BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Hải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH CƠ HỌC VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Nguyễn Đông Anh Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Theo tính tốn nhà khoa học với tốc độ sử dụng lượng nay, nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt vòng 50 năm tới Do vậy, việc tìm kiếm nguồn lượng thay nhu cầu cấp thiết Đối với Việt Nam, định hướng phát triển kinh tế đến năm 2020 kinh tế biển chiếm 50% GDP Do nhu cầu cần thiết lượng điện để cung cấp cho kinh tế nói chung kinh tế biển nói riêng quan trọng, đặc biệt điện phục vụ an ninh quốc phòng biển (nguồn điện sử dụng nhà dàn DKI, đèn hải đăng v.v.) nhiệm vụ cấp bách Ngoài ra, Việt Nam với lợi quốc gia có bờ biển trải dài 3260 km, với 3000 đảo, quần đảo lớn nhỏ triệu km2 mặt biển cho thấy nguồn lượng từ biển lớn Nhằm khai thác nguồn lượng to lớn biển, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu luận án xây dựng mơ hình thiết bị để chuyển đổi từ lượng sóng biển sang điện Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, thiết bị hoạt động hiệu phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam; Xác định tối ưu hệ số cản mô tơ phát điện, thơng số mơ hình để cơng suất điện thiết bị phát đạt lớn nhất; Thiết kế, chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Nguồn điện thiết bị phát mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Thiết bị có khả ứng dụng việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho đèn hải đăng biển Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp giải tích, kết hợp phương pháp mô số thực nghiệm, cụ thể mô tả sau: - Sử dụng phương pháp giải tích xác định tối ưu hệ số cản mô tơ phát điện, hệ số đàn hồi lò xo kích thước phao thiết bị - Trong tính tốn mô số sử dụng phương pháp RungeKutta bậc giải số phương trình chuyển động phi tuyến mơ hình, phương pháp Simpson tính tích phân số Xác định mức công suất hệ thiết bị nhận từ lượng sóng biển khảo sát hoạt động thiết bị theo điều kiện sóng biển - Tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị phát điện, thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế biển để kiểm chứng kết lý thuyết phân tích hiệu suất hoạt động thiết bị Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Đưa phương pháp nghiên cứu với cách tiếp cận từ việc khảo sát điều kiện thực tế sóng biển để thực xây dựng mơ hình học, tính tốn thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế biển - Chế tạo mẫu thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, hoạt động hiệu phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam - Thiết bị có khả sử dụng việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho đèn hải đăng Cấu trúc luận án Cấu trúc luận án gồm: phần mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết luận kiến nghị, phần danh mục cơng trình tác giả, tài liệu tham khảo phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ TẠI VIỆT NAM 1.1 Tổng quan công trình nghiên cứu thiết bị phát điện từ lượng sóng biển giới Trên giới, việc nghiêu cứu, chế tạo thiết bị phát điện từ nguồn lượng sóng biển quan tâm phát triển mạnh Đặc biệt vùng đảo xa biển, thiết bị phát điện từ nguồn lượng sóng biển đáp ứng phần nhu cầu sử dụng điện Các mơ hình thiết bị nghiên cứu nhiều dạng khác thiết bị phát điện lắp đặt bờ, thiết bị phát điện hoạt động biển theo phương pháp thả mặt biển gắn cố định đáy biển Hiện mơ hình thiết bị đã, khai thác sử dụng số nước như: Anh, Bồ Đào Nha, Canada, Đan Mạch, Hàn Quốc, Mỹ, Na Uy, Nhật Bản, Pháp, Tây Ban Nha, Thụy Điển v.v [1-19] Từ nghiên cứu phân tích cho thấy mơ hình thiết bị phát điện đã, nghiên cứu chế tạo theo nhiều cách thức Trong mơ hình thiết bị, mơ tơ phát điện thiết kế hoạt động dạng chuyển động quay tròn chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng Mỗi thiết bị có ưu nhược điểm khác nhau, tùy theo khả chế tạo đơn vị để thiết bị nghiên cứu chế tạo hoạt động hiệu phù hợp với thực tế sử dụng 1.