ĐẠI HỌC QƯĨC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ PoÊQoỉ nrẠ -*À iX* Tên đê tài: NGHIÊN CỨU THIÉT KẾ, ỨNG DỤNG CỤM THIÉT BỊ PHÁT ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ CHO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TỪ SÓNG BIẺN THÀNH ĐIỆN NĂNG Mã số: QC.07.05 Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Mạnh Thắng Đ A I H O C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I Tf?UNG ĨẨ M ỈH Ồ N G TIN ĨHƯ VIÊN Hà Nội, 1/2010 MỤC LỤC Trang STT Danh mục từ viết tắt 2 Danh sách người tham gia thực đề tài 3 Phiếu tóm tắt kết đề tài BÁO CÁO TỎNG KẾT Phần I: M đầu - Mục tiêu đề tài Phần II: Nguyên lý hoạt động hệ thống lun trữ lượng Phần III: Thiết kế chế tạo phần cứng cho hệ thống 10 Phần r v : Cấu trúc phần mềm điều khiển cho hệ thống 19 Phần V : Kết đề tài 23 Phần VI: Kết luận kiến nghị 24 10 Tài liệu tham khảo 25 11 12 Tóm tẳt kết nghiên cứu đề tài tiếng Anh (Summary) Phiếu đăng ký- kết nghiên cứu đề tài KHCN 26 28 P H U• L U• C Phụ lục 1: Mã phần mềm điều khiển cho thiết bị lưu trữ lượng tự 13 động (Chương trình viết cho VĐK PIC hãng Microchip - CCS Compiler V 4.033) 30 r r r Danh mục sô từ viêt tăt EG Electricity Generation I2C Inter-Integrated Circuit ICSP In-Circuit Serial Programming IEA International Energy Agency ISP In System Programming MCƯ Microcontroller unit OWE Ocean Wave Energy OWP Ocean Wave Power POR Power-on Reset SPI Serial Peripheral Interface Bus WEC Wave Energy Converters WES Wave Energy Systems WDT Watchdog Timer Danh sách ngưò’i tham gia thực đề tài STT H ọ v tên H ọc hàm , h ọc vị Phạm Mạnh Thắng TS Đặng Thế Ba TS Hoàng Văn Mạnh KS Phan Thị cẩm Lai KS Phan Thị cẩm Ly CN C h u y ên n gàn h C Q cô n g tác Khoa CHKT & Tự hoá - Trường ĐHCN Khoa CHKT & Tự Toán-Cơ-Tin học hoá - Trường ĐHCN Khoa CHKT & Cơ điện tử Trường ĐHCN Khoa CHKT & Cơ điện từ Trường ĐHCN Khoa CHKT & Hành Trường ĐHCN Tự động hố động động TĐH TĐH TĐH TĨM TẲT CÁC KÉT QUẢ CHÍNH CỦA ĐÈ TÀI Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, ứng dụng cụm thiết bị phát điện công suất nhỏ cho hệ thống chuyển đổi lượng từ sóng biển thành điện Mã số: QC.07.05 Chủ trì đề tài: TS Phạm M ạnh Thắng N hững kết a Kết khoa học Trong khn khổ đề tài, nhóm tác giả thực nộidung Đã nghiên cứu tổng sau đây: quan loại máy phát điện thuý lựcloại nhỏ cótrên thị trường Lựa chọn mơ hình thiết kế với tính phù họp cho thiết bị phát điện dùng lượng sóng quy mơ phịng thí nghiệm Thiết kế ứng dụng lắp đặt hệ thống lưu trữ lượng cho cụm máy phát điện từ lượng sóng qui mơ nhị 01 báo cáo khoa học kết hội nghị quốc tế Cơ học Tự động hóa ICEMA 2010 01 khóa luận tốt nghiệp kỹ sư Cơ điện tử thực trình thực đề tài b Kết úng dụng Sản phẩm công nghệ: 01 thiết bị chuyển đổi lưu trữ lượng từ sóng biển thành điện c Kltả ứng dụng thực tế - Cung cấp lượng chiếu sáng cho đơn vị khơi, hải đảo khai thác từ lượng sóng biển; - Cung cấp lượng chiếu sáng sinh họat cho hộ dân sống khu vực miền núi khai thác dòng chảy từ thượng nguồn; - Bước đầu hình thành hướng nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ khai thác nguồn lượng BÁO CÁO TÔNG KÉT BÁO CÁO TỔNG KÉT Phần I: Mỏ' đầu - Muc tiêu đề tài Ngày nay, nguồn lượng truyền thống bị khai thác tối đa Trong tình trạng tài nguyên cạn dần, với lượng CO khí thái sinh trình sử dụng nguồn tài nguyên truyền thống gây ô nhiễm nặng nề đến môi trường sinh vật sống toàn cầu Trước thách thức trên, hướng phát triển sử dụng nguồn lượng tái tạo đặt nhiệm vụ cần thiết cấp bách Một dạng lượng nghiên cứu sừ dụng lượng từ sóng biển Năng lượng sóng biển nguồn lượng tái tạo, có sẵn thiên nhiên Việc sử dụng lượng sóng biển làm giảm thiều ô nhiễm môi trường so với nguồn lượng từ nhiên liệu Hơn nữa, lượng sóng biển nguồn lượng lớn, có tới 70% diện tích bề mặt trái đất nước, phần lớn diện tích đại dương Người ta ước tính rằng, 0,2% nguồn tài nguyên lượng sóng biển sử dụng cung cấp đủ lượng cho toàn giới Mục tiêu đặt đề tài bước đầu nghiên cứu, thiết kế ứng dụng cụm thiết bị có khả phát điện cơng suất nhỏ (quy mơ phịng thí nghiệm) từ nguồn lượng sóng biển Sau phần mở đầu, Phần II báo cáo giới thiệu tổng quan nguyên lý biến đổi sóng biển thành điện với nguồn lượng từ đại dương Tiếp theo thông tin biến đổi lượng sóng ( WEC - Wave Energy Converters) Phần III nêu lên cấu trúc phần cứng hệ thống chuyển đổi lưu trữ điện từ lượng sóng biển với tính kỹ.thuật, sơ đồ khối tịng thành phần Phần cuối báo cáo tóm tắt quy trình xây dựng mã nguồn phần mềm nhúng điều khiển cho thiết bị lưu trữ lượng khả ứng dụng sàn phẩm đề tài Phần II: Nguyên lý hoạt động hệ thống lưu trữ lưọng Sóng biển bắt nguồn từ trình truyền lượng mặt trời tới gió sau nước Năng lượng mặt trời tạo gió, sau gió thổi qua biển tạo lên sóng lượng sóng bị thất q trình di chuyển Một đặc tính quan trọng sóng biển có mật độ lượng ổn định dự báo cách xác, xác nguồn lượng từ gió mặt trời Hệ thống biến đổi lượng sóng WEC phân thành loại lớn: loại Turbine loại Bouy Mỗi loại có ưu nhược điểm khác nhau, ví dụ loại Turbine hướng nghiên cứu đến cộng đồng loại Bouy cho hiệu kinh tế cao Các hệ thống biến đổi lượng hoạt động dựa nguyên tắc sử dụng lượng sóng biển làm quay động máy phát điện để sinh dòng điện Loại Turbine có nhiều loại phổ biến hon biến đổi lượng sóng cột nước dao động o w e (Oscillating Water Column Wave Energy Converter) Bộ biến đổi hoạt động dựa ngun tấc sừ dụng sóng để điều áp khơng khí Buồng khí đặt mặt nước thơng với buồng sóng Khi sóng lên xuống làm giảm tăng thể tích buồng khí lượng khơng khí bên giữ không đồi Điều làm tăng giảm áp suất buồng khí gây áp lực làm cho cánh quạt động đặt buồng khí quay Loại Bouy có nhiều cấu trúc thiết kế khác nhau, phổ biến loại ống rỗng loại bè Loại ống rỗng đặt mặt nước gồm nhiều khúc Các ống nối với bời cứng có gắn piston Khi sóng qua làm hai phân khúc cạnh chuyển động theo hai hướng khác đường thẳng Khi piston bị nén giãn làm cho động máy phát điện đặt bên quay sinh dòng điện Hệ thống sử dụng Bồ Đào Nha Loại bè sừ dụng bề mặt mặt nước Khi sóng dâng cao hạ xuống kéo hệ thống piston đặt bè lên xuống theo Sự lên xuống piston lảm cho động đặt mặt nước quay, sinh điện Loại sử dụng bang Oregon, Mỹ Sau sinh dòng điện, trước cung cấp đến người tiêu dùng cần hệ thống để lưu trữ nguồn điện hệ thống dày cáp ngầm truyền tải điện đến người tiêu dùng Như hệ thong