Tiểu luận

GVHD: Nguyễn Thanh Hào
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
BÀI TẬP TIỂU LUẬN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG
LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO
HỘ GIA ĐÌNH

 GVHD :

TS.Nguyễn Thanh Hào

 LỚP

ĐHNL8ALT

:

 SVTH :

NHÓM 19
•
•
•
•
•

Tô Thành Long

12063211
Lê Minh Điền
12078101
Phạm Khắc Quyền
12091011
Nguyễn Đức Trung12068681
Đỗ Anh Tấn
12071091

TP. HCM, NĂM 2014
Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH
Page 1


Tiểu luận

GVHD: Nguyễn Thanh Hào

Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH
Page 2


MỤC LỤC
Chương 1: Giới thiệu .......................................................................................Trang 03
1.1. Đặt vấn đề
1.2. Lý do chọn đề tài
1.3. Mục tiêu đề tài
Chương 2: Tổng quan về năng lượng tái tạo ..................................................Trang 05
2.1. Khái niệm năng lượng tái tạo
2.2. Các dạng của năng lượng tái tạo

2.2.1. Năng lượng mặt trời
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
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
Chương 3: Năng lượng sóng và các phương pháp biến đổi.............................Trang 10
3.1. Giới thiệu năng lượng sóng đại dương
3.2. Sự hình thành sóng đại dương
3.3. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng
3.3.1. Vùng sóng gợn
3.3.2. Vùng gia tăng chiều cao sóng
3.3.3. Vùng sóng vỗ
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
3.4.2. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ
Chương 4: Tính toán và thiết kế mô hình khai thác năng lượng sóng…………Trang 23
Chương 5: Thiết kế mô hình đấu nối hệ thống mô hình tích trữ năng lượng sóng biển
bằng Acquy …………………………………………………………………………Trang

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề:
Năng lượng là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của



xã hội. Trong nhiều thập kỷ qua việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng
với phát triển kinh tế và hơn nữa năng lượng có tính quyết định đối với hệ thống
chính trị, hoà bình hay sự phát triển bền vững của các quốc gia.
Nói năng lượng là nói đến năng lượng hóa thạch như than đá và đặc biệt là dầu và
các sản phẩm từ mỏ dầu. Cho đến nay, phần lớn các nguồn năng lượng mà chúng
ta đang sử dụng bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch là loại năng lượng dưới dạng
tài nguyên, được khai thác lên và sử dụng.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp trên thế giới
đang không ngừng phát triển và ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của các quốc
gia trên thế giới. Nguồn năng lượng chính để phát triển nền công nghiệp hiện nay
chính là năng lượng điện, không một nền công nghiệp nào có thể phát triển mà không
có điện. Hầu hết các dạng năng lượng tự nhiên được khai thác là nhằm mục đích
biến đổi thành năng lượng điện để cung cấp cho nhu cầu và sự phát triển của xã hội
hiện nay. Khi các dạng năng lượng hóa thạch như: dầu mỏ, than đá,… bắt đầu cạn kiệt
thì những nghiên cứu về các dạng năng lượng mới nhằm thay thế năng lượng khoáng
sản để tạo ra năng lượng điện trở nên cấp bách. Từ đó các dạng năng lượng tự
nhiên có thể tái tạo gọi tắt là “năng lượng tái tạo” được nghiên cứu và đưa vào sản
xuất điện năng.
Vấn đề đặt ra ở đây chính là giá thành chuyển đổi năng lượng điện từ năng
lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng khoáng thạch. Vì vậy, phần lớn các nhà
đầu tư, các doanh nghiệp đều cho rằng chi phí đầu tư vào sản xuất điện từ năng
lượng tái tạo khá cao khó cạnh tranh với điện truyền thống như nhiệt điện và thủy điện
hiện nay. Tuy nhiên, dưới cái nhìn của môi trường bền vững thì sản xuất điện từ năng
lượng hóa thạch gây ô nhiễm lớn đến môi trường sống tự nhiên và ảnh hưởng đến sức
khỏe con người, cho nên nhiều kinh phí để khắc phục ô nhiễm. Từ đó cho thấy việc
nghiên cứu và phát triển các thiết bị khai thác các dạng năng lượng tái tạo với công
suất lớn và hiệu quả kinh tế cao là mục đích chung của các quốc gia trên thế giới.
Như vậy, cùng với sự cạn kiệt và khủng hoảng của năng lượng khoáng sản trên
thế giới, cùng với vấn đề cấp bách về ô nhiễm môi trường dẫn đến thiên tai, hiệu ứng

nhà kính làm tăng nguy cơ hủy diệt môi trường sống của con người, cho ta thấy được
tầm quan trọng của năng lượng tái tạo trong sự phát triển bền vững trên toàn thế giới
hiện nay.