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Việt Nam Tại Việt Nam, số đơn vị đã, tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển như: Viện Nghiên cứu Cơ khí thực thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, mơ hình hoạt động mặt biển dạng rắn biển (pelamis), thiết bị hoạt động thử nghiệm biển Hòn Dấu - Hải Phòng cung cấp điện cho đội biên phòng đóng đảo sử dụng [24]; Đại học Quốc gia Hà Nội thực chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển dạng thả mặt biển, với mô tơ phát điện loại chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng Thiết bị tiến hành thử nghiệm biển, với cơng suất điện phát nhận hạn chế [26,27]; Viện Khoa học Năng lượng – VAST thực chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển hoạt động cố định mặt biển Trong thiết bị chế tạo sử dụng loại mô tơ phát điện thủy điện trục đứng công suất 60 W, công suất điện phát thử nghiệm biển nhận 50,92 W [28] Tại Viện Cơ học - VAST, thực nghiên cứu khảo sát đặc tính lượng thiết bị chuyển đổi lượng sóng dạng phao nổi, để tiến tới đề xuất thiết kế, tính tốn chế tạo thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển phù hợp với điều kiện chế tạo thực tế sử dụng [30] Ngồi từ năm 2013, cơng tác chun mơn, tác giả thực nghiên cứu tính tốn mơ số mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Mơ hình thiết bị tính tốn với mơ tơ phát điện chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, phát điện trực tiếp gắn cố định đáy biển [31] Tác giả chủ nhiệm đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu hệ thống phát điện lượng tái sinh đa năng, mã số đề tài VAST 02.04/11-12” [32] Trong đề tài thiết kế chế tạo hệ thống phát điện lượng tái sinh từ ba nguồn lượng đầu vào lượng mặt trời, gió sóng biển Trong phần nguồn đầu vào từ lượng sóng biển tính toán thiết kế, chế tạo chờ sẵn để ghép nối tích hợp với thiết bị phát điện từ lượng sóng biển nghiên cứu chế tạo luận án 1.3 Nghiên cứu khả ứng dụng thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Việt Nam định hướng nghiên cứu luận án Việt Nam quốc gia có bờ biển trải dài 3260 km, 3000 đảo triệu km2 mặt biển cho thấy nguồn lượng từ biển lớn Từ số liệu quan trắc, khảo sát cho thấy độ cao sóng biển trung bình ven bờ từ 0,5÷1,2 m với chu kỳ sóng từ 2÷8 giây, ngồi khơi độ cao sóng từ 1,2÷2 m với chu kỳ sóng từ 6÷8 giây, đặc biệt biển động độ cao sóng ven bờ đạt từ 3,5÷5 m ngồi khơi từ 6÷9 m [34-37] Đây nguồn lượng dồi dào, phù hợp cho thiết bị phát điện từ lượng sóng biển có cơng suất phát điện mức vừa nhỏ khai thác hoạt động Hơn nữa, nhu cầu điện để cung cấp cho kinh tế biển, điện phục vụ an ninh quốc phòng biển đảo nhiệm vụ cấp bách Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo mẫu thiết bị phát điện từ lượng sóng biển nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế cần thiết Định hướng nghiên cứu luận án: Từ phân tích cho thấy loại mơ hình thiết bị phát điện gắn cố định đáy biển phù hợp Trong mơ hình thiết bị này, mô tơ phát điện sử dụng loại chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương thẳng đứng, phương trình chuyển động thiết lập tốn tuyến tính phi tuyến mơ hình chưa xét đến Việc nghiên cứu tối ưu xét tối ưu hệ số cản mô tơ phát điện để sử dụng tính tốn chế tạo mơ tơ phát điện chuyển