MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay,quá trình công nghiệp hóa đang phát triển rất nhanh dẫn đến nguy cơ thiếu hụt các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt.Không những thế, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong các nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và nó có ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người.Điều này đã và đang trở thành mối đe dọa hiện hữu đối với tất cả các quốc gia trên thế giới. Do vậy, việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng mới, tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay năng lượng sóng biển là điều tất yếu và phù hợp với nhu cầu phát triển bền vững của nhân loại. Nước ta là nước có bờ biển rất dài, khoảng hơn 3.200 km, và nhiều hải đảo, quanh đảo là biển. Vì vậy năng lượng của sóng biển ở ven bờ biển nước ta rất lớn. Khai thác năng lượng sóng có thể bổ xung một phần đáng kể vào nguồn năng lượng đang thiếu hụt của nước ta và phù hợp xu hướng sử dụng năng lượng sạch, tái tạo trên thế giới, đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc nghiên cứu phát triển máy phát điện tịnh tiến 5kW góp phần xây dựng,phát triển nguyên lý, cấu tạo cho các loại máy phát tịnh tiến sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Việc tính toán, thiết kế thành công máy phát điện dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng góp phần phát triển, khai thác, sử dụng nguồn năng lượng sóng phục vụ cho các nhu cầu hoạt động kinh tế xã hội trên biển và hải đảo.
Đối trượng và phương pháp nghiên cứu
Dựa trên nguyên lý của thiết bị máy phát điện chuyển động thẳng như của Boström và M.Ericksson [9,15], công trình đã xây dựng một mô hình cơ cấu máy phát điện chuyển động thẳng phù hợp với điều kiện sóng Việt Nam, sau đó mô hình hóa thiết bị dưới dạng đơn giản và lập chương trình tính toán, mô phỏng số cho hoạt động của thiết bị để tìm ra các thông số cấu tạo tối ưu. Phạm vi nghiên cứu của đồ án mới chỉ dừng lại ở việc xây dựng mô hình, mô phỏng tính toán khảo sát các đáp ứng đầu ra của máy phát điện tịnh tiến theo các thông số cấu tạo khi biết trước chuyển động tương đối của cuộn dây và nam châm của máy phát mà chưa nghiên cứu cho toàn bộ hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng (bao gồm cả phao nổi).
Nội dung nghiên cứu
Chương 1.Tổng quan về các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng.
Chương 2. Mô hình máy phát tịnh tiến dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng.
Chương 3.Tính toán mô phỏng và xác định thông số cấu tạo máy phát điện tịnh tiến 5kW.
Chương 4. Thiết kế các chi tiết lõi máy phát điện.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
1.1.Năng lượng sóng
Sóng biển là các sóng bề mặt xuất hiện tại tầng trên cùng của biển hay đại dương. Chúng thường được tạo ra do tác dụng của gió, nhưng đôi khi cũng do các hoạt động địa chấn, và có thể lan truyền hàng nghìn kilômét. Năng lượng sóng là năng lượng tái tạo tạo được lưu trữ trong chuyển động của sóng ở dạng động năng và thế năng.
1.2.Chuyển đổi năng lượng sóng
Để chuyển đổi năng lượng sóng biển, ta phải chuyển đổi thành dạng thế năng, động năng hiệu dụng rồi mới chuyển thành các dạng năng lượng khác theo mong muốn.
1.3.Những loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng
Có các dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng như gần bờ, ven bờ, hay ngoài khơi, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng.
1.3.1.Các hệ thống thiết bị ven bờ
Các thiết bị này thường là những công trình biển, xây cố định, tốn kém và dễ bị hư hại do tác động khắc nghiệt của môi trường biển. Các thiết bị này chuyển đổi năng lượng từ các sóng đứt quãng, không liên tục.
1.3.2.Các hệ thống thiết bị gần bờ
Các hệ thống thiết bị gần bờ thường có một bộ phận cố định với đáy biển và một bộ phận nhận dao động từ sóng, chuyển động tương đối giữa 2 bộ phận này sẽ được chuyển đổi thành cơ năng sau đó thành điện năng.
1.3.3.Các hệ thống thiết bị ngoài khơi
Các thiết bị thuộc nhóm này thường có mục đích khai thác nguồn năng lượng lớn từ các sóng lớn ở các vùng nước sâu.
1.4.Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dùng máy phát tịnh tiến
Hiện nay đã có nhiều thiết bị để đề xuất để thu năng lượng sóng biển, tuy nhiên chúng thường có bộ phận cơ học trung gian. Thiết bị năng lượng sóng tịnh tiến có nhiều ưu điểm hơn các thiết bị khác.
1.4.1.Nguyên lý chung của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng dùng máy phát tịnh tiến
Năng lượng sóng biển qua 1 bộ phận trung gian rồi tạo ra điện, qua bộ phân chuyển đổi để tạo ra dòng điện ổn định để sử dụng.
1.4.2.Lựa chọn nguyên lý, cấu tạo thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng để nghiên cứu, phát triển.
Cuộn dây chuyển động tịnh tiến trong khung nam châm để tạo ra điện.
