Tính toán trường dòng chảy và đánh giá tiềm năng khai thác điện từ dòng chảy biển tại vùng biển cửa sông Mê Kông

Nghiên cứu này có mục đích ước tính tiềm năng khai thác điện từ nguồn năng lượng dòng chảy biển cho vùng biển cửa sông Mê Kông nhờ việc tính toán trường dòng chảy tại vùng biển này bằng mô hình ROMS (Regional Ocean Modeling System) và thử nghiệm ước tính ứng dụng một trong các thiết bị tạo điện từ dòng chảy biển đang được nghiên cứu tại Việt Nam hiện nay.

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Mơi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 Tính tốn trường dịng chảy đánh giá tiềm khai thác điện từ dòng chảy biển vùng biển cửa sơng Mê Kơng Vũ Thị Vui* Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 30 tháng 11 năm 2018 Chỉnh sửa ngày 12 tháng 12 năm 2018; Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2018 Tóm tắt: Khai thác lượng tái tạo từ biển chủ đề quan tâm năm gần Việt Nam Nhiều vùng biển ven bờ nước ta khảo sát, đánh giá khả khai thác lượng biển, nhiên chưa có nghiên cứu quan tâm chi tiết tiềm khai thác điện dòng chảy cho vùng biển cửa sông Mê Kông thuộc vùng biển ven bờ Đông Nam Bộ - nơi đánh giá tốt nguồn lượng từ dòng chảy biển Nghiên cứu có mục đích ước tính tiềm khai thác điện từ nguồn lượng dòng chảy biển cho vùng biển cửa sơng Mê Kơng nhờ việc tính tốn trường dịng chảy vùng biển mơ hình ROMS (Regional Ocean Modeling System) thử nghiệm ước tính ứng dụng thiết bị tạo điện từ dòng chảy biển nghiên cứu Việt Nam Kết tính cho thấy, tiềm khai thác điện vùng biển cửa sông Mê Kông khả quan, với công suất điện đạt 209 MWh cửa sông, 116 MWh Côn Đảo vào tháng 55 MWh hai vị trí vào tháng Từ khóa: Dịng chảy biển, lượng tái tạo, cửa sơng Mê Kông, biển Đông Nam Bộ, ROMS Đặt vấn đề an toàn quan trọng cả, nguồn lượng coi vơ tận Các nguồn lượng tái tạo người khai thác để tạo điện nhiều nơi giới kể đến lượng mặt trời, lượng gió, lượng địa nhiệt, lượng từ biển: sóng, dịng chảy, thủy triều, nhiệt biển, muối biển.Việt Nam nhiều quốc gia khai thác điện từ mặt trời Đầu tháng năm 2012, Bạc Liêu, 10 tua bin điện gió biển với tổng công suất 16MW đấu nối vào lưới điện quốc gia, đưa Việt Nam vào danh sách nước khai thác điện từ gió Tuy nhiên nay, Việt Nam chưa có nhà máy điện sử dụng lượng biển, dù tiềm khai thác Năng lượng phục vụ cho người vấn đề cấp thiết Trước thực trạng nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, lượng thủy điện khai thác hết, lượng hạt nhân mang lại nhiều rủi ro,… nguồn lượng tái tạo với mạnh trọng đầu tư nghiên cứu, khai thác Các nguồn lượng tái tạo có nhiều ưu điểm: nguồn lượng sạch, ảnh hưởng đến mơi trường,  Tác giả liên hệ ĐT.: 84-902143446 Email: vuivt@vnu.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4340 98 V.T Vui / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 lượng biển nước ta đánh giá khả quan Theo Lê Đình Mầu cs (2010), tốc độ dịng chảy có giá trị từ 0,3 - 3,0 m/s đủ để chứa nguồn lượng cực lớn, tổng lượng tiềm dịng chảy biển giới lên tới tỷ KW Theo nhóm tác giả này, dải ven biển Nam Trung Bộ đánh giá có tiềm phát triển điện dịng chảy nước, nhiên vị trí có sóng lớn, dịng chảy mạnh nằm mũi đá nhô biển làm tăng chi phí khai thác [1] Với mục đích ước tính tiềm khai thác điện từ nguồn