động tịnh tiến [22] Trong đó, tính tốn tối ưu kích thước phao hệ số đàn hồi lò xo chưa đề cập Ngồi ra, tác giả nhận thấy loại mô tơ phát điện công nghiệp chuyển động quay tròn chưa đưa vào sử dụng tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị phát điện gắn cố định đáy biển Với mục tiêu nghiên cứu luận án, nhằm tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Thiết bị hoạt động hiệu quả, phù hợp với khả gia công chế tạo nước Nguồn điện thiết bị phát mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Thiết bị có khả ứng dụng việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho đèn hải đăng Kết luận chương Chương trình bày tổng quan mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển giới, đặc biệt mơ hình thiết bị gắn cố định đáy biển hoạt động theo phương thẳng đứng Đã đơn vị nước đã, tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển với phân tích chi tiết cho loại mơ hình thiết bị Đã thu thập phân tích đặc trưng lượng sóng biển Việt Nam, với số liệu thông lượng lượng sóng, độ cao sóng chu kỳ sóng biển dọc theo bờ biển trải dài 3260 km Đã nhu cầu khả ứng dụng mơ hình thiết bị Việt Nam Đưa cấu trúc mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển định hướng nội dung nghiên cứu luận án, thiết bị hoạt động hiệu phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH CƠ HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN 2.1 Xây dựng mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Mơ hình học thiết bị phát điện từ lượng sóng biển thiết lập để tính tốn, xác định tối ưu thơng số mơ hình mức cơng suất thiết bị hoạt động Mặt khác, từ đặc trưng hoạt động mô tơ phát điện thường làm việc hiệu tốc độ chuyển động quay lớn, để điện thiết bị phát đạt lớn mơ hình thiết bị cần tính tốn tăng tốc chuyển động quay, từ chuyển động quay chậm nhận sóng biển truyền đến lên chuyển động quay nhanh mô tơ phát điện với hiệu suất chuyển đổi đạt lớn Hình 2.1 đưa sơ đồ nguyên lý với cấu phận mơ hình học thiết bị phát điện từ lượng sóng biển zS(t) m z(t) k a Sơ đồ ngun lý mơ hình thiết bị [33] γ b Mơ hình học thiết bị [33,42,43] Hình 2.1 Cấu trúc mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Thiết lập phương trình chuyển động: Phương trình chuyển động mơ hình thiết lập quy vật phao dạng trụ tròn ghép nối gắn chặt với - piston, chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng z Gốc tọa độ lấy đáy biển với hướng dương hướng từ lên Mặt khác, hệ số cản γ xác định: γ = γf + γem, theo tài liệu công bố độ cản nhớt nước biển [44,45], tác giả nhận thấy hệ số cản nhớt γf nước biển nhỏ so với hệ số cản điện γem mô tơ phát điện nên bỏ qua Do vậy, phương trình chuyển động mơ hình thiết bị viết dạng: m d z dt  gSb ( z s  z )  mg   dz em dt  k L( z  z0 )  k N ( z  z0 ) (2.7) Công suất trung bình hệ Pgm thiết bị nhận từ lượng sóng biển - piston xác định từ công thức [15,20,38-41]: Pgm  1   em z (t ) dt , 0 với τ khoảng thời gian xét (2.8) 2.2 Khảo sát dao động hệ trường hợp phi tuyến Để đánh giá ổn định mơ hình hoạt động vùng biển có biên độ sóng lớn, tác giả khảo sát đặc trưng biên độ tần số hệ trường hợp cộng hưởng [46-49] Từ phương trình chuyển động (2.7), thực phép đổi biến z  z0  x, phương trình (2.7) viết lại dạng: m d 2x dt  gSb ( zs  z  x)  mg   dx em  k Lx k N x3 (2.22) dt 11 với χ biên độ dao động hệ nhận là: gSb A  2 2  m  k L  gSb   em    Công suất hệ Pgm thiết bị có dạng: Pgm    em (gSb A) 2 k  gS  m L b 2   em2 (2.56) Lực đàn hồi lớn lò xo: FL_max = kLHmax (2.57) Lực Acsimet cực đại phao: FAcs_max = ρgπa2h (2.58) Mơ hình thiết bị nghiên cứu chế tạo với lựa chọn khu vực biển Hòn Dấu - Hải Phòng để khai thác thử