Khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 93 
KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH 
CỦA THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 
Phùng Văn Ngọc1, Nguyễn Thế Mịch2, 
Đặng Thế Ba3 
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu các nghiên về cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành điện 
năng sử dụng nguyên lý phao nổi. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đi vào khảo sát, phân tích và tính 
toán các đặc tính của thiết bị biến đổi năng lượng sóng. Các kết quả nghiên cứu cho thấy được việc 
sử dụng thiết bị dao động phao nổi hoàn toàn đáp ứng về mặt chuyển đổi năng lượng trong thực tế 
với điều kiện áp dụng tại vùng biển Việt Nam. Quá trình nghiên cứu đưa ra một số kết quả tính toán 
cho thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển dạng hình trụ áp dụng cho vùng có mức năng lượng lớn. 
Từ khóa: Năng lượng sóng biển; thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng; phao nổi; điện sóng. 
1. MỞ ĐẦU1 
Việt Nam là một trong những nước có nguồn 
tài nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào và đa 
dạng gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt 
trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học 
và địa nhiệt . . . Các nguồn năng lượng này được 
phân bố trải rộng từ Bắc tới Nam. Hiện nay, 
không khó để nhận thấy nhu cầu sử dụng năng 
lượng đang một gia tăng nhanh ở Việt Nam.Vì 
vậy việc sớm khai thác các nguồn năng lượng 
đó là rất cần thiết. Nó không những góp phần 
cung cấp năng lượng khi các nguồn năng lượng 
truyền thống đang dần cạn kiệt mà còn có ý 
nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và 
phát triển bền vững. Việt Nam có hơn 
3200km bờ biển với sóng biển trung bình 
cao 0,6m trong suốt hơn 2/3 thời gian của 
năm. Theo (1) sơ đồ phân bố năng lượng 
sóng biển thì năng lượng trung bình sóng 
biển nước ta vào khoảng 15-20 kW/m. Năng 
lượng sóng biển ở Việt Nam, một nguồn 
năng lượng sạch ít được quan tâm nhưng 
tiềm năng rất lớn. Tính theo chiều dài bờ 
biển nước ta thì năng lượng từ sóng biển 
mang lại bờ biển từ 45-60 MW trên mỗi đợt 
sóng. Việc nghiên cứu thiết bị biến đổi năng 
lượng sóng có ý nghĩa vô cùng lớn. Nó mở 
thêm một hướng nhằm đáp ứng giải quyết 
1 Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây nguyên. 
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 
3 Trường Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội 
nhu cầu năng lượng chung của đất nước 
cũng như năng lượng cho phát triển khu vực 
và lĩnh vực hoạt động mà nguồn cung cấp từ 
các nguồn năng lượng còn rất khó khăn (ven 
biển, hải đảo, các hoạt động trên biển). 
Đồng thời, mở hướng đi cho việc giải quyết 
nhu cầu năng lượng trong tương lai. 
Hình 1.Bản đồ năng lượng sóng biển Việt Nam 
 Trong các nguồn năng lượng tái tạo ở Việt 
Nam, năng lượng sóng biển có ưu điểm về tiềm 
năng năng lượng lớn nhất, khi khai thác không 
cần một bộ máy điều hành lớn và phức tạp, mức 
độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường không 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 94 
cao. Tuy nhiên năng lượng sóng biển chưa được 
tận dụng nhiều, mặc dù người ta đều biết hiệu 
suất chuyển hóa thành điện của nguồn năng 
lượng này là cao nhất. Năng lượng điện từ sóng 
biển đã được thử nghiệm nhiều năm nhưng vẫn 
chưa đạt được thành công. Đến nay khi khoa 
học công nghệ phát triển và thế giới đang phải 
đối mặt với những thiếu hụt trầm trọng về các 
dạng năng lượng truyền thống thì việc nghiên 
cứu chuyển hóa năng lượng của sóng thành 
năng lượng điện ngày càng có ý nghĩa to lớn. 
2. Nguyên lý làm việc của một số thiết bị 
chuyển đổi năng lượng sóng biển. 