Tiểu luận
Hào

GVHD: Nguyễn Thanh

1.2. Lý do chọn đề tài:
Khi được giáo viên hướng dẫn thực hiện đề tài TS Nguyễn Thanh Hào đề cập
về vấn đề nghiên cứu các dạng năng lượng tái tạo nhằm ứng dụng tại Việt Nam. Tôi đã
tìm hiểu và thấy các nhà nghiên cứu đã cho rằng: nguồn năng lượng của Việt Nam hiện
đang cạn kiệt dần và có thể hết trước thế giới vài chục năm (Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn,
Dầu còn 2,3 tỷ tấn…). Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự
báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12%-20% năng lượng để có
thể duy trì nền kinh tế, đến năm 2050 lên đến 50%-60%, chưa kể điện hạt nhân. Tình
hình năng lượng hiện nay của chúng ta trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt
điện và thủy điện. Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào
thời tiết, nguồn nước cung cấp cho thủy điện của nước ta hiện đang dần cạn kiệt, nếu
phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu
cực đến môi trường sinh thái. Còn chi phí sản xuất nhiệt điện quá cao và tùy thuộc
vào tình hình năng lượng khoáng sản. Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị
phương án.
Vì vậy cho thấy vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam là một vấn đề
vô cùng cấp bách và đã và đang được thực hiện tại Việt Nam, ví dụ điển hình chính là
việc khai thác năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Nhưng việc khai thác năng
lượng tái tạo vẫn còn chưa triệt để và chưa được quan tâm đúng mức. Đặc biệt là Việt
Nam có bờ biển dài với hàng ngàn hòn đảo lớn nhỏ nên có thể nói nguồn năng lượng

từ sóng biển rất lớn, đặc biệt là ở miền Trung và các đảo, quần đảo. Các chuyên gia đã
tính toán, với điều kiện sóng, gió, địa lý như ở Việt Nam thì năng lượng tạo ra từ sóng
biển được xếp vào loại lớn trên thế giới. Vì vậy, việc ứng dụng các công nghệ khai
thác năng lượng sóng biển cần được ứng dụng và nghiên cứu để khai thác năng lượng
được hiệu quả nhất.
Từ những tìm hiểu trên n h ó m tôi đã chọn đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA
ĐÌNH” với mục đích tìm hiểu thêm về lĩnh vực khai thác năng lượng tái tạo và hy
vọng đóng góp một phần nhỏ công sức vào việc phát triển dạng năng lượng sóng đại
dương có tiềm năng rất lớn ở nước ta.
1.3. Mục tiêu của đề tài:
Từ mô hình thiết kế hệ thống quy mô cho gia đình chúng tôi hi vọng sẽ giúp ích cho
các gia đình ở đảo, gần biển và giải quyết vấn đề tận dụng nguồn năng lượng vô tận từ tự
nhiên.

CHƯƠNG II


Tiểu luận
Hào

GVHD: Nguyễn Thanh

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
1.Khái niệm năng lượng tái tạo:
Năng lượng tái tạo (Renewable Energy): là các dạng năng lượng xanh có sẵn trong
tự nhiên với đặc điểm là:
- Không bị tiêu hao hoặc ảnh hưởng trong quá trình ta khai thác như: năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng và thủy triều…
- Có thể tái tạo lại với tốc độ bằng với tốc độ ta khai thác như năng lượng địa

nhiệt và năng lượng sinh khối.
2.Các dạng của năng lượng tái tạo:
Năng lượng tái tạo tồn tại trong tự nhiên với các dạng năng lượng: năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, năng lượng nhiệt, năng lượng sóng và
thủy triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng pin nhiên liệu và năng lượng sinh khối

Hình 2.1: Các dạng năng lượng tái tạo


2.2.1. Năng lượng mặt trời (Solar Energy):
Bức xạ của mặt trời chiếu vào trái đất mang theo rất nhiều năng lượng, với
từng mục đích khác nhau người ta sẽ sử dụng các công nghệ khác nhau để biến đổi
bức xạ mặt trời thành các dạng năng lượng phục khác nhau. Năng lượng mặt trời có thể
chuyển thành các dạng năng lượng như:
- Cung cấp nhiệt độ cao nhằm mục đích sưởi ấm hoặc nung nóng nước và
có thể được tập trung bằng các loại gương để cung cấp nhiệt với nhiệt độ
cao cho phát điện.
- Bức xạ Mặt Trời cũng có thể được biến đổi trực tiếp thành điện năng bằng
cách sử dụng các modun pin Mặt Trời (PV). Những modun này thường
được đặt trên mái nhà hoặc những mặt ngoài của toà nhà. Điện năng từ
pin Mặt Trời hiện tại có giá thành cao nhưng giá của chúng thì đang
giảm xuống và đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực công nghiệp.
2.2.2. Năng lượng gió (Wind Energy):
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển
Trái Đất, năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Gió được
sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời
và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Người ta dựa trên động năng của gió để
tạo ra năng lượng phục vụ cho nhiều muc đích như: tác động lên cánh buồm trong
việc di chuyển trên biển, làm quay các cối xay gió, tác động lên cánh quạt tuabin gió
làm quay tuabin tạo ra điện.

2.2.3. Năng lượng thủy điện (Hydro Electric Energy):
Người ta dựa tính chất của nước là di chuyển theo thế năng, nghĩa là chảy từ
nơi cao xuống nơi thấp hơn. Từ đó người ta chặn những con sông, suối rồi xây
dựng hồ chứa nước, sau đó xả nước qua tuabin thủy điện làm quay tuabin tạo ra điện
năng.
2.2.4. Năng lượng sóng (Wave Energy):
Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các
khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Năng lượng chứa trong những đợt sóng là rất
lớn vì vậy có rất nhiều phương pháp có thể được sử dụng để khai thác năng lượng này
chuyển thành chuyển động tịnh tuyến của lõi từ hoặc chuyển động quay của máy
phát nhằm phát ra điện năng.
2.2.5. Năng lượng thủy triều (Tidal Energy):
Thủy triều là hiện tượng sóng của nước biển dưới tác động của các lực gây ra
bởi mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương.
Dưới tác động của các lực, nước trên đại dương dâng lên tạo thành các sóng nước di
chuyển trên đại dương, tạo thành sự chuyển động tương đối giữa trái đất, mặt trăng,


mặt trời và các hành tinh khác.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự
quay của trái
đất quanh trục của nó). Người ta lấy năng lượng từ thủy triều thông qua dòng triều
cường chảy dưới lòng đại dương hoặc ngăn đập và xả đập khi thủy triều dâng và
hạ nhằm tạo ra chuyển động quay của tuabin tao ra điện.
2.2.6. Năng lượng địa nhiệt (Thermal of the Earth Energy):
Năng lượng địa nhiệt là một dạng năng lượng được tích tụ dưới dạng nhiệt lượng
nằm ngay dưới lớp đất của vỏ trái đất. Phía dưới bề mặt hành tinh của chúng ta, ở độ
sâu từ 5 km đến 10 km có rất nhiều dòng nước nóng ngầm có thể sử dụng làm nguồn
o

năng lượng. Những dòng nước nóng (có nơi lên đến 6000 C) thường thoát lên bề mặt

trái đất dưới dạng các nguồn nước nóng hay suối nước nóng phun trào, ta có thể
dung nguồn năng lượng này để biến đổi thành năng lượng điện hay sử dụng trực tiếp để
sưởi ấm nhà ở hay ở các nhà kính trong trồng trọt, sấy nông sản.
2.2.7. Pin nhiên liệu (Hydrogen and Fuel Cells):
Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện
năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và
khí O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là
trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H2 + O2 = H20 + dòng điện, nhờ
có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp
platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn ... thực chất nó là
một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện
cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và
O2/không khí. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới
dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và
các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi
gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá
trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao.
2.2.8. Năng lượng sinh khối (Biomass Energy):
Năng lượng sinh khối (hay còn gọi là năng lượng vi sinh) là nguồn khí tự
nhiên được tạo ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ, thức ăn thừa hoặc phân động
vật, các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp v..v..), phế phẩm lâm
nghiệp (lá khô, vụn gỗ v.v...), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải.
Đây là loại năng lượng đặt biệt vì có thể sản xuất trực tiếp ra khí đốt hoặc xăng dầu vừa
có thể xử lý chất thải góp phần lớn vào việc cải thiện môi trường sống.
2.3.Tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo:
Hiện nay năng lượng tái tạo đang được khai thác ở rất nhiều nơi trên thế giới được
xem như là nguồn năng lượng có khả năng thay thê được năng lượng khoáng sản
đang cạn kiệt.