nghiệm Tại biển Hòn Dấu, điều kiện sóng biển có chu kỳ thay đổi khoảng 3,5÷4,5 giây độ cao sóng từ 0,5÷1,4 m [36], vận tốc chuyển động theo phương thẳng đứng đạt từ 0,29÷0,62 m/s Trong luận án, mơ hình xác định với mức công suất hệ Pgm thiết bị nhỏ cần đạt 270 W, phạm vi dao động hệ 0,45 m Từ biểu thức (2.57), (2.58) kết hợp số liệu sóng biển biển Hòn Dấu, thơng số mơ hình xác định kL = 2100 N/m với phao thiết bị dạng trụ tròn chiều cao 0,42 m bán kính 0,4 m Hình 2.4 đưa đồ thị mức công suất hệ Pgm thiết bị theo hệ số cản γem chu kỳ sóng biển T1 =3,5 giây, T2 =4,0 giây, T3 =4,26 giây T4 =4,5 giây sóng biển có biên độ 0,5 m Từ kết nhận được, luận án mô tơ phát điện chọn có hệ số cản 3400 Ns/m tương ứng mức công suất hệ đạt lớn Với giá trị hệ số cản nhận sở lựa chọn loại mô tơ phát điện phù hợp để sử dụng thiết bị phát điện nghiên cứu chế tạo 12 Khảo sát công suất hệ theo kích thước phao: Trong tính tốn khảo sát, phao thiết bị có dạng trụ tròn bán kính thay đổi từ 0,35÷0,55 m Kết tính tốn đưa tranh tồn diện mức cơng suất hệ Pgm thiết bị nhận từ lượng sóng biển Trong hình 2.8 đồ thị cơng suất hệ thiết bị nhận từ lượng sóng biển theo bán kính phao chu kỳ sóng biển Hình 2.4 Đồ thị công suất hệ theo hệ số cản Hình 2.8 Đồ thị cơng suất hệ theo bán kính phao 2.4 Xây dựng chương trình mơ số khảo sát hoạt động thiết bị chuyển đổi từ lượng sóng biển sang lượng học Xây dựng chương trình tính tốn mơ số: Phương trình chuyển động (2.7) giải phương pháp Runge – Kutta bậc 4, áp dụng phương pháp Simpson tính tích phân số xác định mức cơng suất hệ thiết bị Chương trình tính tốn mơ số lập trình phần mềm Matlab, để khảo sát hoạt động thiết bị với ảnh hưởng phi tuyến lò xo thiết bị hoạt động sóng biển có độ cao từ m trở lên Lưu đồ thuật tốn thực tính tốn mô số: 13 Bắt đầu Thông số đầu vào t0, Z0, Δt, tmax, ps Tính tốn: k1 = f(ti, Zi, ps) k2 = f(ti+ ti:= ti+1 k3 = f(ti+ t t , Z(i) + , Z(i) + t t k1, ps) k2, ps) k4 = f(ti+Δt, Z(i) + Δtk3, ps) Z (i 1) Z Sai (i ) ti+1:= ti + Δt  ( k1  2k  2k3  k ) t / ti+1≥ tmax Đúng Xuất kết ( j) ( j) Z1  Z1 ; Z  Z Tích phân (2.8) theo Simpson: n 1 ( j) kq1   Q ( Z , ps ) j 1, 3, n2 kq   j  , , ( j) Q ( Z , ps )  Q ( Z (0) , ps )  Q ( Z (n) , ps )  t 2  3  kq  kq   P  gm  Kết thúc Hình 2.9 Sơ đồ khối chương trình Chương trình mơ số thực tính tốn mức công suất hệ Pgm, quỹ đạo chuyển động, phân tích đánh giá phi tuyến mơ hình xét hệ số phi tuyến lò xo kN khác nhau, xác định phạm vi dao động mô hình theo hàm sóng biển với sóng bậc biểu thức (2.41) sóng bậc hai Stockes có dạng [38,51,52] : zs  A sin(t )  A2k cosh( kz0 ) sinh ( kz0 ) [  cosh( kz0 )] sin( 2t )  z0 (2.59) 14 Tính tốn mơ số hoạt động thiết bị: Từ kết tính tốn mơ số hoạt động thiết bị phụ thuộc vào biên độ tần số sóng biển Các kết tính tốn cho thấy chuyển động phao trễ pha so với chuyển động sóng biển 33,60 (hình 2.11) Hình 2.16 cho thấy quỹ đạo pha mơ hình biến đổi phụ thuộc vào hai thành phần tần số ω, 2ω biên độ sóng biển tương ứng Đường cong quỹ đạo pha đường khép kín, chuyển động khơng trơn ổn định xung quanh vị trí cân mặt nước biển Hình 2.11 Chuyển động phao sóng biển theo thời gian với sóng bậc Hình 2.16 Quỹ đạo pha phao với sóng bậc hai Stockes Hình 2.20 đưa đồ thị đường đặc trưng công suất hệ thiết bị theo biên độ sóng biển, tần số sóng biển xuất liên tục thử nghiệm thiết bị thực tế biển đo 1,47 rad/s theo hệ số phi tuyến lò xo kN khác Hình 2.21 chuyển động phao theo biên độ sóng biển với hàm sóng bậc hai Stockes Các kết nhận cho thấy sóng biển có biên độ A = 0,5 m, mức cơng suất chênh lệch hai trường hợp xét hệ tuyến tính (kN = 0) phi tuyến với kN = 1680 N/m3 4,4% Với