CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG

CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Chuyên đề:

CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG

SVTH: NGUYỄN TRUNG HIẾU MSSV: 07202017 GVHD: TS VÕ VIẾT CƯỜNG

MỤC LỤC

Chương 1: Giới thiệu Trang 01

1.1 Đặt vấn đề

1.2 Lý do chọn đề tài Trang 02 1.3 Mục tiêu đề tài

1.4 Giới hạn đề tài Trang 03 1.5 Nội dung đồ án

Chương 2: Tổng quan về năng lượng tái tạo Trang 04 2.1 Khái niệm năng lượng tái tạo

2.2 Các dạng của năng lượng tái tạo

2.2.1 Năng lượng mặt trời Trang 05 2.2.2 Năng lượng gió

2.2.3 Năng lượng thủy điện

2.2.4 Năng lượng sóng

2.2.5 Năng lượng thủy triều

2.2.6 Năng lượng địa nhiệt Trang 06 2.2.7 Pin nhiên liệu

2.2.8 Năng lượng sinh khối

2.3 Tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo

2.4 Kết luận Trang 08 Chương 3: Năng lượng sóng và các phương pháp biến đổi Trang 09 3.1 Giới thiệu năng lượng sóng đại dương

3.2 Sự hình thành sóng đại dương Trang 10 3.3 Năng lượng ở các vùng hình thành sóng Trang 11

3.3.1 Vùng sóng gợn 3.3.2 Vùng gia tăng chiều cao sóng

3.3.3 Vùng sóng vỗ Trang 12

3.4 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng 3.4.1 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ 3.4.1.1 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ trực tiếp

3.4.1.2 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ gián tiếp Trang 14 3.4.2 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ Trang 16

Chương 4: Tính toán các thông số của sóng Trang 19

4.1 Định nghĩa mực nước của đại dương 4.2 Thông số đặc tính của sóng đại dương

4.3 Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng đại dương Trang 20

4.3.1 Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập được

4.3.1.1 Tính toán năng lượng của sóng đều Trang 21 4.3.1.2 Tính toán năng lượng của sóng không đều (sóng vỗ gần bờ) Trang 23

4.3.2 Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng dựa vào thông số của gió

biển Trang 25

Chương 5: Tính toán và thiết kế mô hình khai thác năng lượng sóng Trang 29

5.1 Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình phao khai thác năng lượng trên mặt sóng 5.2 Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình tấm chắn sóng khai thác năng

lượng sóng tới Trang 38

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trang 44

6.1 Kết luận

6.2 Hướng phát triển

Chương 1:

GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề:

Năng lượng là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội Trong nhiều thập kỷ qua việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với phát triển kinh tế và hơn nữa năng lượng có tính quyết định đối với hệ thống chính trị, hoà bình hay sự phát triển bền vững của các quốc gia

Nói năng lượng là nói đến năng lượng hóa thạch như than đá và đặc biệt là dầu và các sản phẩm từ mỏ dầu Cho đến nay, phần lớn các nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch là loại năng lượng dưới dạng tài nguyên, được khai thác lên và sử dụng

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp trên thế giới đang không ngừng phát triển và ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của các quốc gia trên thế giới Nguồn năng lượng chính để phát triển nền công nghiệp hiện nay chính là năng lượng điện, không một nền công nghiệp nào có thể phát triển mà không có điện Hầu hết các dạng năng lượng tự nhiên được khai thác là nhằm mục đích biến đổi thành năng lượng điện để cung cấp cho nhu cầu và sự phát triển của xã hội hiện nay Khi các dạng năng lượng hóa thạch như: dầu mỏ, than đá,… bắt đầu cạn kiệt thì những nghiên cứu về các dạng năng lượng mới nhằm thay thế năng lượng khoáng sản để tạo ra năng lượng điện trở nên cấp bách Từ đó các dạng năng lượng tự nhiên có thể tái tạo gọi tắt là

“năng lượng tái tạo” được nghiên cứu và đưa vào sản xuất điện năng

Vấn đề đặt ra ở đây chính là giá thành chuyển đổi năng lượng điện từ năng lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng khoáng thạch Vì vậy, phần lớn các nhà đầu tư, các doanh nghiệp đều cho rằng chi phí đầu tư vào sản xuất điện từ năng lượng tái tạo khá cao khó cạnh tranh với điện truyền thống như nhiệt điện và thủy điện hiện nay Tuy nhiên, dưới cái nhìn của môi trường bền vững thì sản xuất điện từ năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm lớn đến môi trường sống tự nhiên và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cho nên nhiều kinh phí để khắc phục ô nhiễm Từ đó cho thấy việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị khai thác các dạng năng lượng tái tạo với công suất lớn và hiệu quả kinh tế cao là mục đích chung của các quốc gia trên thế giới

Như vậy, cùng với sự cạn kiệt và khủng hoảng của năng lượng khoáng sản trên thế giới, cùng với vấn đề cấp bách về ô nhiễm môi trường dẫn đến thiên tai, hiệu ứng nhà kính làm tăng nguy cơ hủy diệt môi trường sống của con người, cho ta thấy được tầm quan trọng của năng lượng tái tạo trong sự phát triển bền vững trên toàn thế giới hiện nay

1.2 Lý do chọn đề tài:

Khi được giáo viên hướng dẫn thực hiện đề tài TS Võ Viết Cường đề cập về vấn

đề nghiên cứu các dạng năng lượng tái tạo nhằm ứng dụng tại Việt Nam Tôi đã tìm hiểu

và thấy các nhà nghiên cứu đã cho rằng: nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần và có thể hết trước thế giới vài chục năm (Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn, Dầu còn 2,3

tỷ tấn…) Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12%-20% năng lượng để có thể duy trì nền kinh tế, đến năm 2050 lên đến 50%-60%, chưa kể điện hạt nhân Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nguồn nước cung cấp cho thủy điện của nước ta hiện đang dần cạn kiệt, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Còn chi phí sản xuất nhiệt điện quá cao và tùy thuộc vào tình hình năng lượng khoáng sản Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án

Vì vậy cho thấy vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam là một vấn đề vô cùng cấp bách và đã và đang được thực hiện tại Việt Nam, ví dụ điển hình chính là việc khai thác năng lượng mặt trời và năng lượng gió Nhưng việc khai thác năng lượng tái tạo vẫn còn chưa triệt để và chưa được quan tâm đúng mức Đặc biệt là Việt Nam có bờ biển dài với hàng ngàn hòn đảo lớn nhỏ nên có thể nói nguồn năng lượng từ sóng biển rất lớn, đặc biệt là ở miền Trung và các đảo, quần đảo Các chuyên gia đã tính toán, với điều kiện sóng, gió, địa lý như ở Việt Nam thì năng lượng tạo ra từ sóng biển được xếp vào loại lớn trên thế giới Vì vậy, việc ứng dụng các công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển tại nước ta sẽ mang lại hiệu quả rất cao

Từ những tìm hiểu trên tôi đã chọn đề tài “ Chuyển Đổi Năng Lượng Sóng Đại Dương ” với mục đích tìm hiểu thêm về lĩnh vực khai thác năng lượng tái tạo và hy vọng đóng góp một phần nhỏ công sức vào việc phát triển dạng năng lượng sóng đại dương có tiềm năng rất lớn ở nước ta

1.3 Mục tiêu của đề tài:

Đề tài được thực hiện với mục tiêu tìm hiểu nghiên cứu về sóng và năng lượng sóng, sau đó trên cơ sở tìm hiểu tính toán thiết lập bản vẽ thiết kế và thông số cho các dạng biến đổi năng lượng sóng Phân tích tính khả thi, vấn đề kỹ thuật, kinh tế và ảnh hưởng đến môi trường biển nhằm ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam Mang lại hiệu quả kinh tế cao và giải quyết bài toán năng lượng tại nước ta

1.4 Giới hạn đề tài:

Vì thời gian thực hiện và chi phí nghiên cứu còn hạn chế nên phần lý thuyết trong

đề chỉ đưa ra định nghĩa về năng lượng tái tạo, năng lượng sóng và các phương pháp biến đổi năng lượng sóng Trong phần thực hành giới hạn trong phạm vi tính toán các

thông số của sóng, năng lượng sinh ra từ các dạng sóng biển dựa vào các số liệu thực tiễn hoặc từ số liệu gió ở vùng biển tương ứng Từ các thông số tính toán được áp dụng vào tính toán cho 2 mô hình khai thác năng lượng sóng cơ bản nhất, làm tiền đề cho việc phát triển các mô hình khai thác năng lượng sóng lớn và hiện đại như ngày nay Sau cùng và phần kết luận và nhận xét về hướng phát triển của đề tài trong thực tiễn tại các vùng biển ở Việt Nam hoặc bất kỳ vùng biển nào trên thế giới

1.5 Nội dung đồ án:

Chương 1: GIỚI THIỆU

Nêu lên tính cần thiết của đề tài trong thực tiễn từ đó đưa ra lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài hướng đến và trình bày giới hạn của phạm vi nghiên cứu

Phần lý thuyết:

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Giới thiệu tổng quan về năng lượng tái tạo và tầm quan trọng của chúng trong nghành công nghiệp năng lượng cũng như môi trường sống của chúng ta hiện nay, trên

cơ sở đó phân tích tiềm năng và triển vọng của năng lượng tái tạo

Chương 3: NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

BIẾN ĐỔI Đưa ra lý thuyết tổng quan về sóng và năng lượng từ sóng đại dương, đồng thời trình bày các phương pháp biến đổi năng lượng sóng thành các dạng năng lượng có ích đặc biệt là năng lượng điện

Phần ứng dụng:

Chương 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CỦA SÓNG

Trình bày các biểu thức tính toán các thông số của sóng biển dựa trên 2 phương pháp chính là: phương pháp thứ nhất từ những số liệu thực nghiệm về từ các vùng biển

từ đó tính toán năng lượng được tạo ra; phương pháp thứ hai là từ các thông số gió áp dụng vào các biểu thức tính toán được năng lượng sóng

Chương 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHAI THÁC NĂNG

LƯỢNG SÓNG

Nêu ra tính toán và thiết kế cho các dạng mô hình biến đổi năng lượng sóng Phân tích về tính khả thi, vấn đề kỹ thuật – kinh tế và ảnh hưởng đến môi trường biển của các loại mô hình nêu trên

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận về đề tài và đưa ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Phần lý thuyết:

Chương 2:

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 2.1 Khái niệm năng lượng tái tạo:

Năng lượng tái tạo (Renewable Energy): là các dạng năng lượng xanh có sẵn trong

tự nhiên với đặc điểm là:

- Không bị tiêu hao hoặc ảnh hưởng trong quá trình ta khai thác như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng và thủy triều…

- Có thể tái tạo lại với tốc độ bằng với tốc độ ta khai thác như năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh khối

2.2 Các dạng của năng lượng tái tạo:

Năng lượng tái tạo tồn tại trong tự nhiên với các dạng năng lượng: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, năng lượng nhiệt, năng lượng sóng và thủy triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng pin nhiên liệu và năng lượng sinh khối

Hình 2.1: Các dạng năng lượng tái tạo

2.2.1 Năng lượng mặt trời (Solar Energy):

Bức xạ của mặt trời chiếu vào trái đất mang theo rất nhiều năng lượng, với từng mục đích khác nhau người ta sẽ sử dụng các công nghệ khác nhau để biến đổi bức xạ mặt trời thành các dạng năng lượng phục khác nhau Năng lượng mặt trời có thể chuyển thành các dạng năng lượng như:

- Cung cấp nhiệt độ cao nhằm mục đích sưởi ấm hoặc nung nóng nước và có thể được tập trung bằng các loại gương để cung cấp nhiệt với nhiệt độ cao cho phát điện

- Bức xạ Mặt Trời cũng có thể được biến đổi trực tiếp thành điện năng bằng cách

sử dụng các modun pin Mặt Trời (PV) Những modun này thường được đặt trên mái nhà hoặc những mặt ngoài của toà nhà Điện năng từ pin Mặt Trời hiện tại có giá thành cao nhưng giá của chúng thì đang giảm xuống và đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực công nghiệp

2.2.2 Năng lượng gió (Wind Energy):

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất, năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra

là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Người ta dựa trên động năng của gió để tạo ra năng lượng phục vụ cho nhiều muc đích như: tác động lên cánh buồm trong việc di chuyển trên biển, làm quay các cối xay gió, tác động lên cánh quạt tuabin gió làm quay tuabin tạo ra điện

2.2.3 Năng lượng thủy điện (Hydro Electric Energy):

Người ta dựa tính chất của nước là di chuyển theo thế năng, nghĩa là chảy từ nơi cao xuống nơi thấp hơn Từ đó người ta chặn những con sông, suối rồi xây dựng hồ chứa nước, sau đó xả nước qua tuabin thủy điện làm quay tuabin tạo ra điện năng

2.2.4 Năng lượng sóng (Wave Energy):

Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v ) Năng lượng chứa trong những đợt sóng là rất lớn vì vậy có rất nhiều phương pháp có thể được sử dụng để khai thác năng lượng này chuyển thành chuyển động tịnh tuyến của lõi từ hoặc chuyển động quay của máy phát nhằm phát ra điện năng

2.2.5 Năng lượng thủy triều (Tidal Energy):

Thủy triều là hiện tượng sóng của nước biển dưới tác động của các lực gây ra bởi mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương Dưới tác động của các lực, nước trên đại dương dâng lên tạo thành các sóng nước di chuyển trên đại dương, tạo thành sự chuyển động tương đối giữa trái đất, mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái

đất quanh trục của nó) Người ta lấy năng lượng từ thủy triều thông qua dòng triều cường chảy dưới lòng đại dương hoặc ngăn đập và xả đập khi thủy triều dâng và hạ nhằm tạo ra chuyển động quay của tuabin tao ra điện

2.2.6 Năng lượng địa nhiệt (Thermal of the Earth Energy):

Năng lượng địa nhiệt là một dạng năng lượng được tích tụ dưới dạng nhiệt lượng nằm ngay dưới lớp đất của vỏ trái đất Phía dưới bề mặt hành tinh của chúng ta, ở độ sâu

từ 5 km đến 10 km có rất nhiều dòng nước nóng ngầm có thể sử dụng làm nguồn năng lượng Những dòng nước nóng (có nơi lên đến 6000oC) thường thoát lên bề mặt trái đất dưới dạng các nguồn nước nóng hay suối nước nóng phun trào, ta có thể dung nguồn năng lượng này để biến đổi thành năng lượng điện hay sử dụng trực tiếp để sưởi ấm nhà

ở hay ở các nhà kính trong trồng trọt, sấy nông sản

2.2.7 Pin nhiên liệu (Hydrogen and Fuel Cells):

Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H2 + O2 = H20 + dòng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn thực chất nó là một loại pin điện hoá Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2/không khí Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao

2.2.8 Năng lượng sinh khối (Biomass Energy):

Năng lượng sinh khối (hay còn gọi là năng lượng vi sinh) là nguồn khí tự nhiên được tạo ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ, thức ăn thừa hoặc phân động vật, các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp v v ), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ v.v ), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải Đây là loại năng lượng đặt biệt vì có thể sản xuất trực tiếp ra khí đốt hoặc xăng dầu vừa có thể xử lý chất thải góp phần lớn vào việc cải thiện môi trường sống

2.3 Tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo:

Hiện nay năng lượng tái tạo đang được khai thác ở rất nhiều nơi trên thế giới được xem như là nguồn năng lượng có khả năng thay thê được năng lượng khoáng sản đang cạn kiệt

Có rất nhiều dự án với chi phí rất cao nhằm khai thác hiệu quả năng lượng tái tạo

đã đi vào hoạt động và cung cấp năng lượng đặc biệt là năng lượng điện phục vụ nhu

cầu của con người Ví dụ như: các hệ thống tuabin gió trên toàn thế giới (trang trại năng lượng gió Thanet, với 100 chiếc quạt khổng lồ được “trồng” ở ngoài khơi bờ biển Thanet Trang trại có thể sản xuất đủ điện cho hơn 200.000 hộ gia đình dùng trong một năm), các nhà máy điện sinh khối (nhà máy điện sinh khối công suất 44 MW tại Steven's Croft, gần Lockerbie ở Scotland (Anh)), các nhà máy điện thủy triều và sóng (nhà máy điện La Rance tại Pháp, với công suất 240.000 kWh, là một trong những nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế giới)… Và còn nhiều dự án hàng tỷ USD đã và đang được lên kế

hoạch xây dựng trên toàn thế giới nhằm khai thác một cách triệt để và hiệu quả năng lượng tái tạo

Theo thống kê của cơ quan điều tra môi trường EIA (Environmental Investigation Agency) và các nhà cung cấp năng lượng tại Mỹ (US Energy Supply) vào năm 2007 thì

sản lượng điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo đạt 6,7% tổng giá trị sản lượng điện

trên thê giới (hình 2.2)

Sản lượng của năng lượng tái tạo tăng với tốc độ khá nhanh và hướng tới mục tiêu vào năm 2035 sẽ cung cấp và giải quyết gần 25% năng lượng điện năng trên toàn thế giới Theo như biểu đồ dự đoán như hình 1.3 thi ta thấy tìm năng phát triển của năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng sinh khối, rác thải, sóng và thủy triều là có tiềm năng phát triển cao hơn trong tương lai từ 220 tỷ KW vào năm 2007 lên 870 tỷ KW vào năm

2035

Hình 2.2: Biểu đồ thống kê năng lượng tái tạo

2.4 Kết luận:

Khai thác năng lượng tái tạo là một lĩnh vực tiềm năng và mang lại nhiều lợi ích lâu dài Vì vậy, việc chú trọng phát triển loại năng lượng này là một nhu cầu cấp bách hiện nay trên toàn thế giới Có rất nhiều phương pháp và thiết bị đã được nghiên cứu và phát triển nhằm khai thác năng lượng tái tạo, trong nội dung đề tài dưới đây đưa ra một

số thông tin và cách thức nhằm khai thác năng lượng sóng của đại dương

Hình 2.3: Biểu đồ dự đoán khả năng phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo

Chương 3:

NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI 3.1 Giới thiệu năng lượng sóng đại dương:

Dạng năng lượng dễ thấy nhất từ đại dương chính là năng lượng của sóng trên bề mặt đại dương, sóng đại dương mang năng lượng rất lớn Nguồn tạo ra năng lượng sóng dựa trên 4 hiện tượng:

- Vật thể di chuyển trên hoặc gần mặt nước gây ra sóng với chu kỳ nhỏ và mang năng lượng nhỏ

- Các hoạt động địa chấn cũng là nguyên nhân gây ra sóng địa chấn biển “hay được gọi là tsunami”

- Lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời cũng là nguyên nhân gây ra các đợt sóng triều cường “tidal wave” hay gọi là sóng thần.

- Gió biển và các hiện tượng khí hậu là

nguồn tạo ra sóng lớn nhất, gió thổi trên mặt

biển tạo ra các đợt sóng khá lớn, các cơn bão có

thể gây ra sóng thần và sóng lừng hai loại sóng

này mang một năng lượng cực kỳ lớn Năng

lượng sóng biển từ gió là một dạng của năng

lượng mặt trời, vì nguồn gốc cơ bản của gió

chính là từ mặt trời Năng lượng mặt trời bức xạ

lên đất liền và biển, tạo ra các khối không khí

ấm, khối không khí này sẽ di chuyễn đến và thế

chỗ cho khối không khí lạnh hơn và tạo ra gió

Năng lượng từ sóng biển là dạng năng lượng vô hạn và rất dễ để khai thác, tuy nhiên giá trị kinh tế của việc khai thác chuyển đổi năng lượng từ sóng biển còn tùy thuộc vào các yếu tố sau:

- Độ lớn và độ tin cậy của nguồn sóng

- Chi phí nguyên cứu phát triển các hệ thống chuyển đổi

- Hiệu suất của các hệ thống chuyển đổi năng lượng

- Chi phí lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng các hệ thống chuyển đổi

- Chi phí truyền tải năng lượng chuyển đổi đến nơi tiêu thụ

Hình 3.1: Sự hình thành của sóng

Vì vậy, muốn thiết kế một mô hình khai thác năng lượng sóng đại dương ta cần quan tâm đến hiệu quả kinh tế của nó mang lại, nói cách khác ta phải quan tâm đến các yếu tố nêu trên Trong các yếu tố đó yếu tố độ lớn và độ tin cậy của sóng là không phụ thuộc vào con người, cho nên muốn có nguồn sóng lớn và ổn định ta phải tìm hiểu về sóng cùng với việc đo đạc, thống kê để tìm ra nguồn sóng tốt nhất và thích hợp với những mô hình thiết kế nhất

Sau đó những đợt sóng này sẽ dao động về phía gần bờ và bắt đầu gia tăng bước

sóng, đồng thời chiều cao của sóng cũng được gia tăng (vùng gia tăng chiều cao sóng (wave height increases)) Ở vùng này, tốc độ dịch chuyển của đỉnh sóng cũng giảm

xuống và năng lượng sóng với chiều tác động dẩy sóng nhô lên gia tăng lực đẩy làm gia tăng chiều cao của sóng

Khi tiến đến gần bờ thì sườn sau của sóng bắt đầu dịch chuyển nhanh hơn rất nhiều

và vượt tới trước, lúc này chiều cao của sóng được đẩy lên cao nhất và sóng bắt đầu vỡ

ra và đập vào bờ hay còn gọi là sóng tới (vùng sóng vỗ (surf zone))

Hình 3.2: Sự hình thành các vùng sóng Hình 3.3: Các thành phần của sóng

3.3 Năng lượng ở các vùng hình thành sóng:

3.3.1: Vùng sóng gợn:

Như đã đề cập ở mục 3.2, ở vùng sóng này, sóng được hình thành với bước sóng ngắn và chiều cao sóng thấp nên mang năng lượng thấp Lực tác động của bề mặt sóng ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng Fz1

và lực theo phương ngang Fx1

và hợp lực tổng là F1

, vì ở vùng này bước sóng và chiều cao tỉ lệ tương đối với nhau nên ta

có Fz1Fx1

nên F1Fz1/ 2

3.3.2: Vùng gia tăng chiều cao sóng:

Sóng ở vùng này được gia tăng năng lượng và lực Fz2

được gia tăng nhằm đẩy mực nước lên cao, tăng chiều cao và bước sóng Lực tác động của bề mặt sóng ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng Fz2

và lực theo phương ngang Fx2

với hiệu suất cao nhất

3.3.3: Vùng sóng vỗ:

Khi tiến vào gần bờ sóng được gia tăng lực tác động theo phương ngang nhiều lần nhờ vào tác động của gió biển hoặc từ các nguồn tạo nên sóng Vì được gia tăng nên lực Fx3

lúc này rất lớn tác động vào sườn sau của sóng đẩy sườn sau di chuyển nhanh và vượt lên phía trước làm chiều cao sóng tăng lên cao nhất rồi đập vào bờ, như vậy lúc này lực Fz3

cũng được gia tăng, mà F3

để chuyển đổi là cao nhất

3.4 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng:

3.4.1 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ:

Các thiết bị này thường được đặt ở khu vực nước sâu và ở xa bờ (cách bờ > 3km), ở vùng nước bao gồm 2 vùng nước chính là vùng sóng gợn và vùng gia tăng chiều cao sóng vì vậy việc khai thác năng lượng sóng ở vùng này chỉ tập trung vào khai thác lực của mặt sóng tác động theo phương đứng Fz

(như đã nói đến ở mục 3.3)

Có rất nhiều phương pháp biến đổi năng lượng sóng xa bờ thành năng lượng điện như: biến lực mặt sóng thành chuyển động tịnh tuyến của rotor bên trong cuộn dây máy phát, hoặc thành áp suất không khí làm quay cánh quạt hay tác động vào piston, hoặc thành chuyển động tịnh tuyến của piston truyền động… Từ đó các thiết bị chuyển đổi năng lượng này cũng có rất nhiều dạng và nguyên lý hoạt động khác nhau

Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ 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 tuyến Có

2 dạng biến đổi thành năng lượng điện: dạng biến đổi trực tiếp, dạng biến đổi gián tiếp

3.4.1.1 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ trực tiếp:

 Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon:

Cấu tạo chính gồm 2 bộ phận: phần trục cố định thường trục trụ tròn bên trong là cuộn dây của máy phát, phần di động gồm nam vĩnh cửu được gắn vào 1 phao và có thể

dịch chuyển lên xuống bên ngoài trục cố định chứa cuộn dây máy phát( miêu tả ở hình 3.5)

Hình 3.5: Thiết bị được phát triển từ đại học bang Oregon

Hình 3.6: Thiết bị của Seabased AB Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động: khi sóng di chuyển qua thiết bị thì lực Fz

của mặt sóng làm phần phao của thiết bị nhấp nhô lên xuống, từ đó đưa nam châm của máy phát chuyển động tịnh tuyến lên xuống Nam châm chuyển động lên xuống bên ngoài cuộn dây, tác động lực từ cảm ứng lên cuộn dây máy phát, tạo ra điện năng Điện phát ra được đưa trực tiếp lên bờ hoặc được đưa vào các hub tập trung để truyền tải đến trạm phân phối

 Thiết bị được phát triển bởi công ty của Thụy Điển Seabased AB:

Cấu tạo chính gồm: Rotor máy phát là nam châm vĩnh cữu được nối với phao nỗi 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 ( hình ,3.6)

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

với nhau bằng cáp dẫn vào trạm truyền tải trong bờ (hình 3.7)

 Thiết bị HEB (Hydro Electric Barrel):

Thiết bị HEB là một thiết bị dạng kết hợp vừa chuyển đổi năng lượng dạng quay tuabin máy phát vừa chuyển đổi năng lượng dạng rotor máy phát chuyển động tịnh tuyến

Cấu tạo gồm 2 máy phát được gắn lên thân thiết bị cố định (hình 3.9):

Máy phát dạng quay tuabin (hình 3.10) được gắn vào trục của một con lăn, con

lăn được thiết kế sao cho khi sóng di chuyển qua sẽ làm quay con lăn Con lăn quay làm quay trục máy phát tạo ra điện

Máy phát dạng tịnh tuyến, cuộn dây stator được gắn vào thân thiết bị, phần rotor gắn vào trục của con lăn Khi con lăn lăn tren mặt sóng sẽ làm rotor chuyển động tịnh tuyến theo trục cuộn dây stator tạo ra điện

3.4.1.2 Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ gián tiếp:

 Thiết bị OWAP (Ocean Wave Air Piston):

Cũng có cấu tạo gồm 2 phần chính giống như các thiết bị biến đổi trực tiếp, nhưng chỉ khác ở cơ cấu chuyển đổi năng lượng thành điện Ở các thiết bị này năng lượng thường được chuyển đổi thành chuyển động của piston tạo áp suất nén lên chất lỏng hoặc chất khí, làm chúng di chuyển qua một ống dẫn rồi tác động làm quay tuabin của máy phát tạo ra điện

Hình 3.12: Thiết bị của SIECAT

Hình 3.11 miêu tả một thiết bị OWAP chuyển đổi năng lượng gián tiếp thông qua piston khí làm quay tuanbin máy phát

 Thiết bị của SIECAT:

Thiết bị này có cấu tạo gồm các piston

nén khí được kết nối với các phao, các phao

hấp thu năng lượng từ sóng đại dương làm

chuyển động các piston nén không khí vào

bình chứa Không khí được nén với áp suất

cao trong bình chứa sẽ được sử dụng làm

quay tuabin của máy phát sinh ra điện (hình

3.12)

Thiết bị này có thể lưu trữ năng lượng

trong bình chứa vì vậy ta có thể điều chỉnh

được áp suất không khí tác động vào tuabin,

khi đó ta sẽ có nguồn điện với biên độ ổn định

Hình 3.11: Thiết bị OWAP (Ocean Wave Air Piston)

Hình 3.13: Cấu tạo của Pelamis Hình 3.14: Nguyên lý hoạt động của Pelamis

 Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng xa bờ:

Ưu điểm:

- Các dạng biến đổi trực tiếp có nguyên lý hoạt động đơn giản dễ chế tạo, hiệu suất chuyển đổi khá cao, nhưng thường có công suất nhỏ

- Các dạng biến đổi dạng gián tiếp tuy có hiệu suất nhỏ hơn dạng trực tiếp nhưng

có công suất lớn hơn nhiều và nguồn điện tạo ra ổn định hơn 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,…

Khuyết điểm:

- Việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sữa chửagặp nhiều khó khăn

- Ảnh hưởng nhiều tới giao thông đường biển

- Tổn hao và chi phí truyền tải phân phối vào bờ là rất lớn, tiềm ẩn nguy cơ rò điện qua cáp truyền tải ảnh hưởng đến môi trường biển, các sinh vật biển và kể cả con

người

3.4.2 Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ:

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ được đặt ở khu vực vùng sóng

vỗ, thường được thiết kế và hoạt động dựa theo nguyên lý hấp thụ năng lượng của các

đợt sóng vỗ bờ (sóng tới) Năng lượng ở vùng sóng này rất lớn vì vậy các thiết bị

chuyển đổi sóng gần bờ công suất và kích thước rất lớn

Các thiết bị này thường hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện gián tiếp thành năng lượng dẫn động các hệ thống khí nén hoặc thủy lực truyền động làm quay tuabin máy phát

Hình 3.16: Thiết bị Pendulor Hình 3.15: Trạm biến đổi năng OWC

 Trạm biến đổi năng OWC (Oscillating Water Column):

Cấu tạo của trạm OWC được (miêu tả ở hình 3.15) bao gồm: buồng chứa không khí nén(3), van xả an toàn(4), van điều chỉnh(5), van tác động nhanh (6), cánh quạt tuabin (7), máy phát không đồng bộ

Nguyên lý hoạt động dựa trên sử dụng phương pháp dao động cột nước: sóng tới tác động đẩy cột nước bên trong buồng chứa không khí dâng lên xuống, tạo áp lực nén không khí trong buồng di chuyển vào tuan bin của máy phát, làm quay tuabin tạo ra điện

Điểm mấu chốt của hệ thống là việc sử dụng tua bin có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí Trạm OWC hiện được xem là nền tảng tốt nhất để thúc đẩy sự phát triển trong công nghệ khai thác năng lượng từ sóng gần bờ

 Thiết bị Pendulor:

Thiết bị Pendulor là thiết bị chuyển

đổi năng lượng sóng tới được nghiên cứu

và phát triển tại Nhật Bản

Cấu tạo được miêu tả ở hình 3.15,

hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản,

tấm chắn sóng hoạt động như con lắc, một

đầu được cố định với phần cố định của

thiết bị, đầu kia dịch chuyển tự do Khi

sóng tới tác động vào thiết bị, con lắc sẽ

dao động và dẫn động piston bơm của hệ

thống thủy lực đặt trên bờ Hệ thống thủy

lực này sẽ truyền động làm quay tuabin

máy phát sinh ra điện

 Thiết bị Oyster và thiết bị WaveRoller:

Thiết bị Oyster và WaveRoller tuy được thiết kế và lắp đặt bởi 2 nhà phát triển

năng lượng biển khác nhau (công ty năng lượng Aquamarine và AW Energy) nhưng

chúng đều là phát triển từ thiết bị Pendulor và cùng nguyên tắc hoạt động chuyển đổi năng lượng như nhau Thiết bị hấp thụ năng lượng sóng được neo cố định dưới đáy biển, phần dao động của thiết bị sẽ dao động khi sóng biển tác động, ép piston thủy lực nén chất lõng với áp suất cao lên trạm biến đổi đặt trên bờ qua đường ống áp suát cao Tại trạm biến đổi, chất lõng với áp suất cao được sử dụng để quay tuabin máy phát tạo

ra điện, sau đó chất lỏng với áp suất thấp được trả lại với đường ống song song và tiếp tục chu trình truyền động

 Ưu điểm và khuyết điểm của các thiết bị chuyển đổi sóng gần bờ:

- Thuận tiện cho việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sữa chửa

- Chi phí truyền tải từ trạm phát điện đến trạm phân phối và nơi tiêu thụ thấp

Khuyết điểm:

- Chi phí đầu tư cao

- Các trạm biến đổi có kích thước rất lớn nên ảnh hưởng nhiều đến cảnh quan, diện tích và môi trường bờ biển

Hình 3.17: Thiết bị Oyster Hình 3.18: Thiết bị WaveRoller

Phần ứng dụng:

Chương 4:

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA SÓNG 4.1 Định nghĩa mực nước của đại dương:

Dựa trên tỉ lệ độ sâu mực nước biển (chiều cao của mặt nước biển (h) so với đáy)

và bước sóng ( ) người ta chia mực nước biển ra 3 vùng khác nhau:

- Vùng có mực nước sâu ( h / 2) (vùng sóng gợn đề cập ở mục 2.3.1): Ở vùng

này sóng được hình thành với bước sóng ngắn và vận tốc nhỏ, sau đó được cung cấp năng lượng từ các nguồn của sóng chủ yếu là gió biển và gia tăng chiều cao, bước sóng, vận tốc

- Vùng có mực nước trung bình ( / 2 > h / 20): vùng nước này thường ở lân cận bờ biển, sóng xuất hiện ở vùng nước này thường có bước sóng dài và vận tốc khá cao, lúc này chiều cao của sóng gần được gia tăng tối đa

- Vùng có mực nước cạn (vùng sóng vỗ) ( h < / 20): vùng nước này là vùng nước gần bờ biển nhất, ở vùng nước này sóng được cấp năng lượng cao nhất từ tác động của gió biển hoặc từ các nguồn tạo nên sóng Vì được gia tăng nên lực lớn tác động vào sườn sau của sóng đẩy sườn sau di chuyển nhanh và vượt lên phía trước làm chiều cao sóng tăng lên cao rồi đập vào bờ.

4.2 Thông số đặc tính của sóng đại dương:

Sóng đại dương là một loại sóng cơ, vì vậy nó mang đầy đủ các đặc tính cơ bản của sóng cơ như:

E : Năng lượng sóng ( lb.ft hoặc N.m )

P : Công suất sóng ( ft.lb/sec hoặc W, kW)

T : Chu kỳ sóng ( s )

f : Tần số ( 1/T ) ( Hz )

Hình 4.1: Mực nước của đại dương

 : bước sóng ( ft hoặc m )

c : Vận tốc sóng ( ft/s hoặc m/s)

h : Độ sâu của mực nước biển ( ft hoặc m )

H : Chiều cao của sóng ( ft hoặc m )

( Với : 1 ft = 0,3048 m ; 1 lb = 4.44822162 N )

Các thông số đặc tính của sóng có các giá trị khác nhau ứng với từng vùng nước và nguồn sóng khác nhau Người ta dựa trên các thông số đặc tính này để tính toán và thiết

kế mô hình khai thác năng lượng sóng

4.3 Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng đại dương:

Có 2 phương pháp chính để tính toán các thông số của sóng đại dương là:

- Phương pháp thứ nhất là quan sát thu thập số liệu về chu kỳ của sóng và dựa vào từng dạng sóng, mực nước biển áp dụng vào các biểu thức tính toán ra các thông số đặc trưng của sóng Ưu điểm của phương pháp này là tính toán chính xác được năng lượng của sóng, nhưng hạn chế là việc thu thập các số liệu của sóng rất khó khăn và chỉ

áp dụng cho các dạng sóng chuẩn, không tính toán được sóng hỗn hợp bất kỳ

- Phương pháp thứ 2 là dựa vào thông số vận tốc gió tác động vào mặt nước biển

ta tra bảng và dựa vào hàm phổ của tốc độ gió, các biểu thức tính toán ta tìm được các

hệ số cần thiết tính toán ra được các thông số của sóng Phương pháp này có thể áp dụng cho các vùng biển bất kỳ

4.3.1 Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập được:

Tính toán các thông số của sóng theo phương pháp thứ nhất, bằng cách quan sát và thu thập số liệu của 2 dạng sóng đặc trưng là sóng đều xuất hiện đa số ở vùng nước sâu, sóng không đều xuất hiện ở vùng nước trung bình và vùng nước cạn

Các biểu thức tính toán chu kỳ, bước sóng, vận tốc sóng của cả 2 dạng sóng trên là giống nhau và được trình bày từ biểu thức (4.1) đến (4.7) dưới dây:

 Chu kỳ sóng được tính từ biểu thức:

2 g tan( h)

T f

2 f : là vận tốc gốc của sóng

g : hằng số gia tốc trọng trường (32,2 ft/sec2

hoặc 9,81 m/sec2

4.3.1.1 Tính toán năng lượng của sóng đều:

Sóng đều được định nghĩa là dạng sóng có chiều cao ngọn sóng tỉ lệ tương đối với bề rộng ngọn sóng và dạng sóng tạo ra có dạng hình Sin

 Tổng năng lượng nhận được từ sóng đều được xác định bởi biểu thức: