Nghiên cứu thiết bịchuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện dạng phao nổi

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 52 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN 
THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN DẠNG PHAO NỔI 
ThS. Phùng Văn Ngọc 
Viện Khoa học thủy lợi Miền Trung và Tây nguyên 
GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS. Lê Vĩnh Cẩn 
Trường Đại học Bách khoa Hà nội 
ThS. Đoàn Thị Vân 
Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung ương 
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu th iết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành 
điện năng sử dụng nguyên lý phao nổi. Các kết quả phân tích và tính toán cho thấy tiềm năng 
của năng lượng sóng biển Việt Nam đặc biệt là khu vực từ Bình Thuận tới Cà Mau là rất lớn. 
Bài báo cũng đưa ra một số kết quả tính toán cho thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển áp dụng 
cho vùng có mức năng lượng lớn. 
Summary: This paper presents a study of wave energy converters devices wave energy to 
electrical energy floats form . Besides, studies, analyzes and calculations which converts wave 
energy. The research results show the potential of wave energy especially Vietnam Binh Thuan 
region from the Ca Mau. Giving som e calculation results for energy conversion devices waves 
are applied to the energy level high 
Keysword: wave energy converters devices; floats form; electrical energy; active and reactive 
power control; wave energy. 
I. MỞ ĐẦU1 
Việt Nam là một trong những nước có nguồn 
tài nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào và 
đa dạng bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng 
mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh 
học và địa nhiệt được phân bố từ Bắc tới 
Nam. Ngày nay, do nhu cầu sử dụng năng 
lượng đang ngày càng cao ở Việt Nam nên 
việc sớm khai thác các nguồn năng lượng đó là 
rấ t cần th iết không những có thể thay thế 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 3260km bờ biển, sóng biển trung bình 
cao 0,6m trong hơn 2/3 thời gian của năm. 
Theo sơ đồ phân bố, mật độ năng lượng sóng 
biển nước ta trung bình vào khoảng 15-20 
kW/m 2. Đây là nguồn năng lượng sạch, có 
tiềm năng rất lớn nhưng hiện tại ít được quan 
1 Người phản biện: GS.TS Lê Danh Liên 
Ngày nhận bài: 01/4/2014 
Ngày thông qua phản biện: 27 /5/2014 
Ngày duyệt đăng: 16 /6/2014 
tâm. Tính theo chiều dài bờ biển nước ta thì 
năng lượng từ sóng biển từ 45-60 MW trên 
mỗi đợt sóng [1]. Việc nghiên cứu thiết bị biến 
đổi năng lượng sóng có ý ngh ĩa vô cùng lớn 
mở ra một hướng mới nhằm giải quyết nhu cầu 
năng lượng chung của đất nước cũng như cho 
các khu vực và lĩnh vực hoạt động mà nguồn 
cung cấp năng lượng còn rất khó khăn (ven 
biển, hải đảo, các hoạt động trên biển) trong 
tương lai. 
Hình 1. Bản đồ năng lượng sóng biển Việt 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 53
Nam 
So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, 
năng lượng sóng biển có tiềm năng lớn, không 
ảnh hưởng nhiều đến cảnh quan môi trường, 
tuy nhiên, chưa được sử dụng nhiều. Năng 
lượng điện từ sóng biển đã được thử nghiệm 
nhiều năm qua nhưng hiệu quả chưa cao. Ngày 
nay, khi khoa học công nghệ phát triển và thế 
giới đang phải đối mặt với những hậu quả 
nghiêm trọng do biến đổi khí hậu gây ra thì 
việc nghiên cứu chuyển hóa năng lượng của 
sóng thành năng lượng điện là hướng đi ngày 
càng có triển vọng. 
II. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MỘT SỐ 
THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 
SÓNG BIỂN 
Năng lượng sóng biển là vô hạn tuy nhiên do 
dao động của từng con sóng nên 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. Trong khi đó, 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 nghiên cứu bộ biến đổi 
năng lượng sóng biển cần phải được thực hiện 
với các thông số kỹ thuật khác nhau để từ đó có 
thể lựa chọn các giải pháp phục vụ cho việc chế 
tạo các bộ biến đổi năng lượng sóng biển hoạt 
động tốt đáp ứng được các điều kiện thực tế của 
sóng biển. 
+ 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. 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 tạo ra 
nguồn điện ổn định và có khả năng điều chỉnh, 
có thể cung cấp điện cho các công trình xa bờ 
như: giàn khoan dầu, ngọn hải đăng, các đèn 
báo lưu thông trên biển. 
Hình 2.Cấu tạo của thiết bị Pelam is. [pelamiswave.com] 
+ Thiết bị dao động phao nổi: Kết cấu chính 
gồm: Rotor máy phát là nam châm vĩnh cửu 
được nối với phao nổi trên mặt biển bằng hệ 
khung thép thông qua 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 CÔNG NGHỆ 
 56 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 
Hình 3.Cấu tạo của thiết bị phao nổi .[mcclatchydc.com] 
III. TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG CHUYỂN 
ĐỔI CỦA MÔ HÌNH PHAO KHAI THÁC 
NĂNG LƯỢC SÓNG 
Thiết bị được đề cập đến trong phần này là một 
phao nổi thu nhận năng lượng trên mặt sóng. 
Với một mô hình phao thu năng lượng bất kỳ ta 
sẽ có được 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, đó là mô hình phao hình 
chữ nhật như hình 4 được giới hạn dao động 
con lắc theo phương thẳng đứng theo các 
khung thép định vị, 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. 
Hình 4.Cấu tạo của thiết bị phao nổi hình hộp 
chữ nhật. 
Trong đó có các thông số: 
L: Chiều dài của phao nổi (m) 
B: Bề rộng phao nổi (m) 
Z: Chiều cao phao nổi (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 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: [2] 
w
w
1 1
2
p
z
z
gA
f
T m m
Trong đó: 
Tz: Chu kỳ dao động nhấp nhô tự nhiên (s) 
ωz: Tần số góc của dao động (rad/s). : Khối lượng riêng của nước biển (kg/m3). 
g: Gia tốc trọng trường (m/s2). 
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. 
 Công thức tính biên độ nhấp nhô của mô hình 
phao tìm được như sau: [2] 
  
   
22
z
2
zwp0
)/1(
)tcos()gA/F(
Z 
)tcos(.Z z0    ( 3.1) 
Z0: Biên độ dao động nhấp nhô cực đại (m). 
 λ: Bước sóng (m). 
 F0: Biên độ lực dao động (N). 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 57
 ω: Tần số góc (rad/s). 
Vận tốc Vz (m/s) của dao động được xác định 
bằng công thức sau: 
)sin(0 zz tZdt
dzV  
(3.2)
Gia tốc az (m/s2) của dao động tính theo công 
thức: 
Z
)tcos(Z
td
zda
2
z0
2
2
2
z
 
   (3.3) 
Động năng và thế năng của mô hình được tính 
theo biểu thức sau: [2] 
)t(sinZ)mm(
2
1
dt
dz)mm(
2
1E
z
22
0
2
w
2
wkz
   
 (3.4) 
)t(sinZgA
2
1
zgA
2
1E
z
22
0wp
2
wppz
   
 (3.5) 
Năng lượng của quá trình dao động: 
E = Ekz + Epz. 
Ekz : Động năng toàn phần dao động của phao(KJ). 
Epz : Thế năng toàn phần dao động của phao (KJ). 
  202)(21 ZgAmmE wpw  (3.6) 
Công suất cơ học của mô hình phao sinh ra từ 
lực dao động nhấp nhô Fz được tính ở biểu 
thức sau: 
Fz được xác qua công thức 
Fz = F0cos(ωt). (3.7) 
 Với F0 là biên độ lực dao động. 
Vậy công suất Pz (KW) nhận được từ phao cân 
bằng dao động: 
 dt
dzFP zz 
(3.8)
Pz - Công suất thu được từ phao (KW).Công 
suất trung bình nhận được trong một chu kỳ T(s). 
2
1 00
0
ZFdtP
T
P
T
zz
 
(3.9)
zP
 Công suất trung bình (KW). 
Qua nghiên tính toán lý thuyết việc xác định 
kích thước của phao và tính chất sóng của từng 
khu vực là điều hết sức quan trọng. 
IV. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO VÙNG 
BIỂN VIỆT NAM 
Qua nghiên cứu thu thập những tài liệu về hải 
văn của trung tâm dự báo khí tượng thủy văn 
trung ương, chúng tôi tiến hành khảo sát sóng 
biển ở Việt Nam có bảng kết quả chiều cao 
sóng như sau. 
Bảng 1: Chiều cao của sóng dọc theo bờ biển Việt Nam 
 Tháng của 
năm 
Vùng biển 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
Số bản tin thu thập được 76 74 67 55 58 60 61 56 57 60 63 90 
Bắc vịnh Bắc Bộ 1,52 1,20 1,28 1,12 1,09 1,40 1,32 1,14 1,08 1,29 1,31 1,48 
Nam vịnh Bắc Bộ 1,65 1,31 1,38 1,19 1,13 1,35 1,33 1,15 1,15 1,40 1,35 1,66 
Quảng Trị đến Quảng Ngãi 1,99 1,43 1,48 1,12 0,96 1,31 1,26 1,08 1,09 1,65 1,30 1,92 
Bình Định đến Ninh Thuận 2,40 1,65 1,60 1,15 1,10 1,63 1,73 1,69 1,32 1,55 1,31 2,04 
Bình Thuận đến Cà Mau 2,63 2,00 1,70 1,15 1,40 2,09 2,11 2,41 1,90 1,44 1,42 2,21 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 58 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 
Khu vực có sóng mang năng lượng lớn và ổn đinh trong năm là khu vực từ Bình Thuận tới Cà 
Mau và có kết quả tính toán công suất như sau 
Bảng 2: Tính chọn các phương án chiều cao của phao tại vùng biển Bình Thuận tới Cà Mau 
Các phương 
án sử dụng 
phao khác 
nhau 
Đơn vị 
tính 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
Bình 
quân 
1. Phao cao 
trên 13m 
Công suất 
phát điện MW 438,6 295,2 220,2 94,7 155,0 315,3 318,7 381,6 272,8 162,1 157,6 339,6 
262,6 
Khả năng 
phát điện 
Triệu 
KWh 
326,3 198,4 163,8 68,2 115,3 227,0 237,1 283,9 196,4 120,6 113,5 252,6 191,9 
2, Phao cao 
3,5m 
Mức giảm 
công suất % 15,0 4,4 4,5 0,5 0,2 3,7 5,9 7,6 2,7 0,8 2,4 7,6 
4,6 
Công suất 
phát điện MW 372,4 282,1 210,2 94,2 154,7 303,8 299,8 352,6 265,5 160,8 153,8 313,9 
247,0 
Khả năng 
phát điện 
Triệu 
KWh 
277,3 189,6 156,4 67,8 115,1 218,7 223,0 262,3 191,1 119,7 110,7 233,6 180,4 
2. Phao cao 
3,5m 
Mức giảm 
công suất % 21,1 8,4 8,0 1,8 1,4 8,4 10,5 13,8 6,6 1,8 4,0 12,7 
8,2 
Công suất 
phát điện MW 316,7 269,6 200,7 93,7 154,4 292,7 282,0 325,7 258,3 159,6 150,1 290,2 
232,8 
Khả năng 
phát điện 
Triệu 
KWh 
235,6 181,2 149,3 67,5 114,9 210,7 209,8 242,3 186,0 118,7 108,0 215,9 170,0 
Với kết quả tính toán sóng cho khu vực từ 
Bình Thuận tới Cà Mau trên 1km2 trên mặt 
biển, ở vùng biển này, mức chênh lệch phát 
điện lớn nhất là giữa tháng 1 (tháng phát 
điện lớn nhất) và tháng 4 ( tháng phát điện ít 
nhất). 
Nếu chia công suất phát điện bình quân của 
tháng phát điện lớn nhất là tháng 1 cho công 
suất lắp máy thì ở vùng biển Bình Thuận đến 
Cà Mau tỷ lệ này là: Phương án 1: 75,30%, 
phương án 2: 63,99%. Chỉ khi nào độ cao 
sóng biển lớn hơn 3,15m thì công suất phát 
điện theo phương án 1 sẽ bắt đầu vượt công 
suất lắp máy. Chỉ khi nào độ cao sóng biển 
lớn hơn 3,32 m thì công suất phát điện theo 
phương án 2 mới bắt đầu vượt công suất lắp 
máy. 
Qua kết quả tính toán cho 1 km2 mặt biển ta 
thấy nguồn điện từ năng lượng sóng biển mỗi 
năm đã có thể cho tới hàng tỷ KWh. Bờ biển 
nước ta dài hơn 3.260 km, lãnh hải nước ta 
rộng hàng triệu km2. Nếu tận dụng những khu 
vực có năng lượng của sóng biển cao ở nước 
ta thì nguồn điện này sẽ vô cùng to lớn. 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 59
V. 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 cần thiết. Tác giả cũng đã đưa ra mô 
hình tính toán và áp dụng cho một số khu vực 
tại Việt Nam, tính thử và so sánh một số 
phương án trên khu vực 1km2. 
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 & công nghệ - 2011. 
[2]. Michael E.McCormick : Ocean Wave Energy Conversion ( Copyright by Michael 
E.McCorm ick). IBSN-10: 0-486-462445-5 -2007 
[3]. Holmén, E. : Report on Sim ulations of the Behaviour of Turbine Units and Storage Basin 
Level for Four Turbine Layouts", Veterankraft AB, Stockholm, 27.11.1999. 
[4]. Các số liệu được lấy từ Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung ương. Số 4 Đặng Thái 
Thân - Hà nội.