biên độ sóng A = 1,5 m, giá trị chênh lệch 17,1% Do vậy, khác biệt xét mơ hình với ảnh hưởng phi tuyến lò xo rõ rệt 15 Hình 2.20 Đồ thị đặc trưng cơng suất hệ theo biên độ sóng biển Hình 2.21 Chuyển động phao theo biên độ sóng biển Kết luận chương Trong chương 2, tác giả xây dựng sơ đồ ngun lý mơ hình học thiết bị Thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến mơ hình Đã áp dụng phương pháp trung bình hóa học phi tuyến, khảo sát tượng cộng hưởng để thu đồ thị đường cong cộng hưởng biên độ - tần số Chỉ vùng hoạt động ổn định, ổn định Đưa khả chế tạo thiết bị hoạt động miền phi tuyến sử dụng vùng biển có biên độ sóng lớn Đã xác định tối ưu hệ số cản mơ tơ phát điện, hệ số đàn hồi lò xo kích thước phao thiết bị theo số liệu sóng biển thực tế Lựa chọn loại mơ tơ phát điện sử dụng thiết bị hãng Windbluepower với công suất phát điện ổn định đến 1500 W Đã xây dựng chương trình tính mơ số, tính mơ số hoạt động thiết bị xét đến với ảnh hưởng phi tuyến lò xo Xác định quỹ đạo chuyển động, mức công suất hệ thiết bị nhận từ lượng sóng biển Khảo sát tính phi tuyến biên độ dao động mơ hình theo biên độ sóng biển Kết chương công bố cơng trình [3], [4] [5] 16 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 3.1 Cấu trúc tổng thể thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Trong mơ hình thiết bị phát điện ghép thêm phần phát điện từ pin lượng mặt trời lắp đặt mặt phao Mục đích tạo hệ thiết bị phát điện hoạt động hiệu quả, giải trường hợp biển lặng sóng thiết bị trì đèn báo hiệu gắn mặt phao hoạt động từ nguồn điện pin lượng mặt trời cung cấp Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị phát điện từ lượng sóng biển 3.2 Tính tốn thiết kế phận học Các vẽ tính tốn thiết kế phần mềm chuyên dụng Solidworks AutoCad Các cấu phận, khối chức tính tốn lắp đặt ghép nối phù hợp thiết bị 17 Trong đó, phao thiết bị thiết kế dạng trụ tròn chiều cao 420 mm đường kính 800 mm, vỏ phần thiết bị phát điện đường kính 500 mm chiều cao 750 mm Hình 3.3 Cấu trúc lõi thiết bị phát điện Hình 3.5 Tổng thể vỏ phần thiết bị phát điện Bảng 3.1 Các thông số mơ hình Thơng số Giá trị Chiều dài vỏ trục piston (mm) 400 Chiều dài trục piston (mm) 450 Chiều dài (mm) 450 Đường kính bánh (mm) 60 Bộ tăng tốc chuyển động 1:30 Với thông số: h1 = 250 mm h2 = 750 mm h3 = 750 mm l = 1634 mm 3.3 Tính tốn thiết kế phần điện Phần điện thiết bị tính tốn thiết kế sử dụng loại mô tơ phát điện xoay chiều ba pha, kết hợp đồng với chuyển đổi điện áp xoay chiều ba pha sang điện áp chiều ổn định điện áp 12 VDC loại công nghiệp hiệu suất cao hãng Windbluepower 18 Điện áp mô tơ phát điện phát sau ổn định điện áp 12 VDC truyền đến chuyển đổi DC-AC Trong luận án, chuyển đổi DC-AC tính tốn thiết kế với cơng suất 2000 W, chất lượng điện áp thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Mạch bảo vệ đồng thời xây dựng nhằm kiểm soát hoạt động thiết bị theo điều kiện tải, nhiệt điện áp yếu để bảo vệ an toàn cho hệ thống thiết bị hoạt động [39,61] 2 13 VSS U5 COM VCC + SHDN DB102 C13 D11 10uF 104 HO 2.2R D19 LO D12 22R D4 22R Q13 40N60 R29 3.3K 4148 R28 L1 294SN D14 22R D26 R21 22R C22 104 T13 + 12 HIN VS LIN VCC R10 R DIODE Q10 IRF140 RA1 RB0/INT D18 22R 16F716 VDK Q18 40N60 R39 3.3K 4148 R38 R18 R R37 3.3K 4148 R36 R47 10K 18 GND T14 TRANSFORMER ISOLATED Q17 40N60 RB2 10 11 12 914 RB3 RB4 D17 VDD U10 U9 2.1 ( Chữ in đậm, 11, Times New Roman) R Q16 40N60 R35 3.3K C20 105 4148 R34 R49 10K RB1 OSC1/CLKIN C19 225 C18 225 22R R48 RA0 16 22n C17 C1 0.1uF RB5 13 D30 D31 RB6 RB7 Y 20M DIODE RA2 RA3 R43 OSC2/CLKOUT MCLR VCC C16 22n RA4/TOCKI 15 D10 R42 17 R17 22R D16 1K 1K R45 R16 R R46 D9 1K 1K U7 Q9 IRF140 1K T11 CHƯƠNG …… R D33 LO R33 3.3K 4148 R32 R51 330R 22R R50 521 22R 521 DD 2.1.1 (Chữ in đậm, nghiêng, 11, Times new Roman) R56 5.6K 14 18k C28 393 C27 103 13 IN1+ IN1IN2+ IN2- CT RT VREF Q20 V 12 C1 C2 E1 E2 11 4148 2.2K R54 1M 12 + Q21 COMP DTC OC VCC - TL494C A1013 20M U19A U12A + - 11 R55 C26 33 D32 LM324 D34 LM324 4148 ( Chữ thường, Times New Roman, 11) TIP41CQ19 LS2 10 VCC5 R58 470R R10-E1Y2-V52 5VDC 12VDC 4.7u C25 33 5VDC 10 2.1.1.1 (Chữ thường, nghiêng, 11, Times New Roman) C28 Y2 A1013 12VDC AQ Sensor7 + U21A LM339 - RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0 VDD VSS RD7 RD6 RD5 RD4 RC7 RC6 RC5 RC4 RD3 RD2 12 Ap chuan RE3 RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 RE0 RE1 PIC16LC74/FP RE2 VDD VSS RA7OSC1 RA6OSC2 RC0 RC1 RC2 RC3 RD0 RD1 R57 10K R58 U20 16 15 R59 1.8K 11 10u C29 220V AC 225 C14 D29 R12 R R15 D28 10uF 104 3 Q6 IRF140 R 2.2R C15 HO VCC 30VDC R11 COM 13 VSS Q5 IRF140 R VB 11 IR2110 SHDN R9 330uF C23 Q15 40N60 C2 ( Chữ thường, Times New Roman, 11) T10 D15 10 + D7 D20 C24 104 R41 U8 R8 R C3 330uF 1 150K Q4 IRF140 R R19 L 220uH 3.3K D27 VDD R7 R52 VCC 150K R6 R R D8 DIODE 330uF 10K + 3.3K R44 + R22 R20 S R31 3.3K 4148 2 0.15R 1.1.1.1 (Chữ thường, nghiêng, 11, Times New Roman) R23 DD Q14 40N60 R30 D5 D13 L2 294SN T9 C10 104 470uF D6 Q3 IRF140 C11 + C7 104 R5 C6 470uF D25 + 330uF C5 10K D24 R4 R R VCC GND VCC Q2 IRF140 DSCHG C4 R3 + THR IR4427 TRG R2 R 30VDC OUT Q1 IRF140 R CV RST Q12 40N60 R27 3.3K C21 105 4148 R26 U1 S R1 R25 3.3K 4148 R24 DIODE OUT 7805 Q11 40N60 C12 - D3 VB IR2110 D23 VS LIN 1 T8 R40 HIN Q8 IRF140 11 GND IN 330 VDC VCC R14 R D21 D22 3 U4 10 12 R13 R GND 7815 V 12 VDD IN D2 + Q7 IRF140 D1 C8 104 OUT U6 C9 2200uF + T7 G ……… U11 5VDC Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-AC bảo vệ [39] 19 3.4 Chế tạo thiết bị Tổng thể phần thiết bị phát điện chế tạo lắp ghép gồm lõi thiết bị phát điện, chân đế, cấu bảo vệ thiết bị hoạt động thử nghiệm thực tế biển sau: Hình 3.17 Lõi thiết bị phát điện Hình 3.18 Lắp ghép tồn thiết bị Kết luận chương Trong chương thực kết sau: Xây dựng cấu trúc tổng thể thiết bị phát điện từ lượng sóng biển chức khối phận thiết bị Đã tính tốn thiết kế chi tiết cấu phận học thiết bị, tính tốn thiết kế phần điện với chuyển đổi DC-AC từ điện áp 12 VDC sang điện áp 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam, với hệ thống kiểm soát bảo vệ thiết bị hoạt động Đã chế tạo toàn cấu phận thiết bị, ghép nối hoàn thiện thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, kiểm tra hoạt động thiết bị phòng thí nghiệm cân chỉnh Kết chương công bố cơng trình [2] [6] 20 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ TẠI BIỂN 4.1 Thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế biển Hình 4.1 đưa số hình ảnh vận chuyển thiết bị lên tàu HQ 1788 cảng biển Hòn Dấu, đưa thiết bị biển thử nghiệm [33,40] a Vận chuyển thiết bị biển b Thiết bị hoạt động biển Hình 4.1 Vận chuyển thiết bị tàu HQ 1788 thử nghiệm Chu kỳ sóng biển: đo thực tế biển thử nghiệm thiết bị đo DASIM Đức kết nối sensor Futek Mỹ Các kết nhận cho thấy tần suất sóng biển xuất nhiều liên tục chu kỳ 4,26 giây, tương ứng tần số sóng biển 1,47 rad/s Áp suất sóng biển tác động lên phao trung bình mức 0,31 psi (tương ứng 0,021 atm) đạt giá trị lớn 0,74 psi (tương ứng 0,05 atm) Các giá trị áp suất tác giả sử dụng toán nghiên cứu vật liệu vỏ thiết bị nghiên cứu Điện áp thiết bị phát ra: đo thử nghiệm công suất điện thiết bị phát biển tàu HQ 1788 Bảng 4.2 đưa mức giá trị trung bình điện áp, cường độ dòng điện nhận từ mô tơ phát điện thiết bị phát mức tải thử (không bao gồm điện từ pin lượng mặt trời) hiệu suất chuyển đổi DC-AC 21 Bảng 4.2 Giá trị cơng suất điện phát trung bình theo tải thử Tải thử Pe (W) 100 140 200 300 Điện áp UDC (VDC) 12 12 12 12 Cường độ dòng điện IDC (A) 9,92 13,47 20,33 29,5 Điện áp UAC (VAC) 224 223 223 221 Cường độ dòng điện IAC (A) 0,45 0,61 0,92 1,35 Hiệu suất ηdc-ac (%) 84,67 84,15 84,09 84,27 4.2 Phân tích chất lượng điện áp thiết bị phát Dạng sóng điện áp thiết bị phát đo phân tích phổ tần số thiết bị đo Picoscope USB Oscilloscope 2204A ghép nối máy tính Anh sản xuất, phần mềm phân tích phổ điện áp tác giả viết ngơn ngữ lập trình Matlab cho thấy giá trị điện áp nhận 220 VAC ± 1,52% tần số 50 Hz ± 0,06% với chất lượng điện áp thực sine Do vậy, tác giả nhận thấy chất lượng điện áp thiết bị phát đáp ứng theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam [71] 4.3 Phân tích hiệu suất thiết bị hoạt động thực tế biển Hiệu suất chuyển đổi điện áp từ 12 VDC sang 220 VAC tần số 50 Hz xác định từ số liệu bảng 4.2 sau:  dc  ac  84,67  84,15  84,09  84, 27  84,3% (4.2) Với công suất điện Pe thiết bị phát hoạt động ổn định suốt thời gian thử nghiệm thực tế biển 200 W, giá trị cơng suất tính mơ số thiết bị nhận từ lượng sóng biển chương 295,8 W Hiệu suất chuyển đổi η thiết bị xác định biểu thức: 22  P e Pgm 100%  200 295,8 100%  67% (4.3) Trong hiệu suất phần hệ q trình truyền lượng mà phao nhận từ lượng sóng biển đến mơ tơ phát điện 88%, hiệu suất phần điện thiết bị nhận ηe = 75,8% Các kết nhận cho thấy phù hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Kết luận chương Trong chương này, tác giả tiến hành thử nghiệm thiết bị phát điện từ lượng sóng biển hoạt động thực tế biển Hòn Dấu – Hải Phòng Thiết bị gồm phao thả mặt biển, phần phát điện gắn cố định đáy biển hoạt động theo phương thẳng đứng Nguồn điện thiết bị phát mức điện áp 12 VDC, 220 VAC tần số 50 Hz thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Mức hiệu suất chuyển đổi từ lượng thiết bị hấp thụ sang lượng điện đạt 67% Trong q trình thử nghiệm, cơng suất điện thiết bị phát lớn đạt 300 W hoạt động ổn định tải 200 W suốt thời gian thử nghiệm biển Kết chương cơng bố cơng trình [1], [2], [3] [4] KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận luận án Kết luận chung Luận án trình bày kết nghiên cứu tác giả xây dựng mơ hình học tính toán thiết kế thiết bị phát điện Trong luận án đưa phương pháp nghiên cứu tiếp cận từ việc 23 khảo sát điều kiện thực tế sóng biển, sau xây dựng mơ hình học, tính tốn thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế biển Với kết luận án là: - Đã thu thập phân tích đặc trưng lượng sóng biển Việt Nam, với số liệu chu kỳ độ cao sóng biển - Đã xây dựng mơ hình học thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến thiết bị Đã áp dụng phương pháp trung bình hóa học phi tuyến, khảo sát tượng cộng hưởng để vùng hoạt động ổn định ổn định mơ hình Đưa khả chế tạo thiết bị hoạt động miền phi tuyến sử dụng vùng biển có biên độ sóng lớn, với lượng thiết bị nhận lớn Trong tính tốn, tác giả sử dụng phương pháp giải tích tốn tuyến tính, phương pháp Runge-Kutta bậc phương pháp Simpson toán phi tuyến để tính tốn nghiệm khảo sát hoạt động thiết bị Xác định tối ưu hệ số cản mô tơ phát điện, mức công suất thiết bị nhận từ lượng sóng biển theo thơng số mơ hình phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam - Đã tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, ưu điểm thiết bị đưa vào sử dụng với mô tơ phát điện loại cơng nghiệp hiệu suất cao chuyển động quay tròn sẵn có thị trường Đã thực thử nghiệm thiết bị hoạt động thực tế biển Hòn Dấu - Hải Phòng, nguồn điện thiết bị phát cấp điện