Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đặt ven bờ

198 TẬP 11 SỐ 407 - 2017
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
Tống Đức Năng1*, Lê Hồng Chương2
Tóm tắt: Ngày nay nguồn năng lượng tái tạo đang ngày càng được chú trọng tìm kiếm, khai thác. Với tính 
năng mật độ năng lượng cao và khá ổn định, năng lượng sóng biển mở ra một tiềm năng lớn cho ngành sản 
xuất điện. Trong bài báo này, một mô hình thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển theo nguyên lý phao nổi 
được đề xuất, một số thông số chính của thiết bị cũng được tính toán, khảo sát cho điều kiện Việt Nam. Kết 
quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng thiết bị dao động phao nổi chuyển hóa năng lượng sóng thành năng 
lượng dòng thủy lực để làm quay tuabin máy phát điện là phù hợp với điều kiện tại một số khu vực. 
Từ khóa: Thiết bị chuyển đổi năng lượng; năng lượng điện; năng lượng sóng.
Researching shoreline type of wave energy converter
Abstract: Nowaday the special attention is paied to recycle being found and exploited. With certain advan-
tages such as high enegy density, stable perfomance, the sea wave energy is very prospective in electrical 
producing enegy. In this paper , the research on an energy convert device from sea wave energy into electri-
cal one on the bacic principle of floats is presented. Some main parameters of a divice are also presented.
The results showing that the use of this device is suitable for conditions in some Vietnam areas. The article 
also gives some results of calculations for the wave energy converter.
Keyswords: Energy conversion devices; electrical energy; wave energy.
Nhận ngày 10/5/2017, sửa xong 11/6/2017, chấp nhận đăng 23/6/2017 
Received: May 10, 2017; revised: June 11, 2017; accepted: June 23, 2017
1ThS, khoa Cơ khí xây dựng, Đại học Xây dựng. 
2TS, khoa Cơ khí xây dựng, Đại học Xây dựng.
* Tác giả chính. Email: nangxd@gmail.com.
1. Đặt vấn đề
Sóng hình thành là do gió thổi qua bề mặt đại dương. Ở nhiều nơi trên thế giới, gió thổi đều về cả 
thời gian và lực đã cung cấp các sóng liên tục dọc theo bờ biển. Các sóng đại dương có tiềm năng về năng 
lượng to lớn. Các thiết bị năng lượng sóng trích năng lượng từ chuyển động bề mặt của sóng biển hoặc từ 
các biến động áp suất dưới bề mặt. Trong khi tiềm năng tài nguyên gió thường được tính bằng Gigawatts 
(GW) thì tiềm năng nguồn sóng và thuỷ triều thường được tính bằng Terawatt-giờ/năm (TWh/năm) [1]. Đó 
là một tiềm năng to lớn, vì biết rằng chỉ cần 1 TWh/năm (1 Terawatt = 1012 W) năng lượng sẽ đủ cung cấp 
điện cho khoảng trung bình 93.850 hộ gia đình ở Mỹ mỗi năm. Mặc dù năng lượng sóng rất phong phú, 
nhưng nó không thể khai thác hết ở mọi nơi vì nhiều lý do khác nhau, như các hoạt động khác ở trên biển 
(vận chuyển, đánh bắt, thương mại, hoạt động hải quân) hoặc các mối quan tâm về môi trường ở các khu 
vực nhạy cảm. Vì vậy, điều quan trọng là phải xem xét có thể thu hồi được bao nhiêu tài nguyên trong một 
khu vực nhất định. Yoshio Masuda (Nhật Bản), có thể được coi là cha đẻ của công nghệ năng lượng sóng 
hiện đại, từ những năm 1940 ông đã phát triển một phao dẫn đường bằng năng lượng sóng, được trang bị 
một tuabin không khí, được đặt tên là cột nước dao động (OWC - Oscillating Water Column) [2]. 
Cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 đã gây ra một sự thay đổi lớn trong kịch bản các nguồn năng 
lượng tái tạo và làm tăng mối quan tâm về sản xuất năng lượng quy mô lớn từ các đợt sóng. Trong những 
năm tiếp theo, cho đến đầu những năm 90, hoạt động ở châu Âu vẫn chủ yếu ở cấp học thuật, thành công 
rõ ràng nhất là một nguyên mẫu OWC nhỏ (75 kW) được triển khai tại đảo Islay, Scotland (được giao nhiệm 
vụ vào năm 1991) [3]. Stephen Salter được coi là nhà tiên phong trong việc thử nghiệm mô hình các bộ 
chuyển đổi năng lượng sóng. Tình hình ở châu Âu đã thay đổi mạnh mẽ theo quyết định của Uỷ ban Châu 
Âu về việc đưa năng lượng sóng vào năm 1991 trong chương trình R & D của họ về năng lượng tái tạo. Năm 
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI 
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN ĐẶT VEN BỜ
199TẬP 11 SỐ 407 - 2017
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
2001, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đã thành lập một Hiệp định thực hiện Hệ thống Năng lượng Đại dương 
(IEA-OES, hiện nay với 19 nước là các bên ký kết) có nhiệm vụ tạo điều kiện và phối hợp nghiên cứu, phát 
triển và trình diễn năng lượng đại dương thông qua hợp tác quốc tế và trao đổi thông tin. Trong vài năm gần 
đây, sự quan tâm ngày càng tăng đối với năng lượng sóng đang diễn ra ở Bắc Mỹ (Mỹ và Canada), [4,5].
Ngày nay trên thế giới các thiết bị năng lượng sóng đang được phát triển và thử nghiệm rất đa dạng, 
và một loạt các công nghệ đã được đề xuất để biến đổi năng lượng từ sóng. Một số thiết kế hứa hẹn hơn 
đang được thử nghiệm ở quy mô thương mại. Có rất nhiều phương pháp biến đổi năng lượng sóng thành 
năng lượng điện như: Biến lực mặt sóng thành chuyển động tịnh tiến của rotor bên trong cuộn dây máy phát 
hoặc thành áp suất không khí làm quay cánh quạt hay tác động vào piston Từ đó các thiết bị chuyển đổi 
năng lượng sóng cũng có nhiều dạng và nguyên lý hoạt động khác nhau. Thiết bị chuyển đổi năng lượng 
sóng 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 tiến. 
Có hai dạng biến đổi thành năng lượng điện bao gồm dạng biến đổi trực tiếp và dạng biến đổi gián tiếp. Các 
công nghệ thu năng lượng sóng được thiết kế để lắp đặt ở các vị trí gần bờ, ngoài khơi và xa bờ. 
Các thiết bị gần bờ (Hình 1) có lợi thế là gần với mạng lưới điện, dễ bảo trì, điều kiện làm việc ít khắc 
nghiệt hơn, chi phí xây dựng thấp hơn. Một trong những nhược điểm của các thiết bị gắn trên bờ, vì nước 
cạn dẫn đến năng lượng sóng thấp (có thể được bù đắp một phần bởi các vị trí tập trung năng lượng tự 
nhiên [6]). Dải thủy triều cũng có thể là một vấn đề. Ngoài ra, theo bản chất của vị trí của chúng, thường có 
các yêu cầu về địa điểm, bao gồm hình học và địa chất bờ biển, và bảo vệ cảnh quan ven biển, vì vậy các 
thiết bị không thể được thiết kế cho sản xuất hàng loạt.
Các thiết bị xa bờ (Hình 2) được định 
nghĩa là các thiết bị ở mực nước tương đối 
nông (có chiều sâu ít hơn một bước sóng [7]). 
Các thiết bị ở vị trí này thường gắn liền với đáy 
biển, tạo ra một cơ sở cố định thích hợp để cơ 
thể dao động có thể hoạt động. Giống như các 
thiết bị gần bờ, điều bất lợi là nước nông dẫn 
đến các sóng có công suất giảm, hạn chế tiềm 
năng thu hoạch. Các thiết bị ngoài khơi (Hình 
3) nhìn chung ở vùng nước sâu nơi có 'một 
chiều sâu vượt quá 1/3 bước sóng' [9]. Ưu 
điểm của việc định vị một thiết bị chuyển đổi 
năng lượng sóng (WEC – Wave Energy Con-
verter) ở vùng nước sâu là nó có thể thu được 
lượng năng lượng lớn hơn do hàm lượng năng 
lượng cao hơn ở các sóng nước sâu [7]. Tuy 
nhiên, các thiết bị ngoài khơi khó xây dựng và 
duy trì hơn, do chiều cao và năng lượng sóng 
lớn hơn trong sóng, cần phải được thiết kế để 
tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt hơn, chi phí 
cho xây dựng lớn hơn. Mặc dù vậy, người ta 
lập luận rằng với những đợt sóng mạnh hơn, 
các thiết bị nổi trong vùng nước sâu cung cấp 
năng lượng hiệu quả hơn [8]. Từ những phân 
tích trên, bài báo đề xuất một mô hình thiết bị 
chuyển đổi năng lượng sóng đặt trên bờ (gần 
bờ) phù hợp với điều kiện công nghệ và kinh tế ở Việt Nam nhằm tận dụng nguồn năng lượng sóng ven bờ 
để sản xuất điện năng. Các thông số cơ bản của mô hình này cũng được tính toán cùng với đánh giá về 
tiềm năng năng lượng sóng biển ven bờ của một số vùng ở Việt Nam.
2. Mô hình nghiên cứu và tính toán các thông số cơ bản
2.1 Mô hình thiết bị thu năng lượng sóng gián tiếp đặt trên bờ 
Mô hình nghiên cứu một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng đặt trên bờ, thu năng lượng sóng 
tới sau đó chuyển hóa thành năng lượng dòng thủy lực đưa lên một bể chứa. Mục đích là có năng lượng 
Hình 1. Thiết bị đặt gần bờ [9]
Hình 2. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ
trực tiếp [9]
Hình 3. Thiết bị đặt ngoài khơi [9]
200 TẬP 11 SỐ 407 - 2017
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
dòng nước dưới dạng thế năng dẫn qua làm quay 
tuabin máy phát tạo ra điện (Hình 4). Năng lượng 
dao động của sóng biển được phao nổi 1 liên kết 
với cánh tay đòn 2 bằng liên kết khớp truyền chuyển 
động đến bơm piston - xi lanh 3. Nước được hút từ 
đường ống dẫn 4 qua bơm 3 lên theo đường ống 
dẫn 5 vào bể chứa 6. Nước từ bể 6 dẫn xuống qua 
đường ống 7 làm quay tuabin 8 tạo ra điện. Thiết bị 
được áp dụng tính toán với công suất của máy phát 
điện là 15 kW, thiết bị được đặt tại nơi có chiều sâu 
nước trước công trình là 2,5m; độ dốc bãi biển trước 
công trình 1:20; chu kỳ sóng 6s và thiết bị làm việc 
24h/24h.
2.2 Tính toán lưu lượng bơm, chọn tuabin
Lưu lượng nước được bơm lên bể chứa phải 
bằng hoặc lớn hơn lưu lượng nước cần thiết để làm 
quay tuabin. Để tận dụng tối đa hiệu quả của năng lượng sóng, bơm được chọn là loại tác dụng kép (chuyển 
động qua lại của piston đều có tác dụng hút và bơm nước nên tận dụng được tối đa quá trình thu năng lượng 
sóng dưới dạng thế năng). Lưu lượng trung bình của bơm trong 1 chu kỳ [11]:
, (m3) (1)
trong đó: S là hành trình của bơm (m); Dp là đường kính trong của piston (m); dp là đường kính cần piston 
(m). Số lần chuyển động của piston trong 1 giờ với chu kỳ sóng T: 
n = 3600/T, (lần/giờ) (2)
lưu lượng lý thuyết bơm lên trong 1 ngày: , (m3) (3)
Chiều cao chênh áp H (Chiều cao từ bể chứa đến tuabin) được lựa chọn theo Q
Σ
 và công suất phát 
điện dự kiến. Tuabin được chọn theo H [10]. Áp dụng tính toán, xác định được lưu lượng bơm Q
Σ
 ≈ 590m3, 
chiều cao chênh áp H = 15m, chọn loại tuabin phản kích nhỏ có đường kính bánh xe công tác D = 30cm và 
công suất phát điện 15kW.
2.3 Tính toán các thông số của phao nổi 
Phao nổi thu nhận năng lượng trên mặt sóng, nó sẽ chịu tác động của cả sóng dọc và sóng ngang. 
