Thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng biển theo nguyên lý Pelamis

Nội dung text: Thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng biển theo nguyên lý Pelamis

1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THEO NGUYÊN LÝ PELAMIS PGS.TS. Lê Hiếu Giang Khoa Cơ khí máy – Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 01 Võ Văn Ngân, Q. Thủ Đức, Tp. HCM, Việt Nam, Email: lccuong@hcmute.edu.vn KS. Nguyễn Duy Hà Khoa Cơ khí – Trường CĐ nghề Quy Nhơn 172 An Dương Vương, TP. Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định 1. Giới thiệu Sự phát triển của nền công nghiệp toàn cầu kéo theo nhu cầu ngày càng lớn năng lượng phục vụ cho nó mà năng lượng chủ yếu được sử dụng là năng lượng điện. Trong khi đó, tiềm năng để khai thác và sản sinh ra nó theo cách truyền thống như thủy điện, nhiệt điện ngày càng cạn kiệt. Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng lượng rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo khoa học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ không còn trong vài mươi năm nữa. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài toán về môi trường toàn cầu được đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp, chúng ta phải hạn chế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh hưởng xấu tới môi trường. Trong khi đó các nhà máy kiểu nhiệt điện truyền thống thì không thể tránh được việc thải ra môi trường một lượng lớn các chất ảnh hưởng tới môi trường như oxit cacbon, oxit nitơ, oxit lưu huỳnh, trong quá trình vận hành. Trước tình hình đó các quốc gia trên thế giới đang tiến hành nghiên cứu và cho ra những nguồn năng lượng mới có khả năng cung cấp cao và không gây ô nhiễm môi trường. Một nguồn năng lượng được tìm thấy, hiện đang được sử dụng rộng rãi và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nguồn năng lượng hóa thạch khác, có khả năng cung cấp cao đó là năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng hạt nhân rất nguy hiểm, đòi hỏi kỹ thuật cao và độ an toàn tuyệt đối vì nếu để xảy ra sự cố sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường xung quanh và gây tác hại lâu dài khó có thể khắc phục được, tác hại đó có thể tồn tại hàng trăm năm và hơn thế nữa. Trái đất có hơn 70% là nước mà phần lớn là biển. Do đó việc khai thác nguồn năng lượng từ biển có tiềm năng rất lớn, được đánh giá là nguồn năng lượng vô tận, có khả năng cung cấp năng lượng cho toàn thế giới, nó sẽ là nguồn năng lượng chủ yếu trong tương lai. Mọi nguồn năng lượng được hình thành từ biển đều từ tự nhiên và có 1
2. năng lượng lớn. Việc tận dụng thủy triều và sóng biển thực sự là một bước ngoặc trong sản xuất năng lượng điện. Đây là nguồn năng lượng sạch, ít gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam hiện trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước do đó nhu cầu tiêu thụ năng lượng rất lớn. Với hàng ngàn kilômét bờ biển, Việt Nam được đánh giá là có nhiều tiềm năng về năng lượng biển. Đồng thời việc khai thác năng lượng từ biển cũng là hướng đi cho bài toán ô nhiễm môi trường hiện nay tại Việt Nam. 2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis: Hình 1 Thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis Thiết bị là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, nối với nhau bằng bản lề. Sóng biển làm chuyển động mạnh hệ thống phao, nó tác động mạnh vào hệ thống bơm thủy lực làm quay turbin phát điện. Hàng loạt thiết bị tương tự sẽ kết nối với nhau, làm cho turbin hoạt động liên tục. Dòng điện được truyền qua giây cáp ngầm dưới đáy đại dương dẫn vào bờ, nối với lưới điện, cung cấp cho hộ sử dụng. Nếu xây dựng nhà máy điện có công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2. Thiết bị được neo ở vùng biển có độ sâu chừng 50–70m; cách bờ dưới 10km, là nơi có mức năng lượng cao trong các con sóng. Và Thiết bị pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul có hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ. Mỗi thiết bị pelamis có thể cho công suất 750kW, nó có chiều dài 140-150m, có đường kính ống 3- 3,5m. 2
3. Hình 2 Cấu tạo của modul biến đổi năng lượng. 3. Mô hình theo nguyên lý Pelamis Mô hình thiết bị phát điện dạng rắn biển này bao gồm các phao rời liên kết với nhau bởi các khớp quay theo chiều ngang và đứng cùng 02 module năng lượng: Bơm xilanh thu nhận năng lượng sóng ngang và bơm xilanh nhận năng lượng sóng đứng. Chuyển động tương đối giữa các phao trên bề mặt sóng làm các xilanh (bơm thuỷ lực) hoạt động, chuyển đổi năng lượng chuyển động cơ học thu nhận được từ năng lượng sóng thành năng lượng dầu ép. Các chuyển động ở đây chủ yếu là lực Acimet và cho phép khai thác năng lượng sóng biển, cung cấp năng lượng dầu ép cho hệ thống thuỷ lực bên trong các module, năng lượng được nạp vào bình tích, sau đó cung cấp tới cụm máy phát điện, điện phát ra có thể được đưa trực tiếp tới các hộ tiêu thụ, hoặc nạp cho ắcquy hay phát lên điện lưới. bình tích xilanh 1 điện Bình chứa tuabin phát dầu hệ thống xilanh 2 van 1 chiều + bình tăng áp Hình 3. Nguyên lý hoạt động của mô hình trên nguyên lý Pelamis 3
4. 4. Cấu tạo mô hình Xilanh a Tuabin Xilanh b Đĩa truyền Thanh chống động Hình 4. Mô hình rắn biển phát điện theo nguyên lý Pelamis Khi cho động cơ chuyển động thì thanh chống sẽ di chuyển từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất của đĩa truyền động để giả lặp hướng truyền động của sóng đứng. Tại vị trí cao nhất lúc này xilanh a thực hiện hành trình hút, xilanh b thực hiện hành trình đẩy làm cho tuabin quay. Tại vị trí thấp nhất lúc này xilanh a thực hiện hành trình đẩy, xilanh b thực hiện hành trình hút làm cho tuabin quay. Như vậy trong toàn bộ hành trình quay của đĩa gắn trên đông cơ, thanh chống chuyển động liên tục từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất nên hai xilanh a,b làm việc liên tục và làm cho tuabin quay liên tục phát ra điện áp. 5. Kết quả thực nghiệm Từ nguyên lý tạo ra dòng điện đã chọn cho mô hình, tiến hành các thí nghiệm thực tế trên mô hình để tìm ra quy luật mối quan hệ của điện áp với khoảng hành trình của xi lanh và chu kỳ sóng đứng. 4
5. 4.1 Thí nghiệm 1: Số liệu ban đầu : - Đường kính xi lanh : D = 10mm - Đường kính vòi phun : d = 2mm - Hành trình pittong : L = 10 mm 4.2 Thí nghiệm 2: Số liệu ban đầu : - Đường kính xi lanh : D = 10mm - Đường kính vòi phun : d = 2mm - Hành trình pittong : L = 15 mm 5
6. 4.3 Thí nghiệm 3: Số liệu ban đầu : - Đường kính xi lanh : D = 10mm - Đường kính vòi phun : d = 2mm - Hành trình pittong : L = 20 mm 4.4 Thí nghiệm 4: Số liệu ban đầu : - Đường kính xi lanh : D = 10mm - Đường kính vòi phun : d = 2mm - Hành trình pittong : L = 25 mm 6
7. 4.5 Thí nghiệm 5: Số liệu ban đầu : - Đường kính xi lanh : D = 10mm - Đường kính vòi phun : d = 2mm - Hành trình pittong : L = 30 mm * Bảng số liệu thực nghiệm: - Từ kết quả thực nghiệm ta thấy quy luật cùng tăng tuyến tính khi tăng dần chu kỳ sóng thì điện áp đầu ra cũng tăng theo, liên hệ với thực tế thì khi chu kỳ sóng tăng dần lúc thay đổi thời tiết thì điện áp thu được từ máy phát cũng tăng dần và ngược lại. - Ngoài ra thực nghiệm với hành trình khác nhau của xi lanh có kết quả chứng minh thực tế với các con sóng có chiều cao tăng dần thì điện áp đầu ra của máy phát cũng tăng theo. 7
8. 5. Kết luận: Luận văn đã hoàn thành những mục tiêu và nhiệm vụ đề ra, với các kết quả đạt được như sau: - Phân tích được các điểm mạnh của hệ thống phát điện gián tiếp so với các hệ thống phát điện bằng năng lượng sóng biển khác, có thể áp dụng được cho vùng biển của Việt Nam - Chế tạo mô hình phát điện gián tiếp bằng sóng biển. - Thực hiện thí nghiệm trên mô hình thu được thông số về khả năng phát điện. Đây là cơ sở để định hướng các nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện công nghệ phát điện gián tiếp. 8
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Trần Thu Tâm – CÔNG TRÌNH VEN BIỂN – Nhà xuất bản ĐH Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh – 2003. [2] Trần Minh Quang – CÔNG TRÌNH VEN BIỂN – NXB Giao thông vận tải 3 .V T L Đ I C NG tập 1 – Lương Duyên Bình – Nhà xuất bản giáo dục -2003. 4 .V T L Đ I C NG tập 2 – Lương Duyên Bình – Nhà xuất bản giáo dục – 2003. [5] Dư Văn Toán, 2005. Năng lượng thủy triều biển Đông. TC Khoa học và Công nghệ biển. Số 1. 12 tr. 6 Dư Văn Toán , 2007. “Năng lượng biển: tiềm năng, công nghệ, chính sách”. TT HNKH quốc gia. 300 tr. 7 Dư Văn Toán, 2011. Kịch bản phát triển năng lượng tái tạo thế giới và đề xuất cho Việt Nam. HNKHQT “Phát triển NL bền vững”, Viện KHCNVN 11/2011. [8] Christine Miller (August 2004). "Wave and Tidal Energy Experiments in San Francisco and Santa Cruz" [9] Figure 6 from: Wiegel, R.L.; Johnson, J.W. (1950), "Elements of wave theory", Proceedings 1st International Conference on Coastal Engineering, Long Beach, California: ASCE, pp. 5–21 s of the upper ocean (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-29801-6. [10] Holthuijsen, Leo H. (2007). Waves in oceanic and coastal waters. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-86028-8. [11] R. G. Dean and R. A. Dalrymple (1991). Water wave mechanics for engineers and scientists. Advanced Series on Ocean Engineering. 2. World Scientific, Singapore. ISBN 978-981-02-0420-4. See page 64–65. 12 Clément et al. (2002). "Wave energy in Europe: current status and perspectives".Renewable and Sustainable Energy Reviews 6 (5): 405– 431. doi:10.1016/S1364-0321(02)00009-6 9
10. [13] Farley, F. J. M. and Rainey, R. C. T. (2006). "Radical design options for wave- profiling wave energy converters". International Workshop on Water Waves and Floating Bodies. [14] Falnes, J. (2007). "A review of wave-energy extraction". Marine Structures 20 (4): 185–201.doi:10.1016/j.marstruc.2007.09.001 15 . Tham khảo tài liệu trên mạng Internet. 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.