cho tải 200 W hoạt động ổn định suốt thời gian thử nghiệm biển, với hiệu suất chuyển đổi từ lượng sóng biển thiết bị nhận sang điện đạt 67% Những đóng góp luận án - Tác giả đề xuất xây dựng mơ hình thiết bị phát điện hiệu cao từ lượng sóng biển, phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam khả gia công chế tạo nước 24 - Đã thiết lập phương trình chuyển động phi tuyến thiết bị, tính tốn xác định tối ưu hệ số cản mô tơ phát điện, mức công suất hệ thiết bị nhận từ lượng sóng biển theo thơng số mơ hình điều kiện thực tế sóng biển - Đã tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, thiết bị phát điện tác giả không trùng lặp với thiết bị có nước giới Nguồn điện thiết bị phát cấp điện cho tải 200 W hoạt động ổn định suốt thời gian thử nghiệm thực tế biển - Chất lượng điện áp xoay chiều thiết bị phát đạt 220 VAC ± 1,52% tần số 50 Hz ± 0,06% thực sine theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam Thiết bị có khả sử dụng việc làm phao báo dẫn đường biển hay làm nguồn cấp điện cho đèn hải đăng Kiến nghị Với kết bước đầu luận án đạt được, tác giả nhận thấy cần tiếp tục thực nghiên cứu tiếp theo, nhằm tạo thiết bị có khả ứng dụng đáp ứng thực tế: - Nghiên cứu vật liệu chế tạo vỏ thiết bị, đảm bảo thiết bị hoạt động lâu dài ổn định điều kiện thực tế biển Việt Nam - Nghiên cứu mở rộng toán tương tác nhiều bậc tự mơ hình hệ thiết bị phát điện – phao tác dụng sóng biển - Tiếp tục nghiên cứu cải tiến mơ hình thiết bị nhằm nâng cao hiệu suất tăng công suất điện phát - Tiếp tục triển khai thử nghiệm thiết bị hoạt động biển thời gian dài để đánh giá đầy đủ hoạt động thiết bị, khả chuyển giao thiết bị đến đơn vị sử dụng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đơng Anh, Phân tích hiệu suất thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển, Hội nghị Cơ học tồn quốc lần thứ X, Hà Nội (8-9/12/2017), Tập Động lực học Điều khiển; Cơ học Máy, 2018, 102-109 Nguyen Van Hai, Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Fabrication and experiment of an electrical generator for sea wave energy, Vietnam Journal of Science and Technology, 2017, 55 (6), 780-792 Nguyen Van Hai, Nguyen Dong Anh, Nguyen Nhu Hieu, Numerical simulation of an electrical generator for sea wave energy (JMEST), 2017, (9), 8104-8110 Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải, Nghiên cứu thử nghiệm thiết bị phát điện từ lượng sóng biển, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển, 2017, 17 (1), 44-54 Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Đơng Anh, Nguyễn Như Hiếu, Nghiên cứu, tính tốn thiết bị phát điện công suất nhỏ từ lượng sóng biển, Hội nghị Khoa học tồn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, ngày 7-8/10/2016, Hà Nội, 2017, 216-219 Nguyễn Văn Hải, Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị chuyển đổi điện thông minh DC-AC đáp ứng hệ thống thiết bị nạp tích điện lượng tái sinh, Kỷ yếu hội thảo Điện tử - Truyền thơng - An tồn thơng tin ATC/REV 2012, 125-129 ... 2.1 Xây dựng mơ hình thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Mơ hình học thiết bị phát điện từ lượng sóng biển thiết lập để tính tốn, xác định tối ưu thơng số mơ hình mức cơng suất thiết bị hoạt... tế biển Việt Nam; Xác định tối ưu hệ số cản mô tơ phát điện, thơng số mơ hình để cơng suất điện thiết bị phát đạt lớn nhất; Thiết kế, chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển Nguồn điện thiết. .. từ lượng sóng biển Việt Nam Tại Việt Nam, số đơn vị đã, tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị phát điện từ lượng sóng biển như: Viện Nghiên cứu Cơ khí thực thiết kế chế tạo thiết bị phát điện