CHƯƠNG 2.MÔ HÌNH MÁY PHÁT TỊNH TIẾN DÙNG CHO THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG 2.1.Nguyên lý của máy phát điện tịnh tiến
Máy phát điện tịnh tiến về cơ bản giống như một động cơ tịnh tiến và được sử dụng như một máy phát điện. Điều này sẽ giúp loại bỏ những cơ cấu trung gian phức tạp của chuyển đổi
chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay khi sử dụng máy phát điện quay.
2.2.Cấu tạo của máy phát tịnh tiến không dùng lõi thép
Máy phát điện tịnh tiến ở đây là máy phát nam châm vĩnh cửu không dùng lõi sắt trong các cuộn ứng.Cấu tạo của máy phát tịnh tiến cũng 2 phần tạm gọi “stato” và “roto” được đặt trong một ống trụ dài.
2.3. Các phương trình cơ bản mô tả hoạt động của máy phát Theo mô hình cơ cấu của máy phát và nguyên lý hoạt động của của máy phát thì công suất của máy phát phụ thuộc vào các thông số hình học và vật lý. Hệ các phương trình mô tả hoạt động của máy đã được thu nhận.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN TỊNH TIẾN 5KW 3.1. Tính phân bố từ trường trong không gian chuyển động của cuộn dây[1]
Theo kết quả phân bố từ trường ta nhận thấy, khi cho thêm lót sắt non làm kín mạch từ thì từ trường sẽ phân bố dày hơn và đều hơn ở khoảng giữa 2 mặt nam châm so với khi chưa lót sắt non. Khi đó, mật độ từ thông sẽ lớn hơn, tương ứng suất điện động sinh ra cũng sẽ lớn hơn.
3.2. Các thông số cấu tạo cơ bản của lõi máy phát
3.3. Mô phỏng tính toán công suất cho các mẫu máy phát thiết kế
Từ các phương trình của mô hình mô phỏng hoạt động của máy phát, đã thiết lập được chương trình tính trong Matlab để tính toán mô phỏng và tính toán các thông số cấu tạo cần thiết.
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT LÕI MÁY PHÁT ĐIỆN
4.1 Nam châm
Nam châm có tác dụng tạo ra từ trường cho máy phát điện, ở đây dùng nam châm vĩnh cửu. Nam châm có kích thước như bản vẽ tại phụ lục.
4.2 Lõi sắt
Lõi sắt có tác dụng dẫn từ trường cho nam châm, có kích thước như tại bản vẽ của phụ lục.
4.3 Thanh trong chứa nam châm
Dùng để chưa lõi sắt và nam châm rồi tạo thành khung nam châm trong.
4.4 Thanh ngoài chứa nam châm
Dùng để chứa nam châm và lõi sắt rồi tạo thành khung nam châm ngoài
4.5 Đế
Gồm hai đế trên và dưới để cố định khung dây và khung nam châm, định hướng cho khung dây chuyển động.
4.6 Vành ngăn cách cuộn dây
Dùng để ngăn cách các cuộn dây trên khung dây.
4.7 Khung cuốn dây
Có tác dụng làm khung để cuốn dây là phần ứng, và định hướng chuyển động trong lõi máy phát.
4.8 Trục định hướng chuyển động
Có tác dụng định hướng chuyển động của khung dây trong lõi máy phát.
4.9 Ổ bi trượt
Định hướng cho trục định hướng, làm chuyển động trơn tru.
KẾT LUẬN
Phát triển mô hình và tính toán mô phỏng máy phát điện 5kW dùng cho thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng là một quá trình tương đối phức tạp với nhiều giai đoạn, đòi hỏi tư duy khoa học, ngoài ra nó còn đòi hỏi sự kết hợp của nghiều ngành khác nhau, nhiều môn khoa học khác nhau. Mặc dù còn thiếu một số kiến thức nâng cao và kinh nghiệm thực tế, kiến thức lý thuyết, nhưng với sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn thì trong đồ án này, em đã đạt được những kết quả như sau:
Những kết quả đạt được
Tìm hiểu và nắm được tổng quan nguyên lý cơ bản chuyển đổi năng lượng sóng, nguyên lý hoạt động của máy phát điện nói chung, đặc biệt là máy phát điện theo mô hình chuyển động tịnh tiến dùng nam châm vĩnh cửu.
Xây dựng được mô hình cơ cấu máy phát điện chuyển động thẳng.
Sử dụng ở mức cơ bản các công cụ thiết kế, lắp ráp, mô phỏng của phần mềm thiết kế Siemens NX.
Học tập thêm được 1 số kỹ năng tính toán bằng phần mềm Matlab.
Những mặt hạn chế
Chưa tối ưu được kích thước, vật liệu và hiệu năng của lõi máy phát điện.
Tính thẩm mỹ còn chưa cao.
Tính bền vững và ổn định cơ học chưa được tính đến do còn hạn chế về thời gian và kiến thức.
Hướng phát triển
Tìm hiểu các nguyên liệu để làm khung cuốn dây nhẹ hơn, để giảm bớt đi năng lượng nâng khung cuốn dây lên xuống thẳng đứng.