Có rất nhiều dự án với chi phí rất cao nhằm khai thác hiệu quả năng lượng tái tạo
đã đi vào hoạt động và cung cấp năng lượng đặc biệt là năng lượng điện phục vụ nhu
cầu của con người. Ví dụ như: các hệ thống tuabin gió trên toàn thế giới (trang trại
năng lượng gió Thanet, với 100 chiếc quạt khổng lồ được “trồng” ở ngoài khơi
bờ biển Thanet. Trang trại có thể sản xuất đủ điện cho hơn 200.000 hộ gia đình dùng
trong một năm), các nhà máy điện sinh khối (nhà máy điện sinh khối công suất 44 MW
tại Steven's Croft, gần Lockerbie ở Scotland (Anh)), các nhà máy điện thủy triều và
sóng (nhà máy điện La Rance tại Pháp, với công suất 240.000 kWh, là một trong
những nhà máy điện thủy 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).

Hình 2.2: Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo
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 2.3: Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn 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.


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.
-

- Hình 3.1: Sự hình thành của
sóng


- 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.
- 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)).
-

3.3 C ác thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng:
3.3.1Các 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.
3.3.2.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

- 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
-

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).
-


động

- Hình 3.6: Thiết bị của Seabased AB

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt


 Thiết bị HEB (Hydro Electric Barrel):
-

Hình 3.10: Máy
phát quay của
HEB

-

Hình 3.9: Thiết bị HEB

-

-

- 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.
3.3.3.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 3.11: Thiết bị OWAP (Ocean Wave Air Piston)

- 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.

- Hình 3.12: Thiết bị của SIECAT


 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 3.13: Cấu tạo của Pelamis
Nguyên lý hoạt động của Pelamis

Hình 3.14:

 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.
3.3.4.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.
 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.
-

Hình 3.15: Trạm biến đổi năng OWC

 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.
-

-

Hình 3.16: Thiết bị Pendulor

 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.
3.18: Thiết bị WaveRoller

Hình 3.17: Thiết bị Oyster

 Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng gần bờ:

Hình


-

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.



-

CHƯƠNG 3
TÍNH CHỌN ACQUY TÍCH TRỮ ĐIỆN CHO MÔ HÌNH
- NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN DÙNG
- TRONG HỘ GIA ĐÌNH
-

-

- 3.1 CHỌN TẢI TIÊU THỤ CHO HỘ GIA ĐÌNH
- * (Tài liệu tham khảo />- Khi chọn bộ chuyển điện và ắc quy sử dụng cho hệ thống điện năng lượng sóng biển
(hoặc hệ thống lưu điện dự phòng), cần phải cân nhắc kỹ 3 yếu tố sau đây: dung lượng
của ắc quy, thời gian cần sử dụng và tổng công suất của toàn bộ tải.
- Lựa chọn 1 hộ gia đình có các tải tiêu thụ như sau:
- S
ố
- Công suất
- Lọai thiết bị
- Số lượng
thông thường
T
T
- 1

- Quạt cây

- 1


- 60W

- 2

- TV LCD 32’

- 1

- 80W

- 3

- Bóng đèn Neon

- 1

- 40W

- 4

- Máy tính xách tay

- 1

- 120W

- 5

- Máy lạnh 1hp


- 1

- 750W

- 6

- Máy giặt

- 1

- 250W

- 7

- Tủ lạnh

- 1

- 200W

-

Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH
Page 21


- Bước 1: Công suất thực tế W = (2*60) + 80 + 40+ 120 + 750 + 250 + 200 = 1500W
Bước 2: W = 1500*2 = 3000W (cần chọn công suất bộ chuyển điện gấp 2 lần công suất
thực tế) tức là khoảng 3000W, vì vậy nên chọn loại kích điện 4500VA -48VDC

 Chọn bộ kích điện (Máy Kích Điện Home Star W7 - 3000W - 24v

DC (4300VA)):
- Model:

- HS-3012E

- Công suất:

- 3000watts ~ 4500VA

- Công suất đỉnh:

- 6000watts

- Dạng sóng ra:

- Sóng hình sin

- Hiệu suất:

- 90% -> 100%

- Điện áp vào:

- 24V DC

- Bảo vệ nguồn đầu vào mức thấp:

- 20V DC + 5%


- Dòng không tải:

- < 0.05A

- Điện áp ra:

- 220VAC ± 5%

- Tần số:

- 50Hz or 60Hz + 5% dạng tinh thể

- Bảo vệ điện áp ra quá tải:

- >3000watts

- Bảo vệ nhiệt độ cao:

- YES >65°C ngắt và báo động

- Bảo vệ ngắn mạch đầu ra:

- YES

- Bảo vệ điện ngược chiều:

- YES

- Phân cực nghịch pin:


- Bằng cầu chì bảo vệ

- Cầu chì:

- DC 24V - 40A

- Tự động khởi động lại:

- YES

- Thời gian chuyển đổi:

- 10mS

- Dòng điện sạc

- 24V – 35A/70A

- Chế độ nạp ắc qui:

- YES

- Tự động nạp ắc quy:

- YES

- Tự động ngắt khi nạp đầy ắc quy:

- YES


- Điều chỉnh đầu ra:

- PWM thong minh ± 5%

- Quạt làm mát:

- YES

Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH
Page 22


- Kích thước: mm (L*W*H)

- 442*218*179

- Trọng lượng:

- 22 Kg

- Bước 3:
- Thời gian thực tế sử dụng điện: T=4h
- Ta chọn thời gian nhiều nhất sử dụng điện T=6h
Bước 4:
- Các ký hiệu:
- * Tổng Công suất tiêu thụ trong hệ thống (W)
* Hiệu điện thế của mạch nạp bình ắc quy (V)
* Dung lượng của bình ắc quy (AH), (AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng
với thời gian phóng điện)


* Thời gian cần có điện của hệ thống (T)
* Hệ số năng suất của bộ kích điện (pf): thường là 0,7 hoặc 0,8
- Dung lượng ắc quy tính theo công thức:
TxW
Vxpf
* Theo công suất thực tế: H = AH =
TxW
Vxpf

=

4 x1500
24 x0,8
= 312,5Ah.

6 x1500
24 x0,8

* Theo công suất đỉnh: H = AH =
=
= 468,75 Ah.
-  Dùng hệ thống 05 acquy 12V - 200Ah ( Dựa vào công suất đỉnh 468,75 Ah để
chọn)
- Vậy ta chọn Acquy GS. Model:
N200
- Xuất xứ: Liên doanh Nhật Bản, sản
xuất tại Việt Nam
Đặc tính: Ắc quy chì axit nước
Điện dung 200AH, điện áp 12V

- Dài 520 cm, rộng 278 cm, cao 218cm
- Dung tích axit 16,8 lít
- Hình ảnh Minh Họa:
Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH
Page 23


-

Chương 4
CHỌN MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỔI
NĂNG LƯỢNG
-

-

-Địa điểm đặt hệ thống: Đảo Lý Sơn – Tỉnh Quảng Ngãi
-

- 4.1.Chọn năng lượng chuyển đổi của mô hình phao khai thác năng lượng trên
mặt sóng:
Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH
Page 24


- Ta chọn mô hình phao hình chữ nhật thiết kế bởi Omholt (1978) như hình 5.1. Thiết
bị được phát triển bởi công ty của Thụy Điển Seabased AB
-

-


Hình 4.1: Chi tiết mô hình phao chuyển đổi năng lượng sóng

-

Phao được miêu tả ở hình 5.1 bao gồm các thông số thiết kế:

L:
B:
D:

Chiều dài của phao (đối với phao hình chữ
nhật)
Bề rộng của phao (đối với phao hình chữ
nhật)
Đường kính của phao (đối với phao hình trụ
tròn)
Chiều cao phần phao chìm trong nước

(m)
(m)
(m)
d :
(m)
- Mô hình phao được thiết kế ở hình 4.1 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).
-

Nhóm 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN BẰNG ACQUY DÙNG CHO HỘ GIA ĐÌNH

Page 25