 Năng lượng sóng biển tuy vô hạn nhưng 
dao động của từng cơn là không ổn định. Sóng 
biển lúc cao, lúc thấp, lúc mạnh, lúc yếu. Chu 
kỳ và khoảng cách giữa 2 làn sóng biển cũng 
khó xác định. Mực nước biển lên cao, xuống 
thấp theo thủy triều. Nhưng việc tạo ra điện 
năng từ các bộ biến đổi năng lượng sóng biển 
đòi hỏi phải ổn định, liên tục và lâu dài. Chính 
vì vậy, việc phân tích bộ biến đổi năng lượng 
sóng biển cần phải được thực hiện với các thông 
số kỹ thuật để từ đó có thể lựa chọn các giải 
pháp phục vụ cho việc điều khiển các bộ biến 
đổi năng lượng sóng biển hoạt động tốt đáp ứng 
được các điều kiện sóng biển tạo ra. Hiện nay 
trên thế giới đã có một số thiết bị như sau: 
+ Thiết bị rắn Pelamis: Là thiết bị được Bồ 
Đào Nha nghiên cứu và phát triển mạnh từ năm 
2008 trở lại đây. Thiết bị này 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. Thiết bị này có nguồn điện tạo ra ổn định 
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. 
Hình 2. Cấu tạo của thiết bị rắn Pelamis.[pelamiswave.com] 
+ Thiết bị dao động phao nổi: Là thiết bị 
được Thụy Điển nghiên cứu và phát triển. Cấu 
tạo chính gồm: Rotor máy phát là nam châm 
vĩnh cửu được nối với phao nổi 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. 
 - 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 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 95 
Hình 3.Cấu tạo của thiết bị dao động phao nổi.[mcclatchydc.com] 
3. Tính toán năng lượng chuyển đổi của 
mô hình phao khai thác năng lượng sóng. 
 Thiết bị được đề cập đến trong phần này là 
một phao nổi thu nhận năng lượng theo phương 
đứng. Với một mô hình phao thu năng lượng bất 
kỳ sẽ có 2 dao động đồng thời là dao động nhấp 
nhô và dao động con lắc. Phao thu năng lượng 
sóng được ứng dụng rất nhiều trong các mô hình 
như hình hộp, hình trụ, hình cầu. 
 Phần này tác giả chỉ tính toán cho một mô 
hình phao đơn giản nhất, đó là mô hình phao trụ 
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. 
 - Thiết bị được phát triển theo nguyên lý 
dao động phao nổi của Thụy Điển tuy nhiên đã 
có sự cải tiến khi lắp thêm đĩa thu năng lượng 
dao động theo hệ thống lò xo để tăng hiệu suất 
trong quá trình dao động của phao khi biến đổi 
năng lượng 
 - Cấu tạo và nguyên lý làm việc cơ bản của 
thiết bị mô tả như Hình 4 
 + Nguyên lý làm việc như sau : Dưới tác 
dụng của thành phần lực theo chiều đứng của 
sóng biển, phao sẽ chuyển động lên xuống cùng 
với lồng hình trụ nối cứng với phao. Trong 
trong khi dưới tác dụng lên đĩa đã được thiết kế 
sao cho chu kỳ chuyển động của đĩa lệch pha 
với chuyển động của lồng, chính sự chuyển 
động lệch pha này kéo 2 bơm chuyển động và 
đẩy nước vào bình chứa áp lực qua van 1 và 2 
(ở 2 nửa chu kỳ, quá trình đẩy của bơm này là 
quá trình đẩy của bơm kia), nước áp lực sau đó 
được xả ra để cấp cho chạy turbine, turbine 
được nối với một motor để phát điện. Điện được 
điều chỉnh ổn định một phần nhờ bình chứa và 
bằng hệ thống ổn áp thiết kế tương ứng theo nhu 
cầu sử dụng. 
Hình 4. Cấu tạo của thiết bị phao nổi hình trụ. 
Trong đó có các thông số: 
 Zc1: Chiều cao của đỉnh piston 1 so với đỉnh 
phao (m) 
Zc2: Chiều cao của đỉnh piston 2 so với đỉnh 
phao (m) 
D: Đường kính phao (m) 
d: Phần ngập nước của phao (m) 
Mô hình phao được thiết kế với bộ định 
hướng theo phương thẳng đứng, tức là loại bỏ 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 96 
phần dao động con lắc. Năng lượng chính của 
thiết bị nhận vào chính là dao động nhấp nhô 
theo phương thẳng đứng. 
 Như vậy biểu thức tính toán tần số dao động 
nhấp nhô tự nhiên của mô hình phao nêu trên là [1]: 
w
wpz
z
z mm
gA
T
f

2
1
2
1
 (3.1) 
Trong đó: 
Tz: Chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s) 
ωz: Tần số góc của dao động (rad/s). 
p: Khối lượng riêng của nước biển. 
Awp: Phần diện tích tiếp xúc với nước biển. 
m: Khối lượng phần nước biển bị thay thế 
bởi phần chìm của phao. 
mw: Khối lượng phần nước biển tác động vào 
phao. 
Khi đó, phương trình chuyển động được đơn 
giản hoá ở dạng: 
)()()()( , tFtsStsRtsm bebbbbbb  (3.2) 
Trong đó 
Rb là hệ số cản tương đương của toàn bộ cơ cấu. 
Sb là hệ số phục hồi tương đương. 
Fe,b là lực sóng tới theo phương đứng. 
mb là tổng khối lượng chuyển động của phao. 
Để tìm được nghiệm của phương trình (3.2) 
tiến hành giải bằng Matlab để thu nhận được 
chuyển động của phao, sau đó khảo sát các đặc 
tính năng lượng cơ bản theo các tham số sóng, 
cấu tạo hình học phao và các thông số cho các 
cơ cấu chuyển đổi. Để tính năng lượng có thể 
đuợc từ chuyển động của phao, sử dụng công 
thức công suất đơn giản P = FV, trong đó P là 
công suất của phao, chuyển động với vận tốc V, 
dưới tác dụng của lực F. Khi đó công suất mà 
phao nhận được từ tác động của sóng tới là: 
)()()( , tstFtP bbeava  (3.3) 
Tổng công suất tiêu thụ do toàn bộ cơ cấu 
chuyển đổi và ma sát là: 
2))(()( tsRtP bbobs  (3.4) 
Công suất trung bình nhận được trong một 
chu kỳ T. 2
1 00
0
ZFdtP
T
P
T
zz

 (3.5) 
F0: Biên độ lực kích thích dao động của sóng tới. 
Z0: Biên độ dao động của phao 
 Với cấu tạo phao như đã nói ở trên, bằng 
phần mềm Matlab đã tính toán khả năng năng 
lượng và khảo sát đặc tính cơ bản của phao 
trong các trường hợp khác nhau làm cơ sở cho 
các tính toán thiết kế. Các kết quả có thể trình 
bày như sau: 
 Đối với phao hình trụ đường kính 1m, tổng 
khối lượng phao được thiết kế sao cho khi ở 
trạng thái cân bằng, một nửa chìm dưới nước. 
 Như vậy khối lượng của phao là m= 270kg, 
khối lượng khối nước chuyển động kèm theo 
phao 
4
.2
33
LDm = 270kg, Tổng khối lượng 
chuyển động của phao là mb = 540kg, hệ số 
phục hồi 
4
2gDSb
 = 7936m/s. 
 Lực kích thích do sóng tới là 
tkDDgtF abe 
 
cos)
6
1(
2
)(
2
, = 15650cost. 
  là dịch chuyển của mặt nước theo phương 
thẳng đứng, k là số sóng 
 Các kết quả tính toán cho sóng biên độ 1m, 
chu kỳ 7s được trình bày trong các hình sau: 
Hình 5. Dao động riêng của phao 
Hình. 6. Chuyển động của phao tự do, không ma 
sát và không thu hồi 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 97 
 Hình 7. Công suất và năng lượng của phao khi 
hệ số thu hồi Rbu=250Ns/m, hệ số ma sát 
Rbf=20Ns/m. 
Hình 8. Biến thiên năng lượng thu được trong một 
chu kỳ theo hệ số thu hồi 
Từ kết quả tính toán (hình 8) có thể thấy rằng 
khi tăng dần hệ số hấp thụ năng lượng qua cơ cấu 
chuyển đổi thì hiệu suất thu được là cực đại tại 
một hệ số nào đó, trong trường hợp tính toán ở 
đây, hệ số này khoảng 2000Ns/m. Vì vậy khi tính 
toán thiết kế, các tham số liên quan đến hệ số 
chuyển đổi phải được tính toán và chọn tối ưu, các 
cơ cấu liên quan mất mát năng lượng do ma sát 
phải được giảm thiểu đến mức thấp nhất. Khi đó 
để năng lượng thu được đạt hiệu suất cao nhất. 
Khảo sát cho các tham số cấu tạo khác nhau 
của phao như kích thước, khối lượng phao, hệ 
số hao tán (phụ thuộc vào cơ cấu thu hồi năng 
lượng), các kết quả cho trong bảng sau. 
Bảng. Năng lượng có thể thu được theo kích thước phao hình trụ (cả ma sát) 
STT KL Phao 
(Kg) 
ĐK 
Phao 
(m) 
Hệ số 
tiêu tán 
(N/m) 
Biên độ 
phao 
(m) 
Năng 
lượng 
(J/chukỳ) 
Công 
suất TB 
(w) 
1 146 0.3 300 0.98 635.9 81.9 
2 146 0.3 500 0.81 983.9 134.2 
3 146 0.3 1000 0.66 925.3 129.0 
4 404 0.5 1000 0.91 2434.0 338.5 
5 404 0.5 2000 0.71 2796.5 394.5 
6 404 0.5 4000 0.62 2158.7 308.0 
7 1617 1.0 3000 0.97 8406.8 1174.6 
8 1617 1.0 6000 0.80 11202.0 1582.6 
9 1617 1.0 9000 0.69 11090.0 1574.9 
Qua bảng kết quả tính toán những phao có 
cùng đường kính và khối lượng thì công suất 
thu được phụ thuộc vào hệ số tiêu tán. Khi hệ số 
tiêu tán mà tăng thì công suất thu được tăng lên. 
Vì vậy khi nghiên cứu các thiết bị chuyển đổi 
năng lượng sóng vấn đề cần quan tâm tới hiệu 
số tiêu tán năng lượng. 
4. Kết luận. 
 Từ phân tích đặc điểm nguyên lý làm việc 
của một số loại thiết bị chuyển đổi năng lượng 
sóng biển chúng ta thấy rằng việc nghiên cứu 
thiết bị tối ưu áp dụng cho vùng biển Việt Nam 
là vô cùng cần thiết và cấp bách. Tác giả cũng 
đã đưa ra mô hình tính toán và khảo sát đặc tính 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 41 (6/2013) 98 
cho thiết bị, tính thử cho một thiết bị với thông 
số cụ thể. Với các kết quả được khảo sát ở trên 
cho thấy với thiết bị dạng phao dao động hoàn 
toàn đáp ứng yêu cầu chuyển đổi năng lượng. 
Thiết bị đưa ra có những cái tiến về mặt cấu tạo 
làm tăng hiệu suất chuyển đổi. Việc nghiên cứu 
thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng điện cho 
vùng biển Việt Nam hiện nay là hết sức cần 
thiết vì vậy cần có sự đầu tư nghiên cứu của các 
nhà khoa học nhằm sớm đưa ra được thiết bị tối 
ưu phục vụ nhu cầu năng lượng của đất nước 
hiện nay. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 1. Năng lượng sóng biển khu bực biển Đông và vùng biển Việt Nam. Tác giả Nguyễn Mạnh 
Hùng, Dương Công Điền – NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ -200tr. 
 2. Các số liệu sóng tính toán được thu thập tại Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn trung ương. 
 3. Cummins, W.E.: The Impulse Response Function and Ship Motions. Schiffstechnik, Vol. 9, 
pp.101-109, 1962 
 4 O.M. Faltinsen - Sea loads on ships and offshore structers – Cambridge university press 
NTH-1992 
 5. Eidsmoen, H.: Hydrodynamic parameters for a two-body axisymmetric system. Applied 
Ocean Research, vol. 17, No.2, pp. 103-115, 1995. 
Abstract 
SURVEYING AND CALCULATING CHARACTERICTIS 
OF WAVE ENERGY CONVERSION DEVICE 
 This article presents studies of wave-to-electric energy converter based on float form theory. 
More over the studies research, analyze and calculate the features of the converters. There results 
show that the operation of fluctuating float devices completely meets fact energy conversion 
conditions in Viet Nam coasts. Some obtained calculation results for cylindrical wave energy 
converters working in the range of high level of sea wave energy have also been presented. 
Keysword: Wave energy; wave energy converters; float form; electric energy; 
Người phản biện: TS. Hoàng Công Tuấn BBT nhận bài: 16/5/2013 
Phản biện xong: 6/6/2013