biến đổi lượng sóng phân thành phân hệ sau: biến đổi lượng sóng làm quay động cơ, máy phát điện, lưu trữ điện hệ thống truyền tải điện Hình 1: Ví dụ o w e theo mơ hình cột nước dao động Sóng biển nguồn lượng lớn, nhiên nhược điểm việc sử dụng lượng sóng tính khơng liên tục Trong thời điểm có khơng có lượng sóng Vì vậy, việc lưu trữ điện nãng mơ hình hệ thống lưu trữ lượng mà đề tài nghiên cứu thiết kế công đoạn quan trọng, nhằm giải vấn đề Hệ thống lưu trữ lượng khuôn khổ đề tài thiết kế theo mơ sau: Hình 2: Mơ hình hệ thống lưu trữ lượng Phần III: Thiết kế chế tạo phần cứng cho hệ thống Trong trình thực hiện, để mơ cho lượng từ sóng biển, đề tài sử dụng dòng nước từ bể chứa chảy xuống cánh quạt turbine làm cho cánh quạt quay Tính tốn, thiết kế thể tích bể chứa đường ống dẫn nước hợp lý để có lực mong muốn khơng thuộc nội dung đề tài này, (Nằm khuôn khổ đề tài phối hợp Trường ĐHCN Viện Cơ học - Viện KH&CN VN) Năng lượng từ thu sóng dịng nước từ bê chứa làm cho cánh quạt turbine quay Trục cánh quạt turbine gắn với trục rotor motor điện Rotor quay motor làm từ trường biến thiên sinh dòng điện xoay chiều Như nói trên, lượng sóng biển lớn có tính khơng liên tục nên cần có hệ thống lưu trữ lượng Để nạp điện cho acquy dịng điện xoay chiều sau sinh từ motor phát điện phải chinh lưu thành điện áp chiều Điện áp sau chinh lưu ổn áp đưa vào mạch điều khiển nạp điện cho acquy để nạp điện cho acquy Mạch điều khiển mạch bao gồm mạch Buck Converter điều khiển vi điều khiển Hệ thống lưu trữ lượng gồm có phần chính: module phát điện, module chinh lưu ổn áp, module điều khiển nạp điện cho acquy Hoạt động cùa hệ thơng có đạt hiệu q mong mn hay khơng phụ thuộc vào xác trình thiết kế hệ thống Vì vậy, yêu cầu xác q trình thiết kế hệ phần cứng đặt lên hàng đầu m l M odule phát điện Để lựa chọn máy phát điện phù họp với điều kiện phịng thí nghiệm, vấn đề quan trọng cần quan tâm hệ thống turbine máy Các yếu tố lựa chọn turbine công suất turbine cột nước trạm thủy điện đáp ứng với điều kiện phịng thí nghiệm Cơng suất turbine cực nhỏ mong đợi nằm khoảng 10W đến 100W Hiện có nhiều loại turbine khác có cấu tạo, cơng suất kích thước khác sử dụng trường hợp chiều cao cột áp khác Có loại turbine sau: Turbine Francis, turbine Francis buồng hờ, turbine hướng trục (turbin Kaplan), turbine hướng trục trục ngang, turbine gáo, turbine xung kích hai lần, turbine tia nghiêng Đối với ứng dụng này, turbine Kaplan lựa chọn phù hợp turbine Kaplan sử dụng rộng rãi thực tế Phạm vi cột nước dùng cho loại turbine từ 1,5 đến 60m ... CHÍNH CỦA ĐÈ TÀI Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, ứng dụng cụm thiết bị phát điện công suất nhỏ cho hệ thống chuyển đổi lượng từ sóng biển thành điện Mã số: QC.07.05 Chủ trì đề tài: TS Phạm M ạnh... dạng lượng nghiên cứu sừ dụng lượng từ sóng biển Năng lượng sóng biển nguồn lượng tái tạo, có sẵn thiên nhiên Việc sử dụng lượng sóng biển làm giảm thiều nhiễm môi trường so với nguồn lượng từ. .. sư Cơ điện tử thực trình thực đề tài b Kết úng dụng Sản phẩm công nghệ: 01 thiết bị chuyển đổi lưu trữ lượng từ sóng biển thành điện c Kltả ứng dụng thực tế - Cung cấp lượng chiếu sáng cho đơn