lượng dịng chảy biển cho vùng biển cửa sơng Mê Kông Côn Đảo nhằm đáp ứng nhu cầu điện cho khu vực đồng thời có khả làm giảm ảnh hưởng xâm nhập mặn lên đồng sông Cửu Long, nghiên cứu tập trung tính tốn trường dịng chảy vùng biển cửa sơng Mê Kơng mơ hình ROMS (Regional Ocean Modeling System) để đưa thông tin cần thiết làm đầu vào cho việc thử nghiệm ứng dụng thiết bị tạo điện từ dòng chảy biển nghiên cứu Việt Nam mơ hình máy phát điện dịng hải lưu KS Dỗn Mạnh Dũng [2]  H Zu  t    uH Z u  x    vH Z u  y    H Z u   99 Phương pháp nghiên cứu nguồn số liệu sử dụng 2.1 Giới thiệu hệ thống mơ hình ROMS Theo D.B Haidvogel cs (2008), ROMS mô hình ba chiều nghiên cứu phát triển Đại học California, Đại học Rutgers (Hoa Kỳ) tổ chức IRD (Pháp) ROMS giải phương trình thủy động lực thủy tĩnh bề mặt tự cho địa hình phức tạp, hệ lưới cong trực giao theo phương ngang tọa độ sigma thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng Theo sơ đồ sai phân trung tâm bậc hai lưới Arakawa-C sử dụng cho phương ngang với điều kiện biên trượt tự do, trượt phần điều kiện dính, theo phương thẳng đứng sử dụng sai phân xen kẽ bậc hai Nghiên cứu sử dụng phiên ROMS_AGRIF phát triển tổ chức IRD (Pháp) [3], hỗ trợ công cụ ROMSTOOLS xử lý thông tin vào/ra cho q trình trước sau chạy mơ hình Nhân thủy động lực ROMS giải hệ phương trình NavierStokes trung bình Reynolds, sử dụng xấp xỉ Boussinesq xấp xỉ thủy tĩnh Hệ phương trình nguyên thủy ROMS sau:  fH Z v   H Z p    u  HZg  (u ' w '  ) (1)  x x  H Z    HZ v   uHZ v   vHZ v   HZ v H p    v     fHZ u   Z  HZ g  (v ' w'  ) (2) t x y  0 y y  HZ  0 p g  H  (3) 0  0 z C  H Zu   H Z v  H Z       (4)   f (T , S, p) (5) t x y   ( H Z C )   uH Z C    vH Z C     H Z C   k C     (C ' w '  )  C source (6) t x y   H Z  đó: u, v,Ω tương ứng thành phần vận tốc theo phương x, y, σ; ζ h - cao độ mặt thoáng đáy biển; HZ - hệ số tỷ lệ theo phương đứng; f - tham số Coriolis; g - gia tốc trọng trường; υ - hệ số nhớt k - hệ số khuếch tán; ρ ρ0 - mật độ mật độ chuẩn; T, S p -nhiệt độ, độ muối áp suất; C Csourse nồng độ (hoặc sinh khối) nguồn sinh/mất yếu tố vô hướng (như nhiệt, muối, chất hòa tan, lơ lửng hay sinh vật ); gạch ngang – biểu thị lấy trung bình thời gian; dấu nháy (’) - nhiễu động rối Khép kín rối thực nhờ tham số hóa ứng suất Reynolds thơng lượng rối với có mặt hệ số nhớt xốy động lượng (KM) hệ số khuếch tán (KH): 100 V.T Vui / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 ′ ′ = − (7); ′ ′ = − (8) ′ ′ = − Hình Trái: sơ đồ lưới Arakawa-C theo phương ngang Phải: lưới ROMS theo phương thẳng đứng theo D.B Haidvogel cs (2008) 2.2 Nguồn số liệu sử dụng Địa hình miền tính lấy từ nguồnsố liệu ETOTO2 có độ phân giải phút; yếu tố khí tượng tạo đầu vào lực tác động lấy từ nguồnsố liệu COADS05 (số liệu toàn cầu trung bình tháng thơng lượng khí tượng bề mặt biển); yếu tố hải văn tạo điều kiện biên ban đầu lấy từ nguồn số liệu WOA2009 (số liệu tồn cầu trung bình tháng yếu tố thủy văn biển) [4]; Nguồn số liệu thủy triều làbộ số liệu số điều hòa thủy triều TPXO7 xử lý từ số liệu thủy triều OSU, dùng làm điều kiện để tính lan truyền triều từ biên, với 10 số điều hịa sóng chính: M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, Mf, Mm Mơ hình tính từ ngày 1/1/2018 đến ngày 31/7/2018 với bước thời gian 900s 2.3 Phạm vi nghiên cứu lưới tính Nghiên cứu sử dụng miền tính: kinh độ: 105.50E – 1090E; vĩ độ: 150N - 190N Lưới tính (9) Hình Địa hình lưới tính khu vực nghiên cứu có độ phân giải 1/120 (khoảng km), chia thành 10 tầng sigma (hình 3) 2.4 Thiết bị tạo điện từ dòng chảy biển Thiết bị tạo điện từ dòng chảy biển sử dụng nghiên cứu mơ hình máy phát điện dịng hải lưu Dỗn Mạnh Dũng (2018) thiết kế phát triển [2] Theo thiết kế Doãn Mạnh Dũng (2018), khối máy phát điện gọi mơ-đun, có kích thước thiết kế cho việc khai thác dịng hải lưu có độ sâu 20m với chiều rộng 32m, chiều dài 34.5 m, chiều cao kể thượng tầng 35m Một môđun máy phát điện có trục tuốc bin Mỗi trục turbine có 15 cửa tiếp nhận lượng Mỗi cửa có mơ-đun cánh quạt Mỗi mơ-đun cánh quạt có nón tiếp nhận động hình chóp nón với đường kính 1m Máy phát điện sử dụng động dòng thủy lực theo mơ hình đón lượng hệ cánh quạt hình chng máy đo gió [2] (hình 3) Nghiên cứu sử dụng thiết bị giả định thiết kế cho vùng nước nông với hai tầng nước: tầng 3m tầng 7m V.T Vui / Tạp ạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, ờng, Tập 34, Số 1S ((2018) 98-105 101 Hình Mơ đun máy phát điệện phân bố véc tơ tốc độ dòng chảy tác động ng vào máy phát điện [2] Các cơng thức tính công suấất từ động sang điện với hệ số hiệu u suất su 60 % theo nguyên tắc bảo toàn lượng ng sau [2]: W= 0.5 mv2 (10) Trong đó: m: khối lượng vậtt di chuyển chuy ( kg ) v: tốc độ vật di chuyển( n( m/s) W: động vậtt di chuyển chuy (Ws) Khi dịng chảy gặp p chng, m khối lượng nước m sau tác động ng vào mặt m chng có bán kính r giây: m = 1034 π r2.v (kg) (11) Trong m3 nước biển n = 1000 x 1.034 = 1034 kg r = 0.5 m - bán kính củaa chng v: tốc độ dịng chảy y (m/s) π = 3.1416 - số Pi Động chuyển từ dòng chảy ch thành điện giây công suất củaa m cánh quạt N = k 0.5 m v2 (12) Trong k = 0.6 - hệ số giả định nh chuyển chuy đổi từ động sang điện Kết thảo luận 3.1 Trường dịng chảy trung bình ình năm n vùng biển cửa sông Mê Kông Kết trường dịng chảy vùng biển cửa sơng Mê Kơng ợc sử dụng l trường dòng chảy tháng tháng 7, đại ại diện cho hai mùa m gió tương ứng làà mùa gió Đơng Bắc B mùa gió Tây Nam Hình thểể kết trường tr dòng chảy tầng mặt, tầng 5-7m lúc 0h ngày 15/1/2018– mùa gió Đơng B Bắc vùng biển cửa sông Mê Kông Kết ết cho thấy: V Vào thời kỳ mùa đông, chịu ảnh hưởng ởng gió m mùa Đơng Bắc, dịng chảy vùng biển ển ven bờ Đơng Nam Bộ có hướng chủ đạo hướng ớng Tây Nam, dao động khoảng 0.02 – 0.63 m/s, vvới tốc độ đạt cực đại lên đến ên 0.6 m/s Vùng ccửa sông Mê Kơng sát bờ xuất cực đại ddịng chảy đạt 0.6 m/s Khu vực ực Côn đảo xuất cực đại dòng chảy ảy đạt tr 0.5 m/s Kết trường dòng òng ch chảy tầng mặt, tầng 35-7m lúc 12h ngàyy 22/7/2018 – mùa gió Tây Nam vùng biển cửa sơng Mê Kơng (hình 5) cho thấy: Vào thời kỳ mùa ùa hè, ch chịu tác động gió mùa ùa Tây Nam, dòng ch chảy chủ đạo vùng biển ển ven bờ Đơng Nam Bộ có hhướng Đơng Bắc, ắc, dao động khoảng 0.01 –0.4 m/s, với tốc độ đạt cực ực đại llên đến 0.4 m/s Vùng cửa ửa sông M Mê Kông sát bờ xuất cực đại dòng òng ch chảy đạt 0.4 m/s, đồng ồng thời khu vực quanh Cơn Đảo tồn cực đại dịng òng ch chảy đạt 0.4m/s Kết hợp với trường dịng ịng ch chảy tháng trên, thấy ột kết đáng ý để cân nhắc ắc đặt hệ thống phát điện hai khu vực này, đặc biệt khu vực ực Cơn Đảo - nơi cần thiết có hệ thống phát điện riêng êng Từ hai khu vực xuất cực đại tốc độ dòng chảy hai mùa ại vvùng cửa sông sát bờ Côn Đảo, ảo, trích xuất số liệu ddịng chảy tính trung bình vị trí đạt cực sử dụng cho việc ước ớc tính tiềm khai thác điện hai khu vực 102 V.T Vui / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 Hình Trường dịng chảy 0h ngày 15/1/2018: Hàng trên: tầng mặt (trái) tầng 3m (phải), Hàng dưới: tầng 5m (trái) tầng 7m (phải) vùng biển cửa sông Mê Kông 3.2 Đánh giá tiềm khai thác điện từ dịng chảy biển Từ kết trích xuất hai khu vực quan tâm, với giả thiết đặt máy phát điện đó, đưa hai giá trị trung bình tốc độ dịng chảy tương ứng qua hai nhóm cánh quạt máy phát điện Qua đó, theo cơng thức (12), đưa ước tính khả khai thác điện vùng biển cửa sông Mê Kông với giả thiết sử dụng 20 mô đun máy phát điện bảng Các kết tính tốn cho thấy vùng biển cửa sơng Mê Kơng có tiềm khai thác điện tương đối tốt so sánh với loại hình phát điện từ thủy điện nhiệt điện: 209 MWh cửa sông, 116 MWh Côn Đảo vào tháng 1/2018 55 MWh hai vị trí vào tháng 7/2018, với cơng suất tổng cộng V.T Vui / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 khu vực cửa sông: đạt gần 156.000 MW vào tháng 41.000MW vào tháng 7, cịn Cơn Đảo: đạt 86.000MW vào tháng 41.000MW vào tháng Giá trị khai thác lớn đặt hệ thống nhiều mô đun Đặc biệt, vị trí khai thác điện sát bờ đem đến nhiều thuận lợi cho việc xây dựng truyền tải điện, đồng thời, việc khai thác lượng dịng chảy góp phần làm giảm tượng xâm nhập mặn gây đau đầu 103 cho nhà quản lý, nhà khoa học người dân nơi Cịn vị trí Cơn Đảo, khai thác điện dòng chảy khu vực điều cần thiết, việc xây dựng hệ thống phát điện riêng từ biển khu vực mang lại nhiều giá trị kinh tế-xã hội Tuy nhiên, việc tính tốn ứng dụng máy phát điện giai đoạn thử nghiệm, lý thuyết, cần có thêm thực tiễn để chứng minh Hình Trường dịng chảy 12h ngày 22/7/2018: Hàng trên: tầng mặt (trái) tầng 3m (phải), Hàng dưới: tầng 5m (trái) tầng 7m (phải) vùng biển cửa sơng Mê Kơng 104 V.T Vui / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 Bảng Ước tính tiềm khai thác điện dòng chảy ven bờ cửa sơng Mê Kơng Cơn Đảo Vị trí cửa sơng Mê Kơng Nhóm cánh quạt tầng Nhóm cánh quạt tầng Tổng cộng tuốc bin Tổng cộng mô đun (7 tuốc bin) Tổng cộng 20 mơ đun Mùa gió Đơng Bắc Tốc độ dịng chảy (được Cơng suất tính trung bình giờ) (MWh) (m/s) 0,6 0.947 0,5 Nhóm cánh quạt tầng Nhóm cánh quạt tầng Tổng cộng tuốc bin Tổng cộng mô đun (7 tuốc bin) Tổng cộng 20 mô đun Tổng cộng tháng (744 giờ) 0,3 118.405 1,495 0,399 10,465 2,793 55,86 209,3 MWh Tổng cộng tháng (744 giờ) Vị trí Cơn Đảo 0.548 Mùa gió Tây Nam Tốc độ dịng chảy (được Cơng suất tính trung bình giờ) (MWh) (m/s) 0,4 280.663 155.719 MW Mùa gió Đơng Bắc Tốc độ dịng chảy (được Cơng suất tính trung bình giờ) (MWh) (m/s) 0.5 0,548 0.4 0,281 41.560 MW Mùa gió Tây Nam Tốc độ dịng chảy (được Cơng suất tính trung bình giờ) (MWh) (m/s) 0.4 0,281 0.3 0,118 0,829 0,399 5,803 2,793 55,86 116,06 86.348 MW Kết luận Kết ứng dụng mơ hình thủy động lực ROMS vùng biển cửa sông Mê Kông cho thấy: Thời kỳ mùa đơng, dịng chảy vùng biển ven bờ Đơng Nam Bộ có hướng chủ đạo hướng Tây Nam, dao động khoảng 0.02 – 0.6 m/s, với tốc độ đạt cực đại lên đến 0.6 m/s thời kỳ mùa hè, tốc độ dòng chảy dao động khoảng 0.01 – 0.4 m/s, với tốc độ đạt cực đại lên đến 0.4 m/s Cả hai mùa cho thấy tồn hai vị trí cực đại tốc độ dịng chảy: khu vực sát bờ Cơn 41.560 MW Đảo, từ giả thiết đặt máy phát điện hai vị trí Kết tính tốn cơng suất tạo điện theo giả thiết cho thấy vùng biển cửa sơng Mê Kơng có tiềm khai thác điện tương đối tốt so sánh với nhiều loại hình khai thác khác thủy điện hay nhiệt điện (hơn 209 MWh vào mùa gió Đơng Bắc 55 MWh vào mùa gió Tây Nam).Vị trí khai thác điện tiềm đặt Cơn Đảo đem lại nhiều thuận lợi Tuy nhiên, việc ước tính nghiên cứu giai đoạn thử nghiệm, cần có nghiên cứu thực nghiệm sâu V.T Vui / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 98-105 Lời cảm ơn Tác giả NCS thuộc đề án 911 nên nhận tài trợ cho nghiên cứu từ đề án Tác giả xin cảm ơn tài trợ Tài liệu tham khảo [1] Lê Đình Mầu, Nguyễn Bá Xuân, 2010, “Khái quát lượng biển bước đầu đánh giá tiềm 105 chúng Việt Nam”, Tuyển tập Nghiên cứu biển, XVII, tr 199-206 [2] Doãn Mạnh Dũng, 2015, “Ý tưởng dùng dòng hải lưu để phát điện”, Báo khoa học Phổ thông số 50/14 (1652) ngày 2/1/2015 (được cập nhật ngày 16/01/2018 website kinhtebien.vn) [3] Pierrick Penven, Gildas Cambon, Thi-Anh Tan, Patrick Marchesiello and Laurent Debreu, 2010, ROMS AGRIF/ROMSTOOLS User’s Guide, Institut de Recherche pour le D´eveloppement (IRD), France [4] Website: https://www.croco-ocean.org/ Estimating the Sea Current Field and Assessing the Potential for Exploiting Electricity from the Sea Current in the Estuary of the Mekong River Vu Thi Vui Faculty of Hydro-Meteology & Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Abstract: Exploiting renewable energy from the sea is a topic of great interest in recent years in Vietnam Many coastal areas of our country have been surveyed to assess the potential of marine energy exploitation However, there have been no studies detailing the potential of exploiting the sea current energy in the Mekong River mouth This study aims to estimate the potential of marine power generation for the Mekong River mouth by calculating the ocean current flow using the Regional Ocean Modeling System (ROMS) It is estimated following one of the marine electricity generation equipment is being studied in Vietnam The results show that the potential for power exploitation in the Mekong River mouth is positive, with total capacity reaching over 209 MWh at the river mouth, above 116 MWh in Con Dao in January and above 55 MWh in both locations in July in 2018 Keywords: Ocean currents, recycled energy, Mekong estuary, South East sea, ROMS  ... (12), đưa ước tính khả khai thác điện vùng biển cửa sông Mê Kông với giả thiết sử dụng 20 mô đun máy phát điện bảng Các kết tính tốn cho thấy vùng biển cửa sơng Mê Kơng có tiềm khai thác điện tương... đổi từ động sang điện Kết thảo luận 3.1 Trường dòng chảy trung bình ình năm n vùng biển cửa sơng Mê Kơng Kết trường dịng chảy vùng biển cửa sông Mê Kông ợc sử dụng l trường dòng chảy tháng tháng... Hình Trường dòng chảy 0h ngày 15/1/2018: Hàng trên: tầng mặt (trái) tầng 3m (phải), Hàng dưới: tầng 5m (trái) tầng 7m (phải) vùng biển cửa sông Mê Kông 3.2 Đánh giá tiềm khai thác điện từ dòng chảy