Đề tài Nghiên cứu Năng lượng thủy triều

Đặc điểm của thủy triềuNgập triều :mực nước biển dâng lên trong vài giờ, ngập vùng gian triều.Triều cao :nước dâng lên đến điểm cao nhất Triều thấp:nước hạ thấp đến điểm thấp nhất Thủy triều tạo ra các dòng chảy có tính dao động gọi là dòng chảy triều. Thời điểm mà dòng triều dừng chuyển động được gọi là nước chùng hoặc nước đứng. Thủy triều sau đó đổi hướng thì ta có sự biến đổi ngược lại. (Nước đứng thường xuất hiện gần lúc mực nước triều cao hoặc triều thấp. Nhưng có những nơi là thời gian nước đứng là khác nhau đáng kể giữa triều cao và triều thấp).1. Chu kỳ triều: Chu kỳ triều phụ thuộc vào cơ chế tổ hợp các sóng triều thành phần.Thông thường, khoảng thời gian giữa hai lần chân triều trong một ngày gọi là chu kỳ triều.2.Thời gian triều dâng: Khoảng thời gian từ lúc chân triều đến lúc đỉnh triều kế tiếp.3.Thời gian triều rút: Khoảng thời gian từ lúc đỉnh triều đến lúc chân triều.4.Độ lớn triều: Hiệu mực nước nước lớn cao và mực nước nước ròng thấp trong ngày.5. Sóng triều. Thủy triều lan truyền trong thủy quyển dưới dạng sóng dài, chu kỳ nhiều giờ, bước sóng hàng ngàn km và biên độ bé (so với bước sóng). Các sóng triều cơ bản là: Bán nhật triều mặt trăng chính (KH:M2, CK:12h25p)Nhật triều mặt trăng chính (KH:O1,CK:25h47p)Bán nhật triều chính (KH:S2, CK:12h)Nhật triều mặt trời chính (KH:P1, CK:24h4 p)Lệch nhật triều chính (KH:K1, CK:23h56p)( Có ≈ 396 sóng triều thành phần có ý nghĩa)

Năng lượng thủy triều

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN 2

1. Mai Thị Giang.

2.

Nội dung

I. Khái quát về năng lượng thủy triều.

1. Thế giới.

2. Việt Nam.

III.Ứng dụng năng lượng thủy triều.

1. Lịch sử phát triển.

2. Điện năng từ thủy triều.

3. Ưu, nhược điểm.

1. Thế giới.

I Khái quát

1. Định nghĩa:

- Thủy triều sinh ra do lực hấp dẫn giữa Mặt trăng, Mặt trời và chuyển động quay của Trái đất

(Trái đất tự quay quanh trục → mỗi ngày có 2 lần thủy triều lên cao và xuống thấp)

- Điện thủy triều (Năng lượng thủy triều): Lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều.

2 Phân loại:

• Triều cường : * Thủy triều cực đại – Khi Mặt trời, Mặt trăng, Trái đất gần như thẳng hàng - ảnh hưởng của lực hấp dẫn là lớn nhất.

• * Có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng – nước hạ.(Xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non)

• Triều kiệt : Thủy triều cực tiểu - Khi đường thẳng nối Trái đất, Mặt trăng tạo thành góc 90◦ với đường thẳng nối Trái đất và Mặt trời – ảnh hưởng của sức hút thấp nhất)

Khái quát - Phân loại

H.1

 Theo chu kỳ triều phân thành 3 loại:

1. Triều bán nhật :Nếu chu kỳ dao động của thuỷ triều bằng nửa ngày Mặt Trăng (12g25ph).

2. Triều toàn nhật :Chu kỳ bằng một ngày Mặt Trăng (24g50ph).

3. Triều hỗn hợp :Chu kỳ biến đổi trong thời gian nửa tháng Mặt Trăng từ bán nhật sang toàn nhật (ngược lại)

- Bán nhật triều không đều

- Nhật triều không đều

(Nếu số ngày với chu kỳ toàn nhật chiếm ưu thế thì thuỷ triều → triều toàn nhật không đều, nếu số ngày với chu kỳ bán nhật chiếm ưu thế − triều bán nhật không đều.)

 Khu vực có chế độ bán nhật triều không đều: hầu hết các ngày trong tháng có có hai lần triều dâng và hai lần triều rút và một số ngày chỉ có một lần triều lên hoặc một lần triều rút.

 Khu vực có chế độ nhật triều không đều : hầu hết các ngày trong tháng là nhật triều và một số ít ngày là bán nhật triều.

Phân loại thủy triều

Bình thường,chênh lệch mực nước triều dâng – triều hạ ≈ 0,5m Tuy nhiên,1 số vùng biển vịnh hẹp có sự chênh lệch lớn: Vịnh Fundy

( Nova Scota- Đông Nam Canada) – 16m (Max).

Phân loại thủy triều

3 Nguyên nhân hình thành:

Nguyên nhân tạo ra thủy triều

1. Lực hấp dẫn của Mặt trăng và Mặt trời ( Fhấp dẫn mặt trăng = 2* Fhấp dẫn mặt trời ).

2. Lực hướng tâm của Trái đất.

Nguyên nhân hình thành thủy triều – Lực hấp dẫn

Tại mỗi điểm của bề mặt Trái đất, có các lực tác động

1. Trọng lực: F1 = G.E/r 2 (Định luật Newton) →lực này k đổi về hướng + độ lớn→góp phần làm thủy triều rút chứ k gây ra hoàn toàn hiện tượng thủy triều.

2. Lực ly tâm: F 2 = ω 2 r.cosα (ω : vận tốc góc của TĐ ; α Vĩ độ đlí của điểm đã cho).→k đổi về hướng + độ lớn

→góp phần làm triều dâng, k hoàn toàn gây ra hiện tượng thủy triều.

3. Lực kéo của mặt trăng lên TĐ : lên mỗi điểm có khối lượng là 1 đơn vị

F3 = G.M/∆ 2

Tại những điểm khác nhau trên bề mặt Trái đất độ lớn và hướng của lực cũng thay đổi (khoảng cách thay đổi), lực này thay đổi theo thời gian (do sự tự quay của TĐ) → Thay đổi liên tục khoảng cách giữa 2 chất điểm trên Trái đất – Mặt trăng.

Nguyên nhân hình thành – Lực hướng tâm của Trái đất

4 Lực li tâm của hệ thống trái đất - mặt trăng - mặt trời

Giữa trái đất – mặt trăng xem như chuyển động quanh 1 tâm O – nằm giữa TĐ, MT do ảnh hưởng của lực hấp dẫn

(O cách tâm TĐ ≈ 4600km, cách bề mặt 1771,2 km)

Đặc điểm:

– Lực này trong tất cả các điểm cắt của bề mặt trái đất đều bằng nhau, bằng lực ly tâm xuất hiện trong tâm trái đất cũng với chuyển động này.

– Có hướng từ mặt trăng, tác động lên tất cả các điểm của Trái đất theo phương song song với đường nối tâm.

– Có độ lớn = lực ly tâm tại tâm trái đất nhưng có hướng ngược lại.

– Tại cùng một thời điểm, tất các điểm đều chịu cùng một lực như nhau về độ lớn và hướng.

Nguyên nhân hình thành

Những biến đổi thủy triều trải qua các giai đoạn sau:

 Ngập triều :mực nước biển dâng lên trong vài giờ, ngập vùng gian triều.

 Triều cao :nước dâng lên đến điểm cao nhất

 Triều thấp:nước hạ thấp đến điểm thấp nhất

 Thủy triều tạo ra các dòng chảy có tính dao động gọi là dòng chảy triều Thời điểm mà dòng triều dừng chuyển động được gọi là nước chùng hoặc nước đứng Thủy triều sau đó đổi hướng thì ta có sự biến đổi ngược lại.

(Nước đứng thường xuất hiện gần lúc mực nước triều cao hoặc triều thấp Nhưng có những nơi là thời gian nước đứng là khác nhau đáng kể giữa triều cao và triều thấp)

4 Đặc điểm của thủy triều

…Đặc điểm của thủy triều

1 Chu kỳ triều: Chu kỳ triều phụ thuộc vào cơ chế tổ hợp các sóng triều

thành phần.Thông thường, khoảng thời gian giữa hai lần chân triều trong

một ngày gọi là chu kỳ triều.

2.Thời gian triều dâng: Khoảng thời gian từ lúc chân triều đến lúc đỉnh triều

kế tiếp.

3.Thời gian triều rút : Khoảng thời gian từ lúc đỉnh triều đến lúc chân triều.

4.Độ lớn triều: Hiệu mực nước nước lớn cao và mực nước nước ròng thấp

trong ngày.

6.Sóng triều tại vùng biển ven bờ và cửa sông:

Tính chất thủy triều tại vùng biển ven bờ, cửa sông rất phức tạp vì mực nước triều ở đây được hình thành bởi tổ hợp các sóng dài dạng sóng tiến và sóng đứng bị biến dạng mạnh do sự phản xạ, khúc xạ, tác động của lực Corriolis, lực ma sát, cấu trúc đáy, đường bờ biển và sông rạch

…Đặc điểm của thủy triều

8.Kỳ triều cường và kỳ triều kém:

Cứ trong khoảng nửa tháng có 3-5 ngày triều lên xuống mạnh (lên rất cao, xuống rất thấp) gọi là triều cường,thường sảy ra vào tuần trăng rằm và đầu tháng âm lịch ; sau đó độ lớn triều giảm dần kéo dài chừng 4-5 ngày, tiếp đó là 3-5 ngày triều lên xuống rất yếu gọi là triều kém thường sảy ra ở thời kỳ trăng non và trăng già Kế đó, độ lớn triều tăng dần trong vòng 4-5 ngày và bước vào kỳ nước cường tiếp theo

II Tiềm năng thủy triều

1 Công suất tiềm năng toàn thế giới: 3 tỷ KW

2 Lượng có thể khai thác: 640.000 KW

3 Dự đoán cung cấp toàn cầu: 1.800 TWh/năm ,

đáp ứng ≈ 5% nhu cầu năng lượng hiện

nay.

Mật độ năng lượng thủy triều

[Nguồn: http://tidalenergy.net.au/energy-comparison.html]

 Thưc tế có thất thoát năng lượng trong quá trình thành điện

năng do:

- Tốc độ dòng chảy không lí tưởng

- Các thiết bị bị ảnh hưởng bởi: các điều kiện tự nhiên, sự

ăn mòn hoặc ma sát với dòng biển

- Hệ thống dẫn điện: máy phát điện, máy biến thế, kết nối

5 Công thức năng lượng do tuabin cánh quạt sinh ra:

Tiềm năng thủy triều

Tiềm năng trên thế giới

* Canada: tiềm năng > 42 GW

*British Colombia (4000 MW), vịnh Fund, đường biển St Lawrence những điểm có tiềm năngtốt nhất Thế giới

* Mỹ: Alaska, Washington, California, Maine → mật độ năng lượng lớn

* Chile: ≥ 500 MW.

* Anh: khai thác 18TWh/năm , 40% tập trung ở phía bắc Scotland.

* Pháp: thủy triều mạnh nhất xung quanh đảo Channel.

* Austraulia: North West có những điểm thủy triều cao nhất thế giới ≈ 10m

Tiềm năng thủy triều - Thế giới

* Nga: ≈ 90.000MW.

* Ấn Độ: ≈ 9.000 MW.

- Bờ Tây: vịnh Cambay (7.000 MW).

vịnh Kutch (1200 MW).

- Bờ Đông: Các đồng bằng sông Hằng Tây Bengal phát triển quy mô nhỏ ước tính ≈ 100 MW.

* Hàn Quốc: Hiện tại ≈ 500MW.

*(phía Bắc có tiềm năng mạnh nhất thế giới )

* Trung Quốc: 200.000 KW → Tiềm năng khổng lồ.

Khu vực thủy triều lớn nhất : Thượng Hải , Chiết Giang

Tiềm năng năng lượng thủy triều Việt Nam

 Tiềm năng khai thác năng lượng thủy triều do:

- Có nhiều vũng, vịnh, cửa sông, đầm phá, đường bờ biển > 3.200km

- Độ lớn thủy triều: 0.5 -> 4.5m chủ yếu khoảng 1.5 -> 2m

 Bà Rịa - Vũng Tàu: 5,2 GWh/km2 → mật độ năng lượng thủy triều lớn nhất, cực đại.

 Phan Thiết: giảm dần tới 2,1 GWh/km2

 Thừa Thiên Huế: giảm còn: 0,3 GWh/km2.

 Nghệ An tăng: ≈ 2,5 GWh/km2.

 Quảng Ninh - Hải Phòng : Mật độ năng lượng ≈ 3,7 GWh/km2 → tiềm năng phát triển nhiều nhất.

Công suất lắp máy có thể đạt 550MW, chiếm 96% tiềm năng kỹ thuật nguồn điện thủy triều Việt Nam

Tiềm năng năng lượng thủy triều Việt Nam

 Năng lượng thủy triều - dự án đê biển Vũng Tàu

Elt = 1.97.10 6.A2.F (KWh/năm)

A: biên độ triều (m)

F: diện tích mặt nước (km2)

điều hành phát điện và chế độ triều bán nhật)

Tiềm năng năng lượng thủy triều Việt Nam

III Ứng dụng:

1 Lịch sử phát triển:

Khoảng thế kỉ XII: Sử dụng thủy triều như một loại năng lượng, chuyển động lên xuống của thủy triều → quay cối nghiền ngũ cốc Sau đó, dần bị thay thế bởi các loại năng lượng khác rẻ hơn, có sẵn (do cuộc cách mạng nông nghiệp bùng nổ).

Thế kỉ XIX: nguồn năng lượng này được quan tâm trở lại.

H.1: Nhà máy thủy triều tại Bồ Đào

Nha (≈ năm 1280)

Nguyên tắc:

khi thủy triều lên → nước giữ lại trong đập → thủy triều xuống, đập xả nước → tua bin quay → quay máy nghiền ngũ cốc.

Ứng dụng

Hiện nay, năng lượng thủy triều được thiết kế đa dạng

Lịch sử phát triển-Ứng dụng

• Khai thác năng lượng từ sự chênh lệch mực nước giữa triều lên và xuống

Thế năng

2.1 Đập thủy triều

1. Địa điểm xây dựng: Vịnh lớn và cửa vịnh nhỏ

2. Kết cấu đập: đập chứa nước, tuabin, đê kè, cổng, hệ thống khóa

3. Nguyên lí làm việc:

Khi thủy triều lên nước qua cổng đi vào đập, tới khi đủ nước cổng sẽ lập tức đóng lại, lượng nước chứa trong đập được giữ lại → khi thủy triều xuống kiệt → đập xả nước → tuabin quay → điện.

Ứng dụng-Điện năng

Ưu điểm:

Tạo con đường băng qua cửa sông, giảm xói mòn bãi biển và bờ biển

Chi phí vận hành thấp, nguyên lí hoạt động đơn giản.

Nhược điểm:

Chi phí xây dựng cao.

Vd: chi phí XD đập thủy triều công suất 8000MW tại cửa sông Severn-Anh là 15 tỉ USD.

Ảnh hưởng tới hệ động-thực vật sinh sống ở cửa sông

Làm thay đổi mức thủy triều trong khu vực, độ đục nước thay đổi

Điện năng từ thủy triều – Đập thủy triều.

H.6: 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

Điện năng từ thủy triều – Đập thủy triều.

2.2 Hàng rào thủy triều

1. Gồm: Tường thành bê tông vững chắc chặn ngang eo biển

hoặc cửa sông, có những khoảng rỗng lớn để gắn tuabin

4. Ưu điểm: tạo ra con đường băng qua sông và ít tác động

đến môi trường hơn so với đập thủy triều

5. Nhược điểm: ảnh hưởng tới sự di chuyển của các sinh vật

biển lớn

Điện năng từ thủy triều

H.8: Tuabin thủy triều trục đứng và hiệu suất hoạt động

Điện năng từ thủy triều – Hàng rào thủy triều.

Điện năng từ thủy triều – Hàng rào thủy triều.

2.3 Tuabin thủy triều

2. Đặc điểm: Khá giống với tuabin gió nhưng đặt dưới nước, tuabin bố trí thành hàng, tương tự như trang trại tuabin gió Do

nước biển nặng hơn không khí → một tuabin thủy triều có thể tạo năng lượng nhiều hơn tuabin gió có cùng kích thước.

4. Vị trí đặt: cửa sông, cửa vịnh, có độ sâu 20-30m; những nơi có dòng chảy mạnh.

5. Ưu điểm: ít ảnh hưởng tới môi trường sinh thái, mỹ quan khu vực Có thể sử dụng cả khi thủy triều lên - xuống.

6. Nhược điểm: áp lực nước lớn → thiết bị phải có thiết kế bền vững cao, khó khăn trong việc bảo trì Sinh vật biển hoặc rác

thải có thể bị cuốn vào, mắc kẹt trong tuabin Tuy nhiên các tuabin cải tiến sau này: tuabin venturi, tuabin tidel, tuabin diều Công suất cao hơn, an toàn cho môi trường và sinh vật biển

Điện năng từ thủy triều

H.8: Một số loại tuabin thủy triều

Tuabin-Điện năng từ thủy triều

1. Là một tháp được neo dưới đáy biển, cách bờ ≈ 400 m,

tại vịnh Strangford - Bắc Ireland (dòng thủy triều tại

đây chuyển động rất nhanh, vận tốc có thể đạt 15 km/h

2. Chuyển động lên xuống của thủy triều → quay 2 rotor

(d = 16m gắn trên một trục) → điện năng (tốc độ dòng

chảy ít nhất = 3,5 km/h).

gấp 4 lần so với các turbine khác, có thể cung cấp điện

cho ≈ 1.000 hộ dân .

H.9: Turbine SeaGen

Tuabin-Điện năng từ thủy triều

1. Mật độ năng lượng lớn : Nước biển năng hơn không khí 832 lần, một đợt thủy triều có tốc độ 8 hải lí (khoảng 14.81 km/h)

cung cấp năng lượng nhiều hơn tốc độ gió 380 km/h.

2. Nguồn điện đáng tin cậy: thủy triều hầu như không phụ thuộc theo mùa, thời tiết, có thể dự đoán trước được nhiều năm

nhờ nghiên cứu quỹ đạo mặt trăng, mặt trời, trái đất Trong khi đó năng lượng mặt trời thường biến động mạnh, gió thì khó dự đoán.

3. Chi phí nhiên liệu bằng không: Nhiên liệu là nước – miễn phí, trong quá trình hoạt động chỉ có chi phí bảo trì.

4. Vòng đời dài: một đập thủy triều sau khi xây dựng có thể hoạt động tới 100 năm, do đó chi phí thủy triều sẽ không cao nếu

tính dài hạn.

5. Không phát thải khí nhà kính, chất thải nguy hại

6. Cải thiện giao thông : Đập, hàng rào có thể làm cầu nối qua các sông, eo biển

3.Hủy hoại môi trường: Ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái, (quá trình di cư sinh vật, nơi ở, nguồn thức ăn của sinh vật), chất thải tích tụ tại khu vực đập → loài thủy sinh.

4.Những rủi ro khác : Độ sâu, độ đục biển-sông thay đổi ảnh hưởng đến hoạt động du lịch, giải trí tại địa phương

Ứng dụng-Năng lượng thủy triều

IV- Tình hình

Năng lượng thủy triều ứng một dạng năng lượng có nguồn nhiên liệu vô tận và miễn phí, lại không đòi hỏi sự bảo trì cao.

được dự báo chính xác.

vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát điện mang tính khả thi

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng nguồn năng lượng từ biển

công suất 240 MW

 Trung Quốc cũng là một nước rất quan tâm đến nguồn năng lượng sạch, hiện nay Trung Quốc có 7 nhà máy

điện thủy triều đang vận hành với tổng công suất 11 MW.

 Hàn Quốc đang chú trọng khai thác năng lượng thủy triều.

Vd: Nhà máy điện thủy triều Shiwa - công suất 254 MW hoàn thành năm 2010; tại thành phố Incheon từ năm 2007 đã xây

dựng một nhà máy có công suất 812 MW lớn nhất thế giới với 32 tổ máy và sẽ đưa vào vận hành năm 2017

Tình hình

Quốc gia Dự án Công nghệ sử dụng Năm vận hành Địa điểm Tổng công suất

Pháp La Rance Đập thủy triều 1966 Cửa sông Rance, miền Bắc nước Pháp 240

Canada Annapolis

Roya

Đập thủy triều 1984 Vịnh Fundy, Nova Scotia 20

Trung Quốc c Jiangxia Đập thủy triều 1985 Chiết Giang, Trung Quốc 3.2

Anh Strangford

Lough Seagen

Tuabin thủy triều

2007 Strangford , Lough 1.2

Sihwa Tidal Power Station Đập thủy triều 2011 254

Các nhà máy điện thủy triều đã được xây dựng

Tình hình

Các dự án thủy triều đang được triển khai

(MW)

Năm vận hành dự kiến

Plant

Mezenskaya Tidal Power Plant

Penzhinskaya Tidal Power Plant

Tình hình

DỰ ÁN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG THỦY TRIỀU LỚN NHẤT THẾ GIỚI

 Đường kính của máy phát điện chạy bằng turbine lên tới 14m và chiều dài cánh quạt là 7,5m

năm

lớn nhất thế giới với hiệu suất năng lượng 544 triệu kWh/năm Lượng điện này đủ để cung cấp cho 500 nghìn hộ gia đình.

Tình hình

Tình hình

Nhà máy điện thủy triều La Rance - Pháp

Năm 1961: Pháp XD nhà máy điện thủy triều đầu tiên trên thế giới ở sông LaRance, kết nối thành công với hệ thống đường

Tình hình

Dự án năng lượng thủy triều lớn nhất Châu âu đã được Scotland cấp phép

Khi giai đoạn đầu tiên của dự án được hoàn

thành vào năm 2020, các mảng dự kiến sẽ tạo

ra đủ điện cho 42.000 hộ gia đình - khoảng 40

% nhà ở trong khu vực Tây Nguyên của

Scotland.

Tình hình

- Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng từ sóng biển

- Tuy nhiên, rất tiếc là sự đầu tư và khai thác nguồn năng lượng sạch này khá chậm so với thế giới đã và đang thực hiện

- Hiện tại, phát triển năng lượng biển ở nước ta mới chỉ ở giai đoạn hết sức sơ khai

- Việt Nam còn khá chậm trong việc xem xét có nên gia nhập Nhóm Quốc tế về Năng lượng Đại dương (OES)

- Việt Nam cần sớm tham gia các tổ chức quốc tế để có thể triển khai hiệu quả triệt để chiến lược năng lượng xanh, góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững