Nghiên cứu tổng quan năng lượng sóng biển và khả năng ứng dụng ở Việt Nam

Ông đã thử nghiệm những khái niệm khác nhau của các thiết bị năng lượng sóng trên biển, với hàng trăm đơn vị được sử dụng để chuyển hướng đèn điện.. Các phân tử nước biển tham gia vào ch

Đề tài tiểu luận cơ khí:

“Nghiên cứu tổng quan năng lượng sóng biển và khả năng

ứng dụng ở Việt Nam”

Lời nói đầu

Việt Nam là một nước có đường bờ biển dài hơn 3000km và hàng nghìn

đảo lớn nhỏ hiện đang có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi trong số đó chưa thể

đưa được mạng lưới điện đến được Vì vậy, sử dụng các nguồn năng lượng tại

chỗ như năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời để thay thế cho các dạng năng

lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một công việc rất có

ý nghĩa về mặt kinh tế

Với vai trò quan trọng như vậy, nhưng hiện nay việc sản xuất điện thủy triều và đưa vào sử dụng tại Việt Nam đang gặp rất nhiều khó khăn như: ngành khí tượng thủy văn chưa có số liệu đó bước sóng biển để làm cơ sở cho các nhà đầu tư khảo sát tiềm năng thủytriều cũng như đầu tư vào hệ thống sản xuât điện từ sóng biển, khả năng kinh tế còn gặp nhiều khó khăn

Trong hoàn cảnh hạn chế như vậy, Việt Nam đã có những chính sách cũng

như hành động như thế nào để giải quyết được vấn đề này hiện nay và trong tương

lai? Ý nghĩa và kết quả của những hành động đó sẽ ra sao?

Trong bài tiểu luận này, chúng em xin đưa ra một vài khái niệm làm rõ quan

điểm về nguồn năng lượng mới này, cũng như tạo ra một cái nhìn tổng thể về

những nguồn năng lượng xanh có sẵn hiện nay cần được đưa vào sử dụng Cũng

trong bài tiểu luận, chúng tôi xin đưa ra một số kiến nghị dưới góc độ khách quan

về chính sách và hành động trong tiến trình thực hiện áp dụng nguồn năng lượng

mới, năng lượng vô tận - Năng lượng Thủy triều, Sóng biển

Sau một thời gian học tập tại trường, với kiến thức đã học và sự học hỏi thêm của bản thân, sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của cô giáo Th.s Nguyễn Thị Hồng Cẩm, chúng em

đă hoàn thành những nội dung được giao Song, do kiến thức tích lũy và kiến thức thực tế còn chưa nhiều, nên trong quá trình nghiên cứu không tránh khỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong bộ môn để nội dung nghiên cứu của chúng em được hoàn thiện hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm nghiên cứu đề tài:

1 Nguyễn Văn Chiến

2 Phan Văn Tuyên

3 Nguyễn Văn Công MỤC LỤC

PHẦN I: GIỚI THIỆU 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Giới thiệu về năng lượng sóng biển 7

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu 7

1.3 Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu và mục đích nghiên cứu 8

PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 10

2.1 Cơ sở lý thuyết 10

2.2 Thiết bị khai thác năng lượng 13

2.2.1 Thiết bị Pelanmis 13

2.2.2 Hệ thống phao tiêu 15

2.2.3 Những khó khăn 18

2.3 Nghiên cứu năng lượng sóng dựa vào dòng chảy 18

2.3.1 Sóng điện tạo ra từ tuabin đứng 20

2.3.2 Hệ thống Mighty Whale 23

2.3.3 Tuabin khí 24

2.3.4 Nguồn năng lượng từ sự chênh lệch nhiệt độ nước biển 25

2.4 Đánh giá và hạn chế 25

2.4.1 Đánh giá 25

2.4.2 Hạn chế 26

2.5 Kết luận 26

PHẦN III: ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU 28

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 28

3.1.1 Đề xuất các ý tưởng mới trong việc khai thác năng lượng từ sóng biển 28

3.1.2 Xây dựng hệ thống bánh quay 28

3.1.4 Xây dựng hệ thống đê chắn sóng kềm theo phát điện 29

3.2 Tiềm năng năng lượng sóng biển ở Việt Nam 29

3.2.1 Tiềm năng năng lượng sóng khu vực quần đảo Trường Sa 30

PHẦN IV: KẾT LUẬN 34

Tài liệu tham khảo 35

PHẦN I: GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung

Năng lượng xanh là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả các nguồn năng lượngđược coi là thân thiện với môi trường và ít gây ô nhiễm [13]

Các dạng năng lượng xanh phổ biến :

Hình 1 Năng lượng mặt trời Hình 2 Năng lượng gió

1.2 Giới thiệu về năng lượng sóng biển

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu

Các bằng sáng chế đầu tiên để tận dụng năng lượng từ sóng biển ngày có từ năm

1799 và đã được nộp tại Paris bởi Girard và con trai của ông Từ 1855-1973 có 340 bằng sáng chế đã được nộp tại Vương quốc Anh Một ứng dụng ban đầu của làn sóng điện là một thiết bị xây dựng vào khoảng năm 1910 bởi Bochaux-Praceique cho đèn và điện năng cho nhà của ông ở Royan, gần Bordeaux ở Pháp Nó chứng tỏ rằng đây là lần đầu tiên nướcOscillating Cột loại thiết bị năng lượng sóng Từ 1855-1973 có 340 bằng sáng chế đã đượcnộp riêng rẽ tại Vương quốc Anh [1]

Khoa học hiện đại đã theo đuổi năng lượng sóng tuy nhiên tiên phong là thí nghiệm của Yoshio Masuda trong thập niên 1940 Ông đã thử nghiệm những khái niệm khác nhau của các thiết bị năng lượng sóng trên biển, với hàng trăm đơn vị được sử dụng để chuyển hướng đèn điện Trong số này đã có khái niệm chiết điện từ các chuyển động góc tại khớp của một mảng khớp nối, được đề xuất bởi Masuda trong năm 1950 [1]

Quan tâm về năng lượng sóng được thúc đẩy bởi các cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 Một số nhà nghiên cứu trường đại học đã kiểm tra chéo tiềm năng tạo ra điện từsóng biển, trong đó đáng chú ý là Stephen Salter từ Đại học Edinburgh, Kjell Budal và Johannes Falnes từ Viện Công nghệ Na Uy (nay sáp nhập vào Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy), Michael E McCormick từ Học viện Hải quân Hoa Kỳ, David Evans từ Đại học Bristol, Michael Pháp từ Đại học Lancaster, John Newman và Chiang C.Mei từ

MIT [1]

Trong những năm 1980, khi giá dầu đi xuống, làn sóng tài trợ năng lượng từ sóng đãgiảm mạnh Tuy nhiên, một vài nguyên mẫu đầu tiên của thế hệ đã được thử nghiệm trên biển Gần đây, từ sau vấn đề biến đổi khí hậu, đó lại là một thế giới quan tâm phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm các sóng năng lượng [1]

1.2.2 Giới thiệu về lĩnh vực nghiên cứu

Sóng biển là hiện tượng diễn ra ở lớp nước gần mặt biển Sóng thường hình thành dogió và những hiệu ứng địa chất, và có thể di chuyển hàng nghìn kilomet trước khi đến đấtliền Kích cỡ sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn sóng thần cực lớn.Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chút chuyển động theophương ngang [1]

Sóng biển là các sóng bề mặt xuất hiện tại tầng trên cùng của biển hay đại dương Chúngthường được tạo ra do tác dụng của gió, nhưng đôi khi cũng do các hoạt động địa chấn, và cóthể lan truyền hàng nghìn kilômét Độ cao của sóng có thể chỉ nhỏ cỡ chục xentimét nhưngcũng có thể lớn tới cỡ sóng thần Các phân tử nước biển tham gia vào chuyển động sóng chỉxoay vòng tại chỗ và có ít chuyển động tịnh tiến theo hướng lan truyền của sóng tuy rằng mộtlượng năng lượng lớn có thể được lan truyền [3]

1.3 Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu và mục đích nghiên cứu

Nguồn năng lượng biển, nhất là nguồn năng lượng tái tạo là vô giá, vừa thân thiện

với môi trường vừa rẻ Tuy vậy, để sử dụng nó, chúng ta cần có một dự án cấp Nhà nước,nghiên cứu, khảo sát, nhằm cung cấp những số liệu chi tiết để các nhà đầu tư xây dựng vàkhai thác nguồn tài nguyên biển

Công nghệ khai thác năng lượng sóng biển, nhằm góp phần hạn chế tối đa sự phátthải khí CO2 vào môi trường sống Nhiều quốc gia đã có nhà máy điện dùng năng lượngsóng biển Việc này có thể áp dụng tốt ở vùng biển nước ta, theo số liệu khảo sát của ViệnNăng lượng, Viện Khoa hoc, công nghệ Việt Nam

Xây dựng những nhà máy thủy điện dựa theo nguồn năng lượng song biển là gópphần tích cực giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, đồng thời tạo nên nguồn nănglượng mới khi mà than đá và dầu khí ngày một cạn kiệt, và nguồn năng lượng sinh học,làm ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực

Nước ta có trên 3.000 km bờ biển quanh năm sóng vỗ Nếu tận thu được nguồn nănglượng dồi dào từ sóng biển sẽ đem lại hiệu quả kinh tế không nhỏ Năng lượng sóng biểncòn dồi dào hơn năng lượng gió vì gió thì có lúc lặng nhưng sóng biển thì không lúc nàongưng.[2-3]

Mục đích :

- Cung cấp nguồn năng lượng sạch góp phần giải quyết các vấn đề năng lượngtoàn cầu hiện nay như ô nhiễm môi trường do sử dụng năng lương hóa thạch, năng lượnghóa thạch đang cạn kiệt

- Nhằm góp phần hạn chế tối đa sự phát thải khí CO2 vào môi trường sống

- Khắc phục được tình trạng thiếu điện đã trở thành trở ngại lớn trong việc phát

triển kinh tế văn hóa,xã hội

PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Hình 8 Chuyển động của hạt trong một làn sóng biển

A: Ở nước sâu, quỹ đạo chuyển động của các hạt chất lỏng giảm nhanh chóng so với

độ sâu

B: Ở nước nông (đáy đại dương bây giờ ở B) Chuyển động Elip của các hạt chất

lỏng bị bóp dẹp giảm theo độ sâu

1: Tuyên truyền hướng

2: Đỉnh ngọn sóng

3: Khoảng giữa hai làn sóng

Sóng được tạo ra bởi gió đi qua trên bề mặt của biển Miễn là các sóng truyền chậm hơn so với tốc độ gió ngay trên sóng, có một chuyển giao năng lượng từ gió với sóng Cả hai áp suất không khí khác biệt giữa gió ngược và bên hông mạn dưới của đỉnh sóng, cũng như ma sát trên bề mặt nước bằng gió cắt xuống gây ra sự tăng trưởng của sóng

Chiều cao sóng được xác định bởi tốc độ gió, thời gian gió thổi, lấy (khoảng cách trên mà gió kích thích các sóng) và độ sâu và địa hình của đáy biển (mà có thể tập trung hay phân tán năng lượng của sóng ) Tốc độ gió có một giới hạn phù hợp với thực tế mà thời gian hoặc khoảng cách sẽ không sản xuất ra sóng lớn hơn Khi giới hạn này đã đạt tới giới hạn sẽ được gọi là "phát triển đầy đủ"

Nói chung, sóng lớn hơn có nhiều năng lượng hơn nhưng năng lượng sóng cũng được xác định bởi tốc độ sóng, bước sóng, và mật độ nước

Dao động chuyển động cao nhất ở bề mặt và giảm theo cấp số nhân với chiều sâu Tuy nhiên, cho sóng đứng (Vòng nước) gần một bờ biển phản ánh, làn sóng năng lượng cũng dao động áp suất ở độ sâu lớn, sản xuất [dao động nhỏ và dài liên tục của mặt đất] Những biến động áp lực ở độ sâu hơn là quá nhỏ để được chú ý từ các điểm của năng lượng sóng

Việc truyền sóng trên bề mặt đại dương, và năng lượng sóng cũng được vận chuyển theo chiều ngang với vận tốc nhóm Tỷ lệ giao thông trung bình của năng lượng sóng thông qua một đường bằng thẳng đứng của 1 đơn vị chiều rộng, song song với một đỉnh sóng, được gọi là năng lượng sóng thông (hoặc sóng điện, không thể nhầm lẫn với năng lượng thực sự tạo ra bởi một thiết bị năng lượng sóng) [1-3]

 Công thức năng lượng sóng

Trong nước sâu, nơi độ sâu của nước lớn hơn một nửa bước sóng, các thông lượng năng lượng sóng là :

Trong đó :

• P thông lượng năng lượng sóng trên đơn vị chiều dài đỉnh sóng (kW/m);

• H m0 là chiều cao sóng đáng kể (mét), được đo bằng phao sóng và dự đoán của các mô hình dự báo sóng Theo định nghĩa, H m0 là bốn lần so với độ lệch chuẩn của độ cao mặt nước

• Te là thời kỳ năng lượng (thứ hai);

• ρ là mật độ khối lượng của nước (kg / m 3)

Ta được 36 kilowat điện tiềm năng cho mỗi mét bờ biển

Trong cơn bão lớn, sóng lớn nhất ngoài khơi cao khoảng 15 mét và có chu kỳ khoảng 15 giây Theo công thức trên, sóng như vậy mang về 1,7 MW / m năng lượng trên mỗi mét của mặt sóng

Một làn sóng thiết bị năng lượng hiệu quả thu càng nhiều càng tốt các thông lượng sóng điện Kết quả là các sóng sẽ có chiều cao thấp hơn ở khu vực phía sau các thiết bị năng lượng sóng [2]

 Năng lượng sóng và thông lượng năng lượng sóng

Trong nước biển, với mật độ năng lượng trung bình cho mỗi đơn vị diện tích của sóngtrọng lực trên mặt nước tỷ lệ thuận với bình phương chiều cao sóng, theo lý thuyết sóng

tuyến tính:

Trong đó E là làn sóng mật độ năng lượng trên một đơn vị diện tích ngang (J / m 2), tổng diện tích ngang động lực và mật độ năng lượng tiềm năng trên một đơn vị Mật độ năng lượng tiềm năng bằng với động năng, cả hai đóng góp một nửa mật độ sóng năng lượng E, như có thể mong đợi từ các định lý equipartition Trong sóng biển, sức căng bề mặt tác dụng không đáng kể cho bước sóng trên một phần 10m

Khi sóng lan truyền, năng lượng của nó được vận chuyển Các vận tốc vận chuyển năng lượng là vận tốc nhóm Kết quả là, các thông lượng năng lượng sóng, thông qua một

bề mặt thẳng đứng của đơn vị chiều rộng vuông góc với hướng truyền sóng, bằng với :

P = E cg

cg với vận tốc nhóm (m / s) Do có mối quan hệ phân tán cho sóng nước dưới tác động của trọng lực, vận tốc nhóm phụ thuộc vào λ bước sóng, hoặc tương đương, trên T chu kỳ sóng Hơn nữa, các mối quan hệ phân tán là một hàm số của độ sâu h Kết quả là, vận tốc nhóm cư xử một cách khác nhau trong các giới hạn của nước sâu và nông, và ở độ sâu trung gian [5]

 Đặc điểm và cơ hội nơi nước sâu

Nước sâu tương ứng với độ sâu nước lớn hơn một nửa bước sóng, đó là tình hình chung trên biển và đại dương Trong nước sâu, chu kỳ dài hơn thì sóng truyền nhanh hơn

và vận chuyển năng lượng nhanh hơn Vận tốc nhóm nước sâu bằng một nửa vận tốc pha Trong nước cạn, cho bước sóng lớn hơn hai mươi lần độ sâu nước, tìm được khá thường xuyên ở gần bờ biển, vận tốc nhóm bằng với vận tốc pha

Các đều đặn của biển nước sâu nở ra, trong đó "dễ dự đoán dài bước sóng dao động" thường được thấy, cung cấp cơ hội cho sự phát triển của công nghệ khai thác năng lượng

mà ít có khả năng bị thiệt hại vật chất do gần các đỉnh sóng.[4]

2.2 Thiết bị khai thác năng lượng

với nhau, làm cho turbin hoạt động liên tục Dòng điện được truyền qua giây cáp ngầmdưới đáy đại dương dẫn vào bờ, nối với lưới điện, cung cấp cho hộ sử dụng Nếu xây dựngnhà máy điện có công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2.[6]

Phạm vi ứng dụng :

Pelamis neo ở độ sâu chừng 50–70m; cách bờ dưới 10km, là nơi có mức năng lượng caotrong các con sóng Và Pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul có hệthống máy phát thủy lực - điện đồng bộ Mỗi thiết bị pelamis có thể cho công suất 750kW,

nó có chiều dài 140-150m, có đường kính ống 3-3,5m

Tại Bồ Đào Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis có côngsuất 2,25MW Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3MW, vớigiá thành 4 triệu bảng [6]

xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuyển động, tạo ra dòng điện Điện dẫn qua hệ thốngcáp ngầm đưa lên bờ, hòa vào lưới điện

Bơm ống là ống cao su cốt thép, nó hoạt động như cái bơm bình thường, khi sóngnén, nước biển phọt mạnh về phía sau, có chứa một bộ cao áp, làm quay turbin, điện thuđược, dẫn qua cáp ngầm vào bờ để hòa chung vào lưới điện

Ngoài ra trên các Aqua BuOY, đặt các tấm pin mặt trời; turbin gió nhỏ nhằm tạo ranguồn điện năng cho các thiết bị chuẩn đoán gắn trong Aqua BuOY Tất cả dữ liệu về thiết

bị đều được truyền bằng công nghệ không dây, vệ tinh về khu vực điều hành [6]

Phạm vi ứng dụng :

Hệ thống Aqua BuOY thường lắp đặt cách bờ chừng 5km ở nơi biển có độ sâu50m Mỗi phao tiêu có thể đạt công suất tới 250kW, với đường kính phao 6m Nếu trạmphát điện có công suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển

Năm 2006, dự án 800 kW, ở Makar Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình

Dự án 2MW tại Figuera da Foz, Bồ Đào Nha và dự án 2MW ở miền Nam California

- Mỹ [6]

Hình 12 Hệ thống phao tiêu chìm AWS

Ở Công ty AWS Ocean Eneny, Scotland người ta phát minh ra hệ thống máy phátđiện mới nhằm biến chuyển động sóng thành điện năng Khác với những hệ thống đang tồntại Đó là hệ thống phao tiêu nằm chìm dưới mặt nước, nên không bị ảnh hưởng bởi điềukiện khí hậu trên mặt biển Hệ thống phao tiêu ngầm giống như những quả ngư lôi dướimặt nước biển chừng 50 mét mà vẫn tạo ra điện năng nhờ sóng biển Họ đã thành côngnăm 2008 [13]

Nguyên lý hoạt động :

Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 mét, rộng 10 mét chứa khí nén bêntrong khiến phao không chìm, nửa trên chỉ chuyển động theo chiều thẳng đứng Khi sónglướt qua, sự tăng khối lượng nước làm gia tăng áp suất cột nước và phần bên trên hệ thống

bị đẩy xuống dưới Giữa hai đợt sóng, cột nước hạ xuống, áp suất hạ theo làm nổi lên phầntrên của hệ thống Chuyển động bơm biến thành điện năng Điện được chuyển tải qua cáp

Phạm vi ứng dụng :

Các hệ thống nổi trên mặt biển dễ bị các trận bão tàn phá, thì hệ thống chìm của AWS(Aschimedes Wave Swing) đã chế tạo bằng vật liệu sử dụng như dàn khai thác dầu mỏngoài khơi, được đặt ở độ sâu yên tĩnh Hệ thống tạo ra năng lượng nhờ sóng biển từ xa,qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nước [13]

Công nghệ Anaconda được mô tả như sau: Một ống cao su dài khoảng 200 mét, hai đầu bịt kín, bên trong chứa đầy nước Được neo ngay dưới bề mặt nước biển, một đầu hứng lấy các đợt sóng Sóng đập vào một đầu của thiết bị tạo sức ép hình thành nên “sóng phình” (do áp lực chất lỏng do động lên xuống bởi sóng, trong mỗi ống) bên trong ống.Khi

có sóng phình chạy qua ống, đợt sóng biển tạo ra nó chạy dọc phần ngoài của ống cùng một tốc độ, tạo thêm sức ép lên ống, khiến sóng phình ngày càng lớn hơn Liền đó sóng phình làm quay turbin nằm ở đầu còn lại của ống cao su Năng lượng (điện) được tạo ra thì chuyển lên bờ qua cáp ngầm

Ống cao su, rất nhẹ, không cần khớp nối, không, chi phí bảo trì, hỏng hóc gần bằng

không [13]

2.2.3 Những khó khăn

Các mô hình này có kết cấu khá phức tạp, bộ chuyển đổi khó chế tạo

Khích thước kồng kềnh , giá thành cao

Thiết bị cần nắm bắt hợp lý năng lượng sóng trong sóng bất thường, trong một phạm

vi biển rộng lớn

Có sự biến động rất lớn của năng lượng trong các đợt sóng Năng lực hấp thụ caođiểm cần phải được nhiều hơn (hơn 10 lần) năng lượng trung bình Đối với điện gió tỷ lệthường là lớn hơn 4 lần

Thiết bị này phải có hiệu quả chuyển đổi sự chuyển động của sóng thành điện năng.Nói chung, sóng điện có sẵn ở tốc độ thấp, ảnh hưởng cao, và chuyển động của sự ảnhhưởng không phải là một hướng duy nhất Hầu hết các máy phát điện dễ dàng hoạt động ởtốc độ cao hơn, và dễ dàng nhất là tua bin chỉ yêu cầu có 1 một dòng chảy liên tục ổn định.[13]

2.3 Nghiên cứu năng lượng sóng dựa vào dòng chảy

Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởngcủa mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó)

Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày

Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất-lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng) xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ

Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất vàmặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời) [17]