Với tiềm năng năng lượng sóng biển trên các vùng biển Việt Nam cũng như
các điều kiện tự nhiên ưu đãi khác, Việt Nam hoàn toàn là một quốc gia có thể lắp
đặt và khai thác một cách mạnh mẽ nguồn năng lượng tái tạo này. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác một số các yếu tố cũng cần phải được lưu ý như sau. Việt Nam bao gồm các vùng biển mà thuộc 1 trong 5 ổ bão trên thế giới. Thông thường, mùa bão và áp thấp nhiệt đới sẽ kéo dài từ tháng 5 đến tháng 12 và quy luật hoạt động của bão khá phức tạp. Theo số liệu thống kê của khoảng 80 năm trở lại đây, hàng năm có khoảng từ 1–12 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào vùng biển và ven bờ
nước ta. Vì vậy, trung bình mỗi năm có khoảng 6 cơn bão và 6 cơn áp thấp nhiệt
đới, trong đó có khoảng 25–30% số cơn xuất hiện trong khu vực đông nam Biển
Đông.
Căn cứ vào các số liệu thống kê này, việc đề xuất các hệ thống khai thác năng lượng sóng biển có khả năng chịu đựng được các cơn bão đi qua khu vực khai thác là một trong những yêu cầu quan trọng hàng đầu.
Hai hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS và WD mà đã được giới thiệu và phân tích trong các chương 3 và 4 có thểđược xem là phù hợp với các điều kiện tự nhiên của các vùng biển Việt Nam. Các hệ thống này có thểđược sử dụng
để khai thác và biến đổi nguồn năng lượng tái tạo sóng biển thành năng lượng điện nhằm phục vụ cho nhu cầu phụ tải điện ngày càng phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam và cũng để giảm bớt các gánh nặng cho các nguồn điện truyền thống.
2.4 Kết luận
Nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn năng lượng sóng biển nói riêng có ý nghĩa rất lớn trong việc tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Tuy nhiên, hiện nay xét về giá cả thì các nguồn năng lượng tái tạo không thể cạnh tranh được với các nguồn năng lượng truyền thống. Vì vậy, việc đầu tư để phát triển nguồn năng lượng tái tạo sao cho giảm bớt các chi phí đầu tư và phát triển là thật sự cần thiết ở Việt Nam. Để thực hiện được điều này, các khung pháp lý cần phải được xây dựng đủ hấp dẫn để thu hút các doanh nghiệp, các nhà
đầu tư tài chính trong và ngoài nước tham gia khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn năng lượng sóng biển nói riêng và cũng cần phải có một chiến lược phát triển bền vững cho Việt Nam về vấn đề năng lượng.
Chương 3
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG
LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH
NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
Chương này trình bày tổng quan về tiềm năng và mức độ khai thác nguồn năng lượng sóng biển trên thế giới và tại Việt Nam. Bên cạnh đó, các nghiên cứu, các đề xuất và các kết quả đạt được của các nhà khoa học cho lĩnh vực biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện cũng sẽ được tóm tắt trong chương này. Trên cơ sở của tổng quan, các đánh giá và phân tích về tiềm năng cũng như các giải pháp khai thác cho nguồn năng lượng tái tạo này sẽ chính xác hơn và hiệu quả hơn.
3.1 Nghiên cứu khai thác năng lượng sóng biển trên thế giới
Từ những năm 70 của thế kỷ 20, các nước có vùng biển rộng và khoa học tiên tiến như Na Uy, Thụy Điển, Mỹ, Pháp và Nhật Bản đã có các chương trình nghiên cứu về năng lượng sóng. Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây dựng ở Na Uy năm 1984 và hoàn thành vào năm 1986.
Châu Âu là khu vực đứng đầu trong việc áp dụng năng lượng sóng, hiện nay đã có 4 dự án khai thác thương mại năng lượng sóng. Giá thành điện năng từ gió hiện nay đã giảm 80%, trong vòng 20 năm vừa qua nhờ các tiến bộ về thiết bị và tối ưu hóa trong kết cấu. Với giá cả ban đầu khoảng ½ giá ban đầu của năng lượng gió và ¼ giá hiện thời của năng lượng pin mặt trời, năng lượng sóng có một tiềm năng rất lớn để trở thành một nguồn năng lượng có giá rẻ nhất trong tương lai.
Năm 2004, nghiên cứu khả thi của EPRI cho thấy tiềm năng của năng lượng sóng tại khu vực Bắc Mỹ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng thủy triều. Kết luận của nghiên cứu này là giá thương mại hiện nay của điện năng từ sóng biển tại một
số khu vực triển vọng trong khoảng 11-13 cent/kWh nhưng giá này sẽ giảm mạnh do sẽ có nhiều cải tiến trong công nghệ và kỹ thuật.
Hiện nay, mới có một số ít MW điện năng khai thác được từ sóng biển. Nhà máy điện thương mại từ sóng biển đầu tiên với công suất 30 MW được xây dựng ở Bồ Đào Nha. Tại Mỹ, mới có phao năng lượng sóng đầu tiên với công suất 40 kW tại căn cứ biển ở Kancohe Hawaii. Bản quyền ứng dụng nhà máy điện phục vụ dân sinh thực tế đầu tiên được thực hiện tháng 11/2006 với công suất 1 MW tại vịnh Makah, bang Washington, Mỹ.
Nước Anh đã chi 2,3 triệu bảng Anh hỗ trợ Wavegen tiến hành các thử nghiệm các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển tại vùng biển phía tây Isles năm 2002. Nguồn kinh phí này được sử dụng để thử nghiệm 3 thiết bị năng lượng sóng ven bờ dựa trên nguyên lý dao động cột nước. Một dự án với kinh phí 3,7 triệu bảng Anh có mục tiêu tập hợp các thiết bị khai thác năng lượng sóng cho khu vực tại Isles đã công bố là đạt được một số bước tiến gần với hiện thực, cho thấy hiện nay nước Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng.
Theo Tân Hoa xã, các nhà khoa học Trung Quốc vừa xây dựng thử nghiệm một nhà máy điện sóng biển có thể chịu được những cơn bão. Y. Yage phụ trách nhóm các nhà khoa học thuộc Viện khoa học Trung Quốc tại Quảng Châu cho biết, nhà máy điện mới đạt hiệu quả hơn, chi phí thấp hơn và chịu được những cơn bão. Nhà máy điện công suất 6 kW đã được thử nghiệm và hoạt động tốt sau hơn 20 cơn bão. Theo các nhà khoa học, việc thử nghiệm cