Năng lượng sóng, thủy triều, OTEC

-Hiện nay, gió là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất, nhưng theo nghiên cứu của các nhà khoa học, tất cả các nguồn năng lượng đại dương bao gồm cả năng lượng sóng có thể tạo ra nguồn năng

Bài Tiểu Luận

Đề tài : Năng lượng Sóng, Thủy

triều, OTEC

I,Năng Lượng Sóng

1, Khái niệm

-Sóng được tạo nên bởi gió thổi trên bề mặt của đại dương. Những con sóng

có thể thay đổi kích thước, có khi đạt đến chiều cao của một tòa nhà 10

tầng. Sóng giữ rất nhiều năng lượng bên trong nó và ngày nay các nhà khoa học đang tìm cách khai thác năng lượng để tạo ra điện

-Sóng biển là nguồn tài nguyên dồi dào và có sức mạnh to lớn trên trái đất.75% bề mặt trái đất được bao phủ bởi biển và sóng là tài nguyên

duy nhất chưa được khám phá năng lượng

-Năng lượng sóng là năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ sóng biển Nó là

động năng của gió tương tác với nước và tạo ra sóng Năng lượng sóng có

thể làm được nhiều việc hữu ích như phát điện, khử muối trong nước và

bơm nước vào các hồ chứa Hầu hết năng lượng được sinh ra bởi trạng

thái lên xuống của sóng nước và truyền vào những vật tiếp xúc trực tiếp

-Hiện nay, gió là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất, nhưng theo nghiên cứu của các nhà khoa học, tất cả các nguồn năng lượng đại dương bao gồm

cả năng lượng sóng có thể tạo ra nguồn năng lượng gấp 800 lần năng

lượng gió và có thểcung cấp lên đến 3 tetawatt điện Trong khi năng lượng

mặt trời có thể cung cấp 150W/m2 trong một buổi trưa đầy nắng, gió có thể

sản xuất 300W/m2 thì năng lượng sóng có thể tạo ra 30.000W/m2, đây là lý

do tại sao năng lượng sóng lại thu hút sự quan tâm của nhiều người và nhiều ngành đến vậy

- Sóng ở ngoài đại dương và trong đất liền có trạng thái khác nhau, khi một con sóng dạt vào gần bờ biển, đáy biển nông làm cho lực đánh của nó mạnh hơn, khi đạt tới cực đại nó sẽ phá hủy những thứ ở gần nó Sóng ở ngoài khơi thì khác, sóng di chuyển lên xuống hoặc dâng lên cao ở một vài nơi điều này được cảm nhận rõ ràng khi đi trên thuyền và là nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng say sóng Vì bản chất của sóng ở đất liền và giữa đại dương là khác nhau, vì thế để thu được năng lượng tuyệt đối, các nhà khoa học phải tiến hành những cách tiếp cận khác nhau.

2, Nguyên lý hoạt động một số thiết bị khai thác năng lượng sóng

a, Thiết bị Pelamis

-Pelamis là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, nối với nhau bằng bản lề Sóng biển làm chuyển động mạnh hệ thống phao, nó tác động mạnh vào hệ thống bơm thủy lực làm quay turbin phát

điện Hàng loạt thiết bị tương tự sẽ kết nối với nhau, làm cho turbin hoạt

động liên tục Dòng điện được truyền qua giây cáp ngầm dưới đáy đại dương dẫn vào bờ, nối với lưới điện, cung cấp cho hộ sử dụng Nếu xây dựng nhà máy điện có công suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2

-Pelamis neo ở độ sâu chừng 50–70m; cách bờ dưới 10km, là nơi có mức năng lượng cao trong các con sóng Và Pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul có hệ thống 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 Cấu tạo của modul biến đổi năng lượng

b, Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuOY

AquaBuOY là một hệ thống phao nổi, có nguyên lý hoạt động nhằm biến đổi năng lượng động học của chuyển động thẳng đứng do các đợt sóng biển tạo

ra năng lượng điện sạch Nhờ việc trồi lên, ngụp xuống của sóng biển làm hệ thống phao nổi dập dềnh lên xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuyển động, tạo ra dòng điện Điện dẫn qua hệ thống cáp ngầm đưa lên bờ, hòa vào lưới điện Mỗi phao tiêu có thể đạt công suất tới 250kW, với đường kính phao 6m Nếu trạm phát điện có công suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển Bơm ống là ống cao su cốt thép, nó hoạt động như cái bơm bình thường, khi sóng nén, nước biển phọt mạnh về phía sau, có chứa một bộ cao áp, làm quay turbin, điện thu được, 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 ra nguồn 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 Hệ thống Aqua BuOY thường lắp đặt cách bờ chừng 5km ở nơi biển có độ sâu 50m

c, Hệ thống phao tiêu chìm AWS

Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 mét, rộng 10 mét chứa khí

nén bên trong khiến phao không chìm, nửa trên chỉ chuyển động theo

chiều thẳng đứng Khi sóng lướt 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 phần trên của hệ thống Chuyển động bơm biến thành điện năng Điện được

chuyển tải qua cáp ngầm, lên hòa vào lưới điện quốc gia Kiểu Anaconda

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

3, Ưu điểm và nhược điểm

a, Ưu điểm

-Hầu hết các thiết bị sử dụng năng lượng sóng đều có xu hướng lấy năng lượng

ở trên bề mặt và không sử dụng đến cánh quạt như các thiết bị năng lượng

khác nên việc làm ô nhiễm môi trường là ít hơn so với các năng lượng tái tạo khác Cũng giống như năng lượng gió mặt trời, loại năng lượng này có thể

truyền đi rất nhanh, trên khắp đại dương từ khoảng cách xa

-Từ góc độ kinh doanh cho thấy, năng lượng sóng có lợi thế cao hơn các năng lượng đại dương khác vì nó sử dụng nguyên liệu có sẵn, giá rẻ và chi phí bảo trì thấp

-Việt Nam có bờ biển dài , mặt khác so với năng lượng gió và năng lượng Mặt trời ,năng lượng sóng biển ưu việt hơn.Năng lượng gió và năng lượng Mặt trời đều bị hạn chế ,vì lúc có lúc không.Còn năng lượng sóng biển ,thì luôn luôn tồn tại bất kể mưa nắng ,ngày đêm

b, Nhược điểm

-Sóng điện là nguồn năng lượng khá tốn kém, khi than đá có giá khoảng

10cent/KWh thì năng lượng sóng đạt tới 20-30cent

-Chi phí dùng để nghiên cứu các thiết bị chuyển hóa của năng lượng sóng là rất lớn, các thiết bị này phải chịu được môi trường khắc nghiệt và sự ăn mòn của oxi hóa và kiềm, các công ty phải cần rất nhiều khoản trợ cấp và thời gian để nghiên cứu và thử nghiệm

-Về bất động sản, Không giống như việc xây dựng một nhà máy thủy điện trên đất của một công ty, đại dương là không gian chung Mặc dù, các vấn đề ô

nhiễm

môi trường liên quan đến sóng điện có thể nói là không lớn nhưng hệ sinh thái có thể bị ảnh hưởng bởi công nghệ sóng, các thiết bị định vị trên tàu

đánh cá, thiết bị vận chuyển có thể bị ảnh hưởng

Mặc dù còn rất nhiều khó khăn trong công tác nghiên cứu và thử nghiệm, nhưng với lợi ích to lớn mà năng lượng sóng mang lại cho cuộc sống, dự án tái tạo loại năng lượng này để phục vụ cuộc sống là rất cần thiết khi mà các nguồn tài nguyên đang dần bị cạn kiệt

II, Năng Lượng Thủy Triều

1,Định nghĩa

-Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởng của 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 và mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất và mặt trời) -Năng lượng thủy triều là lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều

2,Nguyên lý vận hành

a,Phương pháp dùng hồ chứa

Nguyên lý khai thác chung của phương pháp này là sử dụng hồ chứa để tạo chênh lệch cột nước tĩnh Năng lượng điện năng thu được phụ thuộc vào

chênh lệch cột nước tĩnh và lưu lượng nước qua tuabin Đặc điểm của

phương pháp này là phải có hồ chứa và lợi dụng quy luật thủy triều lên và

thủy triều xuống để tạo ra chênh lệch giữa cột nước tĩnh của khối nước trong

hồ và ngoài biển và dùng các tuabin nước để phát điện Phương pháp này

có ưu điểm là giảm tính không ổn định của năng lượng thủy triều, tuy nhiên

phương pháp này gặp phải khó khăn là phải xây dựng đập để tạo hồ chứa và việc vận hành nhịp nhàng các của van là khá phức tạp

Tích nước khi thủy triều dâng Phát điện khi thủy triều xuống

b,Không có hồ chứa

Phương pháp này dùng các tuabin thủy triều để khai thác năng lượng của các dòng triều Được nghiên cứu và thiết kế từ những năm 1970 nhưng gân đây tuabin thủy triều mới thành hiện thực Hiệu suất thu được cao hơn bởi vì năng lượng thu được cả khi thủy triều lên và thủy triều rút Hoạt động giống như tuabin gió, tuabin thủy triều có lợi thế hơn so với hệ thống đập chắn, đặc biệt

là giảm tác động về môi trường Tuabin thủy triều sử dụng các dòng thủy triều đang di chuyển với tốc độ 2-3 m/giây để tạo ra 4-13kw điện/m2

Phương pháp này có ưu điểm là không phải đắp đập để tạo ra hồ chứa, nên

có thể áp dụng hiệu quả ở cả nơi không phải là vịnh hay eo biển Tuy nhiên năng lượng tạo ra từ phương pháp này lại phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc

dòng thủy triều Do đó nó chỉ được áp dụng ở những vùng có dao động thủy triều lớn và vận tốc dòng thủy triều lớn

Hệ thống tuabin thủy triều

Đập thủy triều La Rance (Pháp) là nhà máy điện thủy triều đầu tiên trên thế giới, lớn thứ 2 sau nhà máy Shiwa (Hàn Quốc) Xây dựng vắt ngang qua sông Rance, tổng công suất 240MW/năm, với 24 tuabin nó cung cấp tới 600GWh điện/năm

Nhà máy điện thủy triều ở cửa sông Rance vùng Bretagne (Pháp)

3,Một số thiết bị

a,Hệ thống Limpet (Land Installed Marine Powered Energy Transformer)

Để thu được năng lượng, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước

Sự thay đổi chiều cao cột nước làm quay tuốc bin tạo ra điện năng, mỗi máy Limpet có thể đạt từ 250 KW đến 500 KW Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố công biến năng lượng sóng thành năng lượng có ích Nhưng các con sóng quá phân tán, nên rất khó khai thác một cách kinh tế

b,Hệ thống Seagen

-Hệ thống này dùng năng lượng thủy triều độc đáo với công suất 1.2

megawatt ở Stangford Lough ngoài khơi của Bắc Ái Nhĩ Lan

-Hệ thống gồm 2 dàn máy tua-bin bề ngang 20 thước gắn trên một trục thẳng đứng dựng trong lòng biển Vận tốc thủy triều trong vùng khiến cho tua-bin quay từ 10 đến 20 vòng mỗi phút, mà những chuyên gia nói là sẽ không ảnh hưởng đến các động vật hải dương

c,Máy phát điện RITE

-Đây là một dự án động lực thủy triều bên kia Ðại Tây dương ở Nữu Ước, Hoa Kỳ Roosevelt Island Tidal Energy (RITE), đã sản xuất 1.000 kí-lô watt năng lượng sạch mỗi ngày.

-Máy phát điện RITE là máy phát điện bằng động lực thủy triều chảy

tự do đầu tiên trên thế giới Dự án vẫn còn đang trong giai đoạn thí nghiệm, nhưng khi hoàn tất, hy vọng là tổng số 200 tua-bin sẽ được lắp đặt dưới lòng của sông East hầu sau này cung cấp 10 megawatt cho cư dân thành phố Nữu Ước Mục tiêu là cho đến năm 2013, ít nhất 25% điện lực của thành phố sẽ đến từ năng lượng thủy triều 4,Ưu điểm và nhược điểm

-Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao Cá và vô

số động vật thân mềm đến đây sinh sản Vì thế, việc xây dựng đập sẽ ảnh hưởng lớn đến sinh thái khu vực

-Những rủi ro khác : độ sâu, độ đục biển thay đổi ảnh hưởng đến hoạt động du lịch

III, Năng Lượng OTEC

1,Định nghĩa

-Năng lượng từ sự chênh lệch nhiệt độ (Ocean Thermal Energy

Conversion OTEC) sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ dưới đại dương để tạo

ra năng lượng Tại vùng nhiệt đới, nhiệt độ mặt nước vào khoảng 25 độ C, ở

độ sâu 3000 feet thì nhiệt độ vào khoảng 5 độ C khoảng nhiệt độ chênh lệch

20 độ C đó có thể được dùng để tạo ra điện

-Hệ thống phát điện OTEC hoạt động bằng việc sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ

để kích hoạt nhà máy điện chu trình hơi nước vòng lặp kín Chu trình hơi

nước bắt đầu bằng việc bơm nước ở trên bề mặt với nhiệt độ 25 độ C qua bộ trao đổi nhiệt để đun sôi Amoniac Amoniac chuyển thành khí ga, được dùng

để quay máy phát điện tuốc-bin để tạo ra điện Sau đó nước có nhiệt độ 5 độ

C được dùng để làm nguội amoniac, làm nó ngưng tụ thành dạng lỏng bên trong bộ trao đổi nhiệt, được gọi là bình ngưng, và lại bắt đầu vòng tuần hoàn

đó lại từ đầu

-Khoảng 2/3 bề mặt trái đất được bao phủ bởi lớp nước đại dưong sâu hàng

kilomet Điều này tạo nên một trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt năng Do hấp thụ năng lượng Mặt Trời mà bề mặt đại dương ấm hơn dưới đáy sâu Ở vịnh Mêxicô và ở Thái Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C trên bề mặt xuống 5 độ C ở độ sâu 1000 feet (gần 300 m)

-Trong tương lai, người ta có thể tạo ra điện năng nhờ lợi dụng gradient nhiệt độ này Một động cơ sẽ lấy nhiệt từ lớp trên đại dương, chuyển thành công có ích rồi bơm nó xuống lớp sâu dưới đáy.

-Động cơ hoạt động giống như một tuabin hơi nước Tuy nhiên do lấy ở 20 độ C

và trả lại ở 10 độ C nên nước không thể được dùng vì nó không bốc hơi ở nhiệt độ này

Áp dụng đầu tiên của hải năng là khai thác sai biệt nhiệt độ nước ở trên mặt biển

và nhiệt độ thấp hơn ở sâu dưới đáy biển Sai biệt này có thể lên tới hơn

50°C ở những vùng nhiệt đới Gần đây không thấy ai nói đến nữa. Nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu ở biển nhiệt đới và cận nhiệt đới chênh lệch nhau có thể tới 25 độ C (40 độ F) Nguyên lý biến chênh lệch nhiệt độ nước đại

dương thành điện là: sử dụng các chất có điểm sôi thấp làm môi giới như CH3, He… trong máy làm bốc hơi Do tác dụng của nước biển nóng trên 25

độ C, các chất môi giới này ở trạng thái lỏng sẽ bốc hơi, tạo ra áp lực lớn

dưới dạng khí và đi qua đường ống, làm quay máy phát điện  Nhiệt độ lớp

bề mặt và lớp sâu ở biển nhiệt đới và cận nhiệt đới chênh lệch nhau có thể tới 250C Người ta có thể áp  dụng sự chênh lệch về nhiệt độ biển để dùng trong hệ thống điện lạnh của những building nằm cạnh bờ biển Đây là nguồn năng lượng cực kỳ to lớn mà con người muốn khai thác sử dụng Theo các nhà khoa học thi tiềm năng của loại năng lượng này có thể khai thác ước tính đến 50 tỷ kw

3,Một số ứng dụng

Hệ thống gồm 1 đường ống đường kính 33 feet (10m) kéo dài hàng cây số

cắm xuống dưới nước.

Hệ thống khai thác của hãng Lockheed Martin

Nguyên lý hoạt động : Nước bề mặt ấm áp đi vào bộ trao đổi nhiệt, làm bay hơi dung dịch amoniac, hơi nước thu được quay tua-bin, kéo máy phát điện

Ammonia được tái ngưng tụ bằng cách áp lạnh nước từ đáy biển

Nhưng để đạt tới quy mô sản xuất năng lượng của một nhà máy cho ra 100 MW điện, cần rất nhiều nước Một đường ống dài hàng ngàn mét, rộng 10m đưa xuống đáy biển theo chiều đứng không dễ dàng Cấu trúc ống nước khổng lồ này phải chịu được áp lực liên tục của dòng chảy, áp suất khí quyển sâu trên dưới 1.000m Lockheed đã chế tạo một loại vật liệu hỗn hợp làm đường ống, bao gồm sợi tổng hợp hoặc nhựa vinyl được tăng cường bằng sợi thủy tinh, đáp ứng tất cả các yêu cầu về tính linh hoạt và ổn định

4,Những lợi ích của năng lượng OTEC

-Nhà máy điện OTEC có một vài lợi thế hấp dẫn đối với hệ thống Đầu tiên, nó tạo ra năng lượng xanh hoàn toàn, không có sản phẩm phụ Nó cũng rất

giống với nhà máy điện địa nhiệt, năng lượng mặt trời hay năng lượng từ gió bởi nó không cần bất cứ nhiên liệu hóa thạch nào để vận hành, do đó chi phí chỉ phải giới hạn ở xây dựng và bảo trì

-Thêm vào đó là sự sẵn có của năng lượng OTEC Với các loại năng lượng có thể tái tạo khác, khi không có gió thì không có điện, ngày nhiều mây cũng không có điện, thậm chí thuỷ điện cũng phải phụ thuộc vào sự lên xuống của mức nước Do đó OTEC có thể thực sự được dùng như nguồn năng lượng nền tảng cho mọi hoạt động

-OTEC có tiềm năng tạo ra điện năng từ 3 đến 5 terawatt mà không gây ảnh hưởng gì đến nhiệt độ đại dương hay môi trường trên thế giới Nó có thể bắt