vào piston, hoặc thành chuyển động tịnh tuyến của piston truyền động… Từ đó các thiết bị chuyển đổi năng lượng này cũng có rất nhiều dạng và nguyên lý hoạt động khác nhau. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ thường được thiết kế để khai thác năng lượng trên mặt sóng. Cấu tạo thường gồm 2 bộ phận: phần cố định và phần di động để khai thác năng lượng từ bề mặt sóng và chuyển đổi thành chuyển động tịnh tuyến. Có 2 dạng biến đổi thành năng lượng điện: dạng biến đổi trực tiếp, dạng biến đổi gián tiếp. 3.4.1.1. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ trực tiếp:  Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon: Cấu tạo chính gồm 2 bộ phận: phần trục cố định thường trục trụ tròn bên trong là cuộn dây của máy phát, phần di động gồm nam vĩnh cửu được gắn vào 1 phao và có thể dịch chuyển lên xuống bên ngoài trục cố định chứa cuộn dây máy phát( miêu tả ở hình 3.5). Hình 3.5: Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon Hình 3.6: Thiết bị của Seabased AB Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động: khi sóng di chuyển qua thiết bị thì lực Fz  của mặt sóng làm phần phao của thiết bị nhấp nhô lên xuống, từ đó đưa nam châm của máy phát chuyển động tịnh tuyến lên xuống. Nam châm chuyển động lên xuống bên ngoài cuộn dây, tác động lực từ cảm ứng lên cuộn dây máy phát, tạo ra điện năng. Điện phát ra được đưa trực tiếp lên bờ hoặc được đưa vào các hub tập trung để truyền tải đến trạm phân phối.  Thiết bị được phát triển bởi công ty của Thụy Điển Seabased AB: Cấu tạo chính gồm: Rotor máy phát là nam châm vĩnh cữu được nối với phao nỗi trên mặt biển bằng dây cáp, Rotor được đặt bên trong cuộn dây Stator. Cuộn dây Stator được quấn trong đế trụ tròn rỗng được cố định dưới đáy biển ( hình ,3.6). Nguyên lý hoạt động: khi đợt sóng di chuyển qua khu vực đặt thiết bị tác động lên các phao di chuyển lên xuống, các phao này gắn với Hình 3.9: Thiết bị HEB Hình 3.10: Máy phát quay của HEB rotor của các máy phát làm chúng di chuyển lên xuống với tốc độ giống nhau bên trong cuộn dây. Từ đó tạo ra điện bên trong các cuộn dây máy phát, các cuộn dây được nối với nhau bằng cáp dẫn vào trạm truyền tải trong bờ (hình 3.7).  Thiết bị HEB (Hydro Electric Barrel): Thiết bị HEB là một thiết bị dạng kết hợp vừa chuyển đổi năng lượng dạng quay tuabin máy phát vừa chuyển đổi năng lượng dạng rotor máy phát chuyển động tịnh tuyến. Cấu tạo gồm 2 máy phát được gắn lên thân thiết bị cố định (hình 3.9): Máy phát dạng quay tuabin (hình 3.10) được gắn vào trục của một con lăn, con lăn được thiết kế sao cho khi sóng di chuyển qua sẽ làm quay con lăn. Con lăn quay làm quay trục máy phát tạo ra điện. Máy phát dạng tịnh tuyến, cuộn dây stator được gắn vào thân thiết bị, phần rotor gắn vào trục của con lăn. Khi con lăn lăn tren mặt sóng sẽ làm rotor chuyển động tịnh tuyến theo trục cuộn dây stator tạo ra điện. 3.4.1.2. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ gián tiếp:  Thiết bị OWAP (Ocean Wave Air Piston): Cũng có cấu tạo gồm 2 phần chính giống như các thiết bị biến đổi trực tiếp, nhưng chỉ khác ở cơ cấu chuyển đổi năng lượng thành điện. Ở các thiết bị này năng lượng thường được chuyển đổi thành chuyển động của piston tạo áp suất nén lên chất lỏng hoặc chất khí, làm chúng di chuyển qua một ống dẫn rồi tác động làm quay tuabin của máy phát tạo ra điện. Hình 3.12: Thiết bị của SIECAT Hình 3.11 miêu tả một thiết bị OWAP chuyển đổi năng lượng gián tiếp thông qua piston khí làm quay tuanbin máy phát.  Thiết bị của SIECAT: Thiết bị này có cấu tạo gồm các piston nén khí được kết nối với các phao, các phao hấp thu năng lượng từ sóng đại dương làm chuyển động các piston nén không khí vào bình chứa. Không khí được nén với áp suất cao trong bình chứa sẽ được sử dụng làm quay tuabin của máy phát sinh ra điện (hình 3.12). Thiết bị này có thể lưu trữ năng lượng trong bình chứa vì vậy ta có thể điều chỉnh được áp suất không khí tác động vào tuabin, khi đó ta sẽ có nguồn điện với biên độ ổn định hơn.  Thiết bị rắn Pelamis: Là thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng công suất lớn và được đặt cách xa bờ , mỗi thiết bị Pelamis có 3 bộ chuyển đổi năng lượng sóng với tổng công suất khoảng 750 kW. Các bộ chuyển đổi của thiết bị được gắn tại các khớp nối của thân phao thiết bị, thân của Pelamis di chuyển theo mặt sóng tạo nên chuyển động giữa các khớp nối của bộ chuyển đổi, là nơi được lắp bộ truyền động thủy lực 2 chiều, khi khớp di chuyển sẽ tạo ra dòng thủy lực với áp suất cao chạy qua tuabin máy phát làm quay tuabin tao ra điện. Hình 3.11: Thiết bị OWAP (Ocean Wave Air Piston) Hình 3.13: Cấu tạo của Pelamis Hình 3.14: Nguyên lý hoạt động của Pelamis  Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng xa bờ: Ưu điểm: - Các dạng biến đổi trực tiếp có nguyên lý hoạt động đơn giản dễ chế tạo, hiệu suất chuyển đổi khá cao, nhưng thường có công suất nhỏ. - Các dạng biến đổi dạng gián tiếp tuy có hiệu suất nhỏ hơn dạng trực tiếp nhưng có công suất lớn hơn nhiều và nguồn điện tạo ra ổn định hơn và có khả năng điều chỉnh. - Có thể cung cấp điện cho các thiết bị xa bờ như: giàn khoan dầu, ngọn hải đăng, các đèn bào lưu thông trên biển,… Khuyết điểm: - Việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sữa chửagặp nhiều khó khăn. - Ảnh hưởng nhiều tới giao thông đường biển. - Tổn hao và chi phí truyền tải phân phối vào bờ là rất lớn, tiềm ẩn nguy cơ rò điện qua cáp truyền tải ảnh hưởng đến môi trường biển, các sinh vật biển và kể cả con người. 3.4.2. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ: Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ được đặt ở khu vực vùng sóng vỗ, thường được thiết kế và hoạt động dựa theo nguyên lý hấp thụ năng lượng của các đợt sóng vỗ bờ (sóng tới). Năng lượng ở vùng sóng này rất lớn vì vậy các thiết bị chuyển đổi sóng gần bờ công suất và kích thước rất lớn. Các thiết bị này thường hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện gián tiếp thành năng lượng dẫn động các hệ thống khí nén hoặc thủy lực truyền động làm quay tuabin máy phát. Hình 3.16: Thiết bị Pendulor Hình 3.15: Trạm biến đổi năng OWC  Trạm biến đổi năng OWC (Oscillating Water Column): Cấu tạo của trạm OWC được (miêu tả ở hình 3.15) bao gồm: buồng chứa không khí nén(3), van xả an toàn(4), van điều chỉnh(5), van tác động nhanh (6), cánh quạt tuabin (7), máy phát không đồng bộ. Nguyên lý hoạt động dựa trên sử dụng phương pháp dao động cột nước: sóng tới tác động đẩy cột nước bên trong buồng chứa không khí dâng lên xuống, tạo áp lực nén không khí trong buồng di chuyển vào tuan bin của máy phát, làm quay tuabin tạo ra điện. Điểm mấu chốt của hệ thống là việc sử dụng tua bin có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí. Trạm OWC hiện được xem là nền tảng tốt nhất để thúc đẩy sự phát triển trong công nghệ khai thác năng lượng từ sóng gần bờ.  Thiết bị Pendulor: Thiết bị Pendulor là thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng tới được nghiên cứu và phát triển tại Nhật Bản. Cấu tạo được miêu tả ở hình 3.15, hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản, tấm chắn sóng hoạt động như con lắc, một đầu được cố định với phần cố định của thiết bị, đầu kia dịch chuyển tự do. Khi sóng tới tác động vào thiết bị, con lắc sẽ dao động và dẫn động piston bơm của hệ thống thủy lực đặt trên bờ. Hệ thống thủy lực này sẽ truyền động làm quay tuabin máy phát sinh ra điện.  Thiết bị Oyster và thiết bị WaveRoller: Thiết bị Oyster và WaveRoller tuy được thiết kế và lắp đặt bởi 2 nhà phát triển năng lượng biển khác nhau (công ty năng lượng Aquamarine và AW Energy) nhưng chúng đều là phát triển từ thiết bị Pendulor và cùng nguyên tắc hoạt động chuyển đổi năng lượng như nhau. Thiết bị hấp thụ năng lượng sóng được neo cố định dưới đáy biển, phần dao động của thiết bị sẽ dao động khi sóng biển tác động, ép piston thủy lực nén chất lõng với áp suất cao lên trạm biến đổi đặt trên bờ qua đường ống áp suát cao. Tại trạm biến đổi, chất lõng với áp suất cao được sử dụng để quay tuabin máy phát tạo ra điện, sau đó chất lỏng với áp suất thấp được trả lại với đường ống song song và tiếp tục chu trình truyền động.  Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng gần bờ: Ưu điểm: Các thiết bị biến đổi sóng gần bờ có nhiều ưu điểm hơn rất nhiều so với các thiết bị thu sóng xa bờ: - Trạm phát điện thường được đặt trên bờ và có công suất rất lớn (thường từ 1 Mw trở lên) - Thường sữ dụng cơ chế biến đổi gián tiếp nên điện áp ra có thể điều chỉnh và có độ ổn định cao. - Thuận tiện cho việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sữa chửa. - Chi phí truyền tải từ trạm phát điện đến trạm phân phối và nơi tiêu thụ thấp. Khuyết điểm: - Chi phí đầu tư cao. - Các trạm biến đổi có kích thước rất lớn nên ảnh hưởng nhiều đến cảnh quan, diện tích và môi trường bờ biển. Hình 3.17: Thiết bị Oyster Hình 3.18: Thiết bị WaveRoller Phần ứng dụng: Chương 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA SÓNG 4.1. Định nghĩa mực nước của đại dương: Dựa trên tỉ lệ độ sâu mực nước biển (chiều cao của mặt nước biển (h) so với đáy) và bước sóng ( ) người ta chia mực nước biển ra 3 vùng khác nhau: - Vùng có mực nước sâu ( h / 2 ) (vùng sóng gợn đề cập ở mục 2.3.1): Ở vùng này sóng được hình thành với bước sóng ngắn và vận tốc nhỏ, sau đó được cung cấp năng lượng từ các nguồn của sóng chủ yếu là gió biển và gia tăng chiều cao, bước sóng, vận tốc. - Vùng có mực nước trung bình ( / 2 > h / 20 ): vùng nước này thường ở lân cận bờ biển, sóng xuất hiện ở vùng nước này thường có bước sóng dài và vận tốc khá cao, lúc này chiều cao của sóng gần được gia tăng tối đa. - Vùng có mực nước cạn (vùng sóng vỗ) ( h < / 20 ): vùng nước này là vùng nước gần bờ biển nhất, ở vùng nước này sóng được cấp năng lượng cao nhất từ tác động của gió biển hoặc từ các nguồn tạo nên sóng. Vì được gia tăng nên lực lớn tác động vào sườn sau của sóng đẩy sườn sau di chuyển nhanh và vượt lên phía trước làm chiều cao sóng tăng lên cao rồi đập vào bờ. 4.2. Thông số đặc tính của sóng đại dương: Sóng đại dương là một loại sóng cơ, vì vậy nó mang đầy đủ các đặc tính cơ bản của sóng cơ như: E : Năng lượng sóng ( lb.ft hoặc N.m ) P : Công suất sóng ( ft.lb/sec hoặc W, kW) T : Chu kỳ sóng ( s ) f : Tần số ( 1/T ) ( Hz ) Hình 4.1: Mực nước của đại dương  : bước sóng ( ft hoặc m ) c : Vận tốc sóng ( ft/s hoặc m/s) h : Độ sâu của mực nước biển ( ft hoặc m ) H : Chiều cao của sóng ( ft hoặc m ) ( Với : 1 ft = 0,3048 m ; 1 lb = 4.44822162 N ) Các thông số đặc tính của sóng có các giá trị khác nhau ứng với từng vùng nước và nguồn sóng khác nhau. Người ta dựa trên các thông số đặc tính này để tính toán và thiết kế mô hình khai thác năng lượng sóng. 4.3. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng đại dương: Có 2 phương pháp chính để tính toán các thông số của sóng đại dương là: - Phương pháp thứ nhất là quan sát thu thập số liệu về chu kỳ của sóng và dựa vào từng dạng sóng, mực nước biển áp dụng vào các biểu thức tính toán ra các thông số đặc trưng của sóng. Ưu điểm của phương pháp này là tính toán chính xác được năng lượng của sóng, nhưng hạn chế là việc thu thập các số liệu của sóng rất khó khăn và chỉ áp dụng cho các dạng sóng chuẩn, không tính toán được sóng hỗn hợp bất kỳ. - Phương pháp thứ 2 là dựa vào thông số vận tốc gió tác động vào mặt nước biển ta tra bảng và dựa vào hàm phổ của tốc độ gió, các biểu thức tính toán ta tìm được các hệ số cần thiết tính toán ra được các thông số của sóng. Phương pháp này có thể áp dụng cho các vùng biển bất kỳ. 4.3.1. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập được: Tính toán các thông số của sóng theo phương pháp thứ nhất, bằng cách quan sát và thu thập số liệu của 2 dạng sóng đặc trưng là sóng đều xuất hiện đa số ở vùng nước sâu, sóng không đều xuất hiện ở vùng nước trung bình và vùng nước cạn. Các biểu thức tính toán chu kỳ, bước sóng, vận tốc sóng của cả 2 dạng sóng trên là giống nhau và được trình bày từ biểu thức (4.1) đến (4.7) dưới dây:  Chu kỳ sóng được tính từ biểu thức: 1 2 2 22 tan( )g hT f            (4.1)  Bước sóng được xác định từ biểu thức sau: 2 2tan( ) 2 gT h      (4.2)  Vận tốc nước (Lưu tốc nước) được xác định: 2tan( ) tan( ) 2 2 gT h gTc kh T           (4.3) Với: 2k    : là hệ số đặc tính động học của sóng 2 f  : là vận tốc gốc của sóng g : hằng số gia tốc trọng trường (32,2 ft/sec 2 hoặc 9,81 m/sec 2 ) Đặc tính cơ của sóng chỉ phụ thuộc vào bước sóng và độ sâu mực nước, như vậy với bước sóng và chu kỳ không thay đổi thì ở mỗi mực nước khác nhau ta sẽ có thông số đặc tính khác nhau. - Đặc tính cơ ở vùng nước sâu: Ở vùng nước sâu ta có : / 2h  Suy ra : 1 2 h   hoặc là kh  Vậy : 2tan( ) tan 1hkh         Từ đó ta có bước sóng ở vùng nước sâu được xác định: 2 2 gT    (4.4) và có vận tốc: 2 g Tc T     (4.5) - Đặc tính cơ ở vùng nước cạn: Ở vùng nước cạn ta có : / 20h  Suy ra : 1 20 h   hoặc là 10 kh  Vậy : 2 2tan( ) tan h hkh           Ta có bước sóng ở vùng nước cạn được xác định: 2 2 2 gT h T gh      (4.6) và có vận tốc: c gh T    (4.7) Nhưng năng lượng và công suất chứa trong 2 dạng sóng này là khác nhau nên ta có các biểu thức tính toán khác nhau và được trình bày từ biểu thức (4.8) đến biểu thức (4.18) 4.3.1.1. Tính toán năng lượng của sóng đều: Sóng đều được định nghĩa là dạng sóng có chiều cao ngọn sóng tỉ lệ tương đối với bề rộng ngọn sóng và dạng sóng tạo ra có dạng hình Sin.  Tổng năng lượng nhận được từ sóng đều được xác định bởi biểu thức: 2 8p k g H bE E E     (4.8) Năng lượng trên một đơn vị bề rộng sóng: 28 E gH b    (J/m hoặc N) (4.9) Với: b : bề rộng ngọn sóng ( ft hoặc m )  : khối lượng riêng của nước {(1,93 slugs/ft 3 hoặc 1000 kg/m 3 đối với nước ngọt (nước sạch); 2,00 slugs/ft 3 hoặc 1030 kg/m 3 đối với nước muối (nước biển)} pE : Thế năng của sóng kE : Động năng của sóng Và có: 2 16p k gH bE E    ( lb.ft hoặc N.m ) (4.10) Trong đó, thế năng của sóng thì tùy thuộc vào chiều cao của sóng H còn động năng của sóng thì tùy thuộc vào chuyển động của phân tử nước. Sự chuyển tải năng lượng sóng từ điểm này tới điểm khác theo chiều chuyển động của sóng được đặc trưng bởi dòng năng lượng hay thường gọi là công suất của sóng.  Công suất của sóng đều được xác định bởi biểu thức: 2 8 ggH c bP   (4.11) Năng lượng trên một đơn vị bề rộng sóng: 2 8 gg H cP b   (kW/m) (4.12) Trong đó: cg được gọi là vận tốc của nhóm sóng và được trình bày bởi công thức: 21 2 sin(2 )g c khc nc kh         (4.13.a) Trong biểu thức tính trên ta thấy có sự lệ thuộc vào độ sâu mực nước biển, vì vậy nên ta có: Trong vùng nước sâu: 1/ 2 2 hh      sin(2 ) 0kh kh    Và ở vùng nước cạn: 1/ 20 20 hh       sin(2 ) 2 10 kh kh kh   Cho nên: 21 2 sin(2 ) 2g c kh cc kh         (vùng nước sâu) (4.13.b) 21 2 sin(2 )g c khc c kh         (vùng nước cạn) (4.13.c) 4.3.1.2. Tính toán năng lượng của sóng không đều (sóng vỗ gần bờ): Đặc tính của dạng sóng này là có chiều cao ngọn sóng khá cao nhưng bề rộng ngọn sóng hẹp và có xu hướng vỗ vào bờ, một định nghĩa mới ở phần này là chiều cao sóng vỗ vào bờ bH . Dựa theo các định lý của Stokes và xem như năng lượng của sóng đều xuất hiện ở vùng nước trung bình và vùng nước cạn là như nhau ta có các biểu thức tính toán sóng vỗ gần bờ như sau.  Chiều cao sóng vỗ gần bờ xác định bởi biểu thức: 2 2 2 2 4 1 6 31 1 3 4b h g TH g T h              (4.14)  Tổng năng lượng nhận được từ sóng vỗ gần bờ được tính toán theo biểu thức: 2 2 4 6 91 8 6 4 g H b HE k h           (4.15) Năng lượng trên một đơn vị bề rộng sóng: 2 2 4 6 91 8 64 E gH H b k h           (J/m hoặc N) (4.16)  Công suất của sóng vỗ gần bờ được tính toán bởi biểu thức: 2 2 4 6 91 8 6 4 gg H c b HP k h          (4.17) Năng lượng trên một đơn vị bề rộng sóng: 2 2 4 6 91 8 6 4 gg H cP H b k h          (kW/m) (4.18) Nhận xét: Định lý Stokes áp dụng cho sóng vỗ bờ kế thừa từ lý thuyết sóng đều cộng thêm hệ số hiệu chỉnh 2 4 6 91 6 4 H k h       Ví dụ 4.3.1.a : Tính toán năng lượng và công suất trên 1 đơn vị bề rộng ngọn sóng b của sóng đều với chu kỳ T=3 (s) và chiều cao sóng H = 1,2 (m), ở vùng nước sâu với độ sâu nước h>20(m). Ta có: Bước sóng ở vùng nước sâu được xác định từ công thức (4.4) là: 2 29,81 3 14,05 2 2 gT        (m) và vận tốc sóng xác định từ công thức (4.5): 14, 05 4, 68 2 3 gTc T       (m/s) vận tốc của nhóm sóng gc ở vùng nước sâu được tính từ công thức (4.13.b) 2 4, 681 2, 34 2 sin(2 ) 2 2g c kh cc kh           (m/s) Tổng năng lượng trên 1 đơn vị bề rộng ngọn sóng xác định từ biểu thức (4.9): 2 21030 9,81 (1, 2) 14, 05 25, 55 8 8 E gH b         (kN) Công suất trên 1 đơn vị bề rộng ngọn sóng xác định từ biểu thức (4.12): 2 21030 9,81 (1, 2) 2,34 4, 255 8 8 ggH cP b        (kW/m) Ví dụ 4.3.1.b : Tính toán năng lượng và công suất trên 1 đơn vị bề rộng ngọn sóng b của sóng vỗ bờ với chu kỳ T = 4 (s) ở vùng nước cạn với độ sâu nước h = 2,5 (m). - Bước sóng ở vùng nước cạn được xác định từ công thức (4.6) là: 2 2 4 9,81 2,5 19,8 2 gT h T gh          (m) - Vận tốc sóng và vận tốc nhóm sóng xác định từ công thức (4.7): 19, 8 4, 95 4g c c T      (m/s) - Chiều cao sóng vỗ gần bờ xác định bởi biểu thức (4.14): 2 2 2 2 2 2 2 4 2 4 16 3 16 (2,5) 3 9,81 41 1 1 1 3 4 3 9,81 4 4 2,5b h gTH gT h                                 bH  0,457 (m) - Tổng năng lượng nhận được từ sóng vỗ bờ trên một đơn vị bề rộng sóng từ công thức (4.16): 2 2 4 6 91 8 64 b bgH HE b k h           2 2 4 6 1030 9,81 (0,457) 19,8 9 (0,457)1 8 64 (0,317) (2,5) E b           E b  5,28 (kN) - Công suất của sóng vỗ bờ trên một đơn vị bề rộng sóng (4.18): 2 2 4 6 91 8 6 4 b g bg H c HP b k h          2 2 4 6 1030 9,81 (0, 457) 4,95 9 (0, 457)1 8 64 (0,317) (2,5) P b             1,32 kW / m P b  4.3.2. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng dựa vào thông số của gió biển: Như ở chương 3 đã đề cập thì gió và các hiện tượng khí hậu là nguồn tạo ra sóng lớn nhất, điều này có nghĩa là chiều cao, chu kỳ, chiều của sóng đều tùy thuộc vào vận tốc và hướng của gió tác động. Từ đó phương pháp này dựa vào thông số vận tốc gió tác động vào mặt nước biển ta tra bảng và dựa vào hàm phổ của tốc độ gió, các biểu thức tính toán ta tìm được các hệ số cần thiết tính toán ra được các thông số của sóng. Phương pháp này thường được áp dụng vì có thể ứng dụng tính toán cho các dạng sóng và vùng biển bất kỳ. Trong vùng biển bất kỳ thì xuất hiện rất nhiều dạng sóng với nhiều chiều cao, chu kỳ khác nhau và chúng di chuyển theo các hướng khác nhau. Vì vậy, với một sóng thứ i thì:  Năng lượng tạo ra được tính bằng biểu thức: 2 8 i i i gH bE   (4.19) Để ước lượng năng lượng của tất cả các sóng thứ i tác động vào một điểm trên mặt sóng, ta phải tìm 2 ẩn số là iH và i iT  thế vào biểu thức (4.19). Chúng ta áp dụng biểu thức tính toán của Pierson (1995) để tính toán chiều cao của sóng thứ i, biểu thức được tính như sau: ( ) 8 i T i i H S T T (4.20) Với: - ( )T iS T : là mật độ phổ của sóng hay thường gọi là hàm phổ của sóng (ft2/sec hoặc m2/sec). - iT : là vi phân của chu kỳ sóng thứ i.  Chu kỳ sóng thứ i tính bằng công thức: 1 2 i i i T f     (4.20) Như vậy vi phân của chu kỳ sóng thứ i là: 2 22 i i i i i fT f          (4.21)  Như vậy áp dụng biểu thức (4.21) và (4.20) ta có được hàm phổ của sóng theo tần số góc: 2 2( ) ( ) ( )T i i T i i i i i S T T S T S           (4.22) Trong đồ án này thì việc tính toán chọn lựa hàm phổ của chu kỳ sóng dựa trên các thông số có thể đo trực tiếp được nhưng chiều cao iH và chu kỳ iT của mỗi sóng thứ i . Để tính toán được hàm phổ chu kỳ sóng theo tốc độ gió chúng ta áp dụng 2 biểu thức hàm phổ của Pierson – Moskowitz (1964) và Bretschneider (1952). Cả hai biểu thức hàm phổ này có chung một dạng biểu thức là: 43( ) iBTT i iS T AT e  (4.23) Trong đó các hệ số: 2 3 48,10 10 (2 ) gA    (4.24) 4 0 , 7 4 2 gB        (4.25) Để tính năng lượng sóng trên 1 đơn vị bề mặt sóng E ta chia biểu thức (4.19) cho ib , ta được: 2 8 igHE  (4.26)  Thay các kết quả của biểu thức (4.20), (4.23), (4.24), (4.25) vào biểu thức (4.26) ta dược công thức tính năng lượng sóng trên 1 đơn vị bề mặt sóng E : 43 0 0 42 3 4 ( ) ( ) 1 28,10 10 4 (2 ) 4 0, 74 BT T TE gS T T g S T dT gA T e dT gA gg B g                             4 32, 74 10 V g   (ft-lb/ ft2 hoặc N-m / m2) (4.27) Trong đó: V: là vận tốc sóng (m/s, km/h, mph, knot, ft/s) Bảng chuyển đổi giữa các đơn vị vận tốc m/s km/h mph knot ft/s 1 m/s = 1 3,6 2.236936 1.943844 3.280840 1 km/h = 0.277778 1 0.621371 0.539957 0.911344 1 mph = 0.44704 1.609344 1 0.868976 1.466667 1 knot = 0.514444 1.852 1.150779 1 1.687810 1 ft/s = 0.3048 1.09728 0.681818 0.592484 1  Chiều cao sóng được Newman (1977) suy ra từ biểu thức hàm phổ của Pierson – Moskowitz với một vận tốc gió là hằng số là: Với vận tốc gió được tính theo ft/s: 3 26, 49 10sH V   (ft) (4.28.a) với vận tốc gió được tính theo m/s: 20, 0213sH V (m) (4.28.b)  Từ thông số chiều cao tính được ở biểu thức (4.28.a), (4.28.b) ta tính được chu kỳ trung bình T , Newman đưa ra biểu thức tính được trung bình chu kỳ sóng : Với vận tốc gió được tính theo ft/s: 0,195T V (s) (4.29.a) với vận tốc gió được tính theo m/s: 0, 641T V (s) (4.29.b) Như vậy, vớ phương pháp này ta dễ dàng tính được các thông số quan trọng của sóng như: năng lượng, chu kỳ, chiều cao khi biết được thông số gió trên bất kỳ vùng biển nào. Ví dụ 4.3.2: Tính toán các thông số của sóng tác động lên 2 m2 bề mặt biển với tốc độ gió tác động là V = 10 m/s. Từ biểu thức (4.27) ta có năng lượng nhận được trên 1 m2 bề mặt biển là: 4 32, 74 10 4 gA VE B g     4 3 1030.(10)2, 74 10 9,81   2877 (N-m / m2) - Như vậy, năng lượng sóng tạo ra trên 2 m2 bề mặt sóng là: E = 2 2877 2E   = 5754 (N-m) - Chiều cao sóng tương ứng sẽ là: 20, 0213 0, 0213.100 2,13sH V   (m) - Trung bình chu kỳ sóng tương ứng: 0, 641 0, 641.10 6, 41T V   (s) Hình 5.1: Chi tiết mô hình phao chuyển đổi năng lượng sóng Chương 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG SÓNG Các ý tưởng về mô hình chuyển đổi năng lượng sóng thành các dạng năng lượng có ích, đặc biệt là thành năng lượng điện đã được nghiên cứu và phát triển từ đầu thế kỷ 19. Như đã đề cập ở mục 3.4 phần lý thuyết, các mô hình khai thác sóng rất đa dạng và hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau. Ở chương này tôi xin trình bày phương pháp tính toán các thông số và công suất chuyển đổi của các dạng mô hình khai thác năng lượng sóng đơn giản, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển các mô hình với quy mô và công suất lớn trong tương lai. 5.1. Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình phao khai thác năng lượng trên mặt sóng: Thiết bị được đề cập đến trong phần này là một phao nỗi thu nhận năng lượng trên mặt sóng. Với một mô hình phao thu năng lượng bất kỳ ta sẽ có được 2 dao động đồng thời là dao động nhấp nhô và dao động con lắc. Phần này ta chỉ tính toán cho một mô hình phao đơn giản nhất, đó là mô hình phao hình chữ nhật như hình 5.1 được giới hạn dao động con lắc. Đồng thời cung cấp cho chúng ta những biểu thức quan trọng nhằm tính toán cho một phao bất kỳ, làm tiền đề cho việc tính toán các mô hình phao thu năng lượng sau này. Phao thu năng lượng sóng được ứng dụng rất nhiều trong các mô hình như đã đề cập ở mục 3.4.1 như : mô hình được phát triển từ đại học bang Oregon, mô hình thiết kế bởi công ty của Thụy Điển là Seabased AB, thiết bị OWAP, thiết bị rắn Pelamis … Phao được miêu tả ở hình 5.1 bao gồm các thông số thiết kế: L : Chiều dài của phao (đối với phao hình chữ nhật) (m) B : Bề rộng của phao (đối với phao hình chữ nhật) (m) D : Đường kính của phao (đối với phao hình trụ tròn) (m) Z : Chiều cao của phao (m) d : Chiều cao phần phao chìm trong nước (m) Mô hình phao được thiết kế ở hình 5.1 với bộ định hướng theo phương thẳng đứng, tức là loại bỏ phần dao động con lắc. Năng lượng chính của thiết bị nhận vào chính là dao động nhấp nhô theo phương thẳng đứng (phương trục OZ).  Như vậy, theo các nhà nghiên cứu về năng lượng sóng McCormick (1973), Bhattacharyya (1978), cùng với các nhà nghiên cứu khác thì ta nhận được cùng một biểu thức tính toán tần số dao động nhấp nhô tự nhiên của mô hình phao nêu trên là: 1 1 2 2 wpz z z w gA f T m m        (5.1) Trong đó: zT : chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s) z : tần số góc của dao động nhấp nhô (rad/s)  : khối lượng riêng của nước biển (2,00 slugs/ft3 hoặc 1,030 kg/m3 ) wpA : diện tích bề mặt tiếp xúc nước của phao (m 2) m : khối lượng phần nước biển bị thay thế bởi phần chìm của phao (kg) wm :khối lượng phần nước biển tác động vào phần chìm của phao (kg) Với mô hình phao chìm 1 phần trong nước nhu hình 5.1 thì ta có bảng tra wm (hình 5.2 ) dựa theo hình dạng của phao và chiều cao phần bị chìm trong nước được thiết lập bởi Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932).  Biểu thức tính biên độ nhấp nhô của mô hình phao được McCormick (1973) đưa ra như sau:     0 22 2 0 / cos( ) 1 / cos( ) wp z z z F gA t z Z t                 (5.2) d z Với: F0 là biên độ lực nhấp nhô (tính từ biểu thức (5.8)); Z0 là biên độ nhấp nhô; w tần số góc; t thời gian; y góc lệch pha.  Vận tốc nhấp nhô được xác định bằng biểu thức: 0 sin( )z z dzv Z t dt         (5.3) và gia tốc là: 2 2 2 02 cos( )z d z Z t z d t           (5.4)  Động năng của mô hình phao với khối lượng bằng khối lượng của phao m cộng với khối lượng phần nước biển tác động vào phần chìm của phao mw là: Hình dạng Tỉ lệ L/d wm wI L/d = 0,02 L/d = 0,40 L/d = 1,00 L/d = 2,00 L/d = 4,00 L/d = 10,0 L/d = 20,0 Hình trụ tròn Hình cầu 0,279 2L B 0,248 2L B 0,212 2L B 0,189 2L B 0,170 2L B 0,151 2L B 0,142 2L B 0,167 3D 0,333 3R 0,0046 4dL 0,0047 4dL 0,0047 4dL 0,0046 4dL 0,0047 4dL 0,0047 4dL 0,0046 4dL 0,0833 2 3D d Hình 5.2: Bảng tra mw theo Wendel (1956), Hooft (1970) và Lamb (1932)   21 2KZ w dzE m m dt           2 2 20 1 sin 2 w z m m Z t       (5.5) Và thế năng là: 2 2 2 0 1 2 1 cos ( ) 2 PZ wp wp z E gA z gA Z t          (5.6)  Vậy tổng năng lượng nhận được từ mô hình phao là:   2 20 1 2 KZ PZ w wp E E E m m gA Z         (5.7) Công suất cơ của mô hình phao được sinh ra từ lực dao động nhấp nhô Fz và vận tốc dao động zv được tính ở biểu thức (5.2). Để xác định được lực dao động nhấp nhô Fz ta cần biết được hình dạng của mô hình phao, trong đề tài này giới hạn tập trung vào 2 hình dạng phao chính đó là khối hình chữ nhật và khối hình trụ tròn. Như vậy, ta quan tâm đến 2 hình dạng mặt đáy chìm trong nước của phao đó là hình chữ nhật và hình tròn.  Áp dụng biểu thức tính toán của McCormick (1973) ta được biểu thức tính toán lực dao động nhấp nhô của phao hình chữ nhật là:    2 / 1 sin cos2 d ZR gHB LF e t               (5.8) và biểu thức tính cho phao hình trụ tròn là:     2 2 2 2 / 21 1 cos4 2 d ZC gH R RF e t             (5.9) trong biểu thức (5.8) thì R là bán kính của mặt đáy tròn chìm trong nước, vậy diện tích mặt đáy sẽ là: 2wpA R (5.10) Biểu thức (5.7) và (5.8) tính lực Fz có thể được trình bày ngắn gọn như sau:  0 coszF F t (5.11) với F0 là biên độ của lực nhấp nhô của phao.  Vậy công suất nhận được từ phao cân bằng dao động với sóng tương ứng là: z z dzP F dt  (5.12) và công suất trung bình nhận được trong 1 chu kỳ sóng được tính như sau: 0 0 0 1 2 T z z F ZP P dt T    (5.13) Ví dụ 5.1.a: Tính toán năng lượng nhận được từ mô hình phao như hình 5.1 với các thông số thiết kế sau: chiều dài L = 2 (m); bề rộng B = 1,2 (m); chiều cao Z = 1 (m); phao được thiết kế sao cho chiều cao phần chìm trong nước d = 0,5 (m); và biên độ nhấp nhô Z0 = 0,5 (m); phao được đặt ở vùng sóng đều với chiều cao sóng H = 1,2 (m), ở vùng nước sâu với độ sâu nước h>20(m). Ta có khối lượng nước biển bị thay thế: 1030 2 1, 2 0,5 m LBd     = 1236 (kg) Từ kết quả thực nghiệm của Wendel ở bảng 5.2 với L/d = 4,0 nên ta có công thức tính mw như sau: 2 2 0,170 0,170 1030 3,1416 2 1, 2 wm L B      = 2640 (kg) và momen quán tính Iw là : 4 4 0, 0047 0, 0047 1030 3,1416 2 1, 2 wI L B      = 292 (kg-m2) Từ đó có diện tích mặt tiếp xúc Awp là: wpA LB = 2,4 (m2) Vậy chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên Tz được tính từ biểu thức (5.1): 2 wz wp m mT gA     1236 26402 3,1416 1030 9,81 2, 4       = 2,5 (s) Chiều dài bước sóng ở vùng nước sâu ứng với chu kỳ Tz được xác định từ biểu thức 4.4 như sau: 2 2 zgT    29,81 2,5 9,76 2 3,1416     (m) Năng lượng của phao nhận được được xác định từ biểu thức (5.6) là:   2 20 1 2z w wp E m m gA Z        2 21 2 3,14161236 2640 1030 9,81 2, 4 0,5 2 2,5               = 6092 (N-m) Tổng năng lượng được tạo ra ở vùng sóng đều với chiều cao sóng H = 1,2 (m), ở vùng nước sâu với độ sâu nước h>20(m) từ biểu thức (4.8): 2 8 gH bE    21030 9,81 1, 2 9,76 1, 2 8      = 21301 (N-m) Như vậy hiệu suất chuyển đổi năng lượng sóng của mô hình phao trên là: 100%zz E E    6092 100% 21301   = 28,6 % Hình 5.3: Bộ dao động phát điện và kết hợp với mô hình phao Công suất cơ trung bình từ dao động nhấp nhô trên một chu kỳ sóng của mô hình phao được xác định từ biểu thức (5.12): 0 0 0 1 2 T z z F ZP P dt T     2 / 01 sin2 2 d ZgHB Le                  2 0,5/9,761030 9,81 1,2 1,2 9,76 2 2,513 0,51 sin2 9,76 2e                  = 14,7 (kW) Như vậy: tổng công suất cơ nhận được từ mô hình phao là 14,7 (kW), công suất này được đưa trực tiếp vào thiết bị chuyển đổi thành năng lượng điện hoặc thông qua cơ cấu truyền động chuyển thành công suất cơ trên đầu trục máy phát điện.  Kết hợp mô hình phao và bộ phát điện cảm ứng từ: Bộ phát điện cảm ứng từ tuyến tính có cấu tạo khá đơn giản gồm nam châm vĩnh cửu được cố định trên 1 khung dao động tuyến tính so với cuộn dây được cố định hoặc ngược lại cuộn dây dao động còn nam châm cố định. Trong đề tài này đề cập tới bộ phát điện cảm ứng được thiết kế bởi Omholt (1978) được miêu tả như hình 5.3, bộ phát điện này được đặt vào bên trong của mô hình phao khai thác năng lượng sóng đã đề cập ở phần 5.1. Trong mô hình này thì cuộn dây được đặt cố định so với mô hình phao khai thác năng lượng sóng ở giữa 2 nam châm. Hai nam châm sẽ dao động nhờ vào các lò xo gắn trên khung nhằm liên kết và chuyển đổi dao động của mô hình phao thành dao động riêng của bô phát. Như vậy, khi mô hình phao dao động thì các nam châm dao động theo với tần số và chu kỳ khác bên ngoài cuộn dây sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng trên cuộn dây sinh ra năng lượng điện. Omholt (1978) chứng minh được năng lượng điện sinh ra bởi mô hình ở hình 5.3 được xác định bằng biểu thức: 2 2 2 2 e e e e e N B lP R   (5.14) Trong đó: Ne : Số vòng của cuộn dây quấn Be : Độ từ cảm của nam châm le : Chiều dài của cuộn dây nằm trong vùng từ trường Re : Điện trở của cuộn dây quấn Quá trình dao động để phát ra năng lượng điện là kết quả của sự tương tác với lực cản. độ lớn của lực cản này được tính bởi biểu thức: * e e PF   (5.15) Với: Độ chuyển vị tương đối  và vận tốc *  được xác định : ez x   (5.16) và * * * ez x   (5.17) Với độ dịch chuyển của mô hình phao dao động được tính ở biểu thức (5.2) là: 0 cos( )zz Z t     (5.4) và độ dịch chuyển của nam châm là: 0 cos( )e ex X t   (5.18) Hình 5.4: Thông số chính của bộ dao động Ta giả sử là mô hình phao dao động cộng hưởng với dao động của sóng, từ đó ta có vận tốc qua tâm đối xứng cho nên 0  . Hơn nữa chúng ta thiết kế sao cho vận tốc gốc của nam châm bằng với vận tốc gốc của sóng biển, từ đó ta có được: ee e k m    (5.19) Trong đó: ke : là hệ số co giản của lò xo và me là khối lượng của bộ nam châm. Omholt cũng xác định rằng nam châm chuyển động với pha ban đầu bằng 90o thì góc pha trong biểu thức (5.18): 180oe   Giá trị này cho thấy chuyển động của bô nam châm sẽ lệch pha so với dao động của sóng một góc 180o. Như vậy chúng ta có thể kết hợp kết quả của các biểu thức (5.18), (5.19) vào biểu thức (5.17) thì ta có vận tốc tương đối của bộ dao dộng:   * 0 0cos( ) cos( )eZ t X t     (5.20) Như vậy năng lượng trung bình theo thời gian nhận được từ thiết bị được xác định bằng biểu thức kết hợp từ biểu thức (5.14) và (5.20) như sau:   0 /42 2 2 2 0 2/42 2 2 2 0 0 0 1 4 4 cos( ) cos( ) T e e T e e e e T e e e e e P P dt T N B l dt R T N B l Z t X t dt R T                     2 2 2 2 2 20 0 0 0 4e e e e N B l Z XZ X R         (5.21) Khi thiết kế bộ dao động cần chú ý đến các thông số như: giá trị cộng hưởng của đỉnh sóng; độ từ cảm của nam châm được chọn cho thiết bị; hệ số co giản của lò xo. Các thông số này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ và tần số dao động từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất biến đổi của thiết bị. Ví dụ 5.1.b: Với mô hình phao được thiết kế ở ví dụ 5.1.a thì ta có được chu kỳ dao động của thiết bị là T = 2,5 (s); như vậy vận tốc góc là 2 2,5 T     (s) ; với Z0 = 0,5 (m). Kết hợp với bộ phát điện dao động tuyến tính có 50 vòng dây quấn ( Ne = 100) được quấn thành cuộn dây với độ dài 30 cm ( le = 0,3 m ) và độ từ cảm của nam châm sử dụng là 10,8 Wb/m2 (Be = 10,8). Giả sữ bộ dao động của nam châm được tính toán sao cho dao động với biên độ 20 cm ( X0 = 0,2 ) , cũng như điện trở của cuộn dây đo được là 4 Ohm ( Re = 4 ). Từ đó ta có năng lượng nhận được từ thiết bị kết hợp trên là:             2 2 2 2 2 20 0 0 0 2 2 22 2 2 4 2 50 10,8 0,3 2,5 4 0,5 0,20,5 0, 2 2 4 e e e e e N B l Z XP Z X R                     = 3335,4 (W) = 3,3354 (kW) Ta thấy năng lượng cơ nhận được từ mô hình phao tính được ở ví dụ 5.1.a là 14,7 Kw như vậy hiệu suất của thiết bị là 22,7 %  Nhận xét về mô hình: Ưu Điểm: - Có cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo thấp. - Thuận tiện cho việc cung cấp cho các phụ tải xa bờ như: các trạm khai thác khoáng sản dưới lòng biển, các đèn báo tín hiệu trên mặt biển… Khuyết điểm: - Tần số của sóng khá nhỏ do vậy khi muốn chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện cần chú ý đến tần số của bộ chuyển đổi yêu cầu. - Mặc dù kích thước nhỏ nhưng khi lắp đặt một hệ thống gồm nhiều thiết bị để tạo ra công suất lớn sẽ gây ảnh hưởng đến giao thông đường biển. - Thiết bị được đặt xa bờ nên việc truyền tải năng lượng đến nơi tiêu thụ gặp nhiều khó khăn và tốn kém nên không khả thi về hiệu quả kinh tế. Hiệu quả kinh tế: - Như vậy về mặt kinh tế ta thấy tùy thuộc vào nhu cầu cung cấp năng lượng điện, mô hình sẽ mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể nếu áp dụng cho các phụ tải xa bờ giàn khoan, các đèn báo đường biển… 5.2. Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình tấm chắn sóng khai thác năng lượng sóng tới : Thiết bị được miêu tả ở hình 5.3 gồm một tấm chắn sóng thường được đặt vuông góc với mặt biển ở vùng nước cạn với độ sâu nước h < 20 (m); một đầu được liên kết với ngàm cố định cho phép chuyển động xoay quanh trục; một đầu tự do được gắn với cơ cấu truyền động để biến đổi năng lượng sóng tới thành năng lượng cơ, rồi chuyển thành năng lượng điện. Cơ cấu truyền động có thể là cơ cấu piston thủy lực làm quay bánh xe nước hoặc cơ cấu các bánh răng làm quay trục máy phát,... Tấm chắn sóng được thiết kế sao cho nhận được năng lượng sóng vỗ bờ là lớn nhất.  Vận tốc chuyển động của sóng tới được trình bày trong biểu thức:  coskzHu e kx t T    (5.13) Với hệ số của sóng là: 2k    (5.14) Để giảm lực tác động ngược lại từ sóng “phản hồi” xuống nhỏ nhất, tấm chắn sóng phải được thiết kế sao cho bề rộng Bf nhỏ hơn nhiều so với chiều dài thân sóng.  Áp lực động từ sóng tác động vào tấm chắn sóng ở vị trí cân bằng x = 0 được tính toán từ biểu thức: p t       cos( ) 2 kzgH e t  (5.15)  Từ áp lực trên ta có lực tác động tấm chắn sóng với bề rộng Bf và đặt ở vùng nước với chiều cao mực nước là h được tính bằng công thức: Hình 5.5: mô hình tấm chắn sóng khai thác năng lượng sóng tới x Fp 0 f f d h F B p dz      0 cos 2 f kz h gHB t e dz       cos 1 2 f khgHB t e k         2 2 2 cos8 fg T H B t     (5.16)  Với điểm đặt của lực Ff tác động vào tấm chắn cách mặt nước một khoảng được tính như sau: 0 0 d h f d h p zdz z p dz      1 2k       (5.17)  Vậy lực tác động vào piston thủy lực FP như hình 5.3 thì moment tác động ở độ sâu nước z = / 2 , được xác định từ: 2 2 fp fF F z        thế kết quả từ biểu thức (5.16) và (5.17) ta được : 11p fF F          2 2 2 11 cos 8 fg T H B t           (5.18)  Tổng năng lượng chuyển đổi đến piston trong một chu kỳ sóng là:   4 0 4 cos T f p fE F l t dtT   2 2 3 11 4 f f g T H B l          (5.19) Ví dụ 5.2: Tính toán năng lượng nhận được từ tấm chắn sóng được cố định với độ sâu 15 m ở vùng sóng đều với chu kỳ T = 3 (s) và chiều cao sóng H = 1,2 (m). Bề rộng tấm chắn sóng là 2 (m). Ta sử dụng piston thủy lực với khoảng dịch chuyển lớn nhất là Lf = 0,5 (m). Ta có: Bước sóng được xác định từ công thức (4.4) là: 2 29,81 3 14,05 2 2 gT        (m) Tổng năng lượng nhận được từ ngọn sóng có bề rộng là b = 2 (m)xác định từ biểu thức (4.9): 2 21030 9,81 (1, 2) 14, 05 2 51,1 8 8 gH bE         (kJ) Năng lượng nhận được từ tấm chắn sóng hình 5.4 được xác định từ biểu thức (5.19) : Hình 5.6: mô hình thiết kế tấm chắn sóng 2 2 3 11 4 f f f g T H B E l           2 2 3 1030 9,81 3 1, 2 2 11 0,5 4            = 5,88 (kJ) Ta có hiệu suất của tấm chắn sóng là : 100%ff E E    5,88 100% 51,1   = 11,5 % Momen tác động ở độ sâu nước z = / 2 = 7 (m), được xác định từ biểu thức (5.18) :   2 2 2 11 cos 8 f p g T H B F t               2 2 2 1030 9,81 3 1, 2 2 11 cos 8 t              18, 49 cos t (kN) Vậy trung bình lực từ tấm chắn sóng tác động vào piston thủy lực là: 0 2p FF  18, 49 2  = 13,07 (kN)  Nhận xét về mô hình: Ưu Điểm: - Mô hình có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đơn giản, chi phí chế tạo thấp. - Thiết bị được đặt gần bờ nên thuận tiện cho việc cung cấp và lưu trữ. - Hiệu suất biến đổi cao, có thể kết hợp thành hệ thống lớn cung cấp cho phụ tải công suất lớn. Khuyết điểm: - Công suất cơ nhận được trên đầu trục khá lớn nhưng việc chuyển đổi thành công suất quay trên đầu trục động cơ rất phức tạp và tổn hao cao. - Ảnh hưởng đến đường bờ biển. Hiệu quả kinh tế: - Xét tổng thể thì mô hình thu năng lượng sóng gần bờ mang lại hiệu quả kinh tế và có khả năng phát triển cao hơn mô hình xa bờ. Có khả năng cung cấp cho nhiều loại phụ tải với công suất lớn. Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1. Kết luận: Các tính toán trong đề tài đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra, mặc dù chỉ giới hạn trong các tính toán mang tính chất gần đúng nhưng nó cung cấp các số liệu nhằm dự đoán về phương pháp, mô hình thiết kế, công suất và hiệu suất chuyển đổi của từng mô hình nhằm thích hợp với từng vùng biển tương ứng. 6.2. Hướng phát triển: Các mô hình cung cấp trong đề tài là các mô hình cơ sở nhất với khả năng phát triển rất lớn. Từ công suất cơ nhận được trên trục ta có thể có nhiều phương pháp và thiết bị tương ứng nhằm biến thành công suất cơ trên đầu trục máy phát với tính ưu việt và hiệu suất khác nhau để mang lại hệ thống chuyển đổi tối ưu nhất. Các mô hình này đang được nhiều công ty năng lượng trên thê giới đã và đang ứng dụng cùng với việc nghiên cứu phát triển liên tục nhằm đáp ứng nhu cầu khai thác năng lượng sóng đại dương hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tham khảo chính: 1. Ocean Wave Energy Conversion _ Michael E.McCormick ( Copyright 1981, 2007 by Michael E.McCormick )  Tài liệu từ Internet: 2. Energy Converters (WECs) _ ( PG&E” refers to Pacific Gas and Electric Company, a subsidiary of PG&E Corporation. ©2010 Pacific Gas and Electric Company. All rights reserved ) 3. Advances In The Design Of The Oyster Wave Energy _ (Aquamarine Power)  Các trang web tham khảo: 4. www.homepowermagazine.com 5. www.aquamarinepower.com và các tài liệu liên quan khác.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfThiết kế mô hình chuyển đổi năng lượng sóng đại dương.pdf
Luận văn liên quan