Trong nghiên cứu này chỉ tính toán cho phao chịu tác động của sóng dọc (sóng chính), dao động do sóng 
ngang gây ra được coi là nhỏ và ảnh hưởng được khắc phục bằng khớp cầu nối phao với tay cần. Phao 
nổi có rất nhiều dạng khác nhau nhưng dạng phao hình hộp chữ nhật cho hiệu suất cao nhất [11] và có cấu 
tạo đơn giản, dễ chế tạo, phù hợp với công nghệ ở Việt Nam được lựa chọn, tính toán (Hình 5). Chu kỳ dao 
động nhấp nhô tự nhiên Tz [12]:
 (4)
trong đó: ρ = 1030 kg/m3 là khối lượng riêng của 
nước biển; g là gia tốc trọng trường (kg.m/s2); mw là 
khối lượng phần nước biển tác động vào phần chìm 
của phao (Bảng 1); m là khối lượng nước biển bị 
thay thế: m = ρ.Vp, (m
3), với Vp là thể tích phần nước 
biển bị thay thế (m3); Awp là diện tích bề mặt tiếp xúc 
của phao.
Thể tích phần phao chìm trong nước:
Vp = L.B.d, (m
3) (5)
trong đó: L là chiều dài của phao hình hộp chữ nhật 
(m); B là chiều rộng của phao hình hộp chữ nhật (m); 
d là chiều cao phần chìm trong nước biển (m);
Hình 4. Mô hình thiết bị chuyển đổi
Hình 5. Phao hình hộp chữ nhật
201TẬP 11 SỐ 407 - 2017
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
Năng lượng của phao thu được [12]: 
, (N.m) (6)
trong đó: ω là vận tốc góc (rad/s); Zo là biên độ 
nhấp nhô (m). 
Tổng năng lượng được tạo ra ở vùng sóng 
đều với chiều cao sóng H [9]: 
, (N.m) (7)
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng sóng của 
mô hình phao: 
, (%) (8)
công suất trung bình từ dao động nhấp nhô 
trên một chu kỳ sóng của mô hình phao [12]:
( )2 /0 0 0
0
1 . . . . . . .1 sin
2 2 2
T
d
z
F Z g H B L ZP P dt e
T
π λω ρ λ π ω
π λ
−  = = = +  
 ∫ ,(kW) (9)
trong đó: Z0 là biên độ nhấp nhô của sóng (m); Fo là biên độ lực nhấp nhô (N); với dạng phao hình hộp chữ 
nhật: .
Giả thiết: Chiều cao sóng 
đều H = 1,2m; vùng nước cạn h = 
2,5m; phao có khối lượng mp = 275 
kg; thể tích phần chìm trong nước 
Vp = 0,4m
3; chiều cao phần chìm 
trong nước d = 0,2m; biên độ nhấp 
nhô Zo = 0,5m. Ta tiến hành khảo 
sát với các thông số cơ bản của 
phao như biên độ dao động Zo; tần 
số Tz; và biên độ lực nhấp nhô Fo 
phụ thuộc vào chiều cao phần chìm 
trong nước biển d. Tỷ lệ chiều dài 
của phao với chiều cao phần chìm 
trong nước biển L/d có ảnh hưởng 
đến công suất trung bình mà phao 
nhận được trong 1 chu kỳ sóng. Kết 
quả tính được thể hiện trên đồ thị 
Hình 6.
Kết quả khảo sát cho thầy tỷ lệ L/d càng tăng thì hiệu suất chuyển đổi và công suất trung bình thu 
được của mô hình phao nổi dạng hình hộp chữ nhật tăng lên, với L/d = 0.02 thì hiệu suất chỉ đạt khoảng 
2,5 % và công suất trung bình thu được chỉ khoảng 800 W, với L/d = 20 thì hiệu suất đạt khoảng 25 % và 
công suất trung bình thu được khoảng 16000 W. Do đó với cùng một kích thước hình học của phao, càng 
làm phao nổi thì hiệu suất chuyển đổi và công suất trung bình thu được càng tăng lên. Thông số cơ bản của 
phao nổi dạng hình hộp chữ nhật được cho trong Bảng 2.
Bảng 1. Bảng tra mw
Hình 6. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ nữa tỷ lệ L/d
với công suất và hiệu suất chuyển đổi của phao
dạng hình hộp chữ nhật
Bảng 2. Thông số cơ bản của phao hình hộp chữ nhật
Thông
số
mp
(kg)
Vp
(m3)
Tz
(s)
ω
(rad/s)
Ez
(N.m)
E
(N.m)
η
 P
(kW)
Hình hộp 
chữ nhật
 275 0,4 2,18 2,87 5052,15 19820,3 25,4 29,56
202 TẬP 11 SỐ 407 - 2017
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
3. Kết luận 
Từ phân tích về nhu cầu năng lượng của Việt Nam, đánh giá đặc điểm làm việc của một số loại thiết 
bị chuyển đổi năng lượng sóng biển trên thế giới cho thấy rằng việc nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng 
lượng sóng biển phù hợp cho vùng biển Việt Nam là vô cùng cần thiết. Nghiên cứu cũng đề xuất mô hình 
thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gián tiếp đặt trên bờ, phân tích - tính toán một số thông số cơ bản của 
phao thu năng lượng, tay cần... Sau đó áp dụng tính công suất trung bình năng lượng sóng cho các khu vực 
ven biển Việt Nam. Kết quả cho thấy thiết bị đề xuất phù hợp với công nghệ trong nước và có thể đáp ứng 
nhu cầu chuyển đổi năng lượng của các vùng có điều kiện khó khăn, ven biển, hải đảo, 
Tài liệu tham khảo
1. Panicker N.N. (1976), “Power resource potential of ocean surface waves”, In: Proceedings of the wave 
and salinity gradient workshop, Newark, Delaware, USA, J1-J48.
2. Masuda Y. (1986), “An experience of wave power generator through tests and improvement”, In: Evans 
DV, Falcao AFO, editors, Hydrodynamics of ocean wave energy utilization-iutam symposium Lisbon/Portu-
gal 1985, Berlin: Heidelberg:Springer-Verlag; 445-52.
3. Whittaker T.J.T., McIlwaine S.J., Raghunathan S. (1993), “A review of the Islay shoreline wave power 
station”, In: Proc First European Wave Energy Symp, Edinburgh; 283-6.
4. Bedard R., Previsic M., Hagerman G., Polagye B., Musial W., Klure J., et al. (2007), North American ocean 
energy status - March 2007, In: Proc 7th European Wave Tidal Energy Conf, Porto, Portugal.
5. Previsic M., Moreno A., Bedard R., Polagye B., Collar C., Lockard D., et al. (2009), “Hydrokinetic energy 
in the United States - resources, challenges and opportunities”. In: Proc 8th European Wave Tidal Energy 
Conf, Uppsala, Sweden, 76-84.
6. Sjöström P., Søresen H.C., Thorpe T. (2002), “Wave energy”, In: Europe: current status and perspectives. 
Renew. Sust. Energy Rev., 6(5):405-431.
7. Duckers L. (2004), “Wave energy”, In Renewable energy (Ed. G. Boyle), 2nd edition, Ch. 8 (Oxford Uni-
versity Press, Oxford, UK).
8. Korde U.A. (2000), “Control system applications in wave energy conversion”, In Proceedings of the 
OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, Providence, Rhode Island, USA, 3:11-14.
9. Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển (2009), Năng lượng sóng biển khu vực biển Đông và vùng biển 
Việt Nam, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.
10. Hoàng Đình Dũng, Hoàng Văn Tần, Vũ Hữu Hải, Nguyễn Thượng Bằng (2001), Máy thủy lực, NXB Xây 
dựng, Hà Nội.
11. Hoàng Đức Liên (2007), Giáo trình kỹ thuật thủy khí, NXB Nông nghiệp, Hà Nội.
12. Michael E.M. (2007), Ocean Wave Energy Conversion (copyright by Michael E. McCormick) IBSN - 10: 
0486462455.
13. Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Lê Vĩnh Cẩn, Đoàn Thị Vân (2014), “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi 
năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi”, Tạp chí KHCN Thủy lợi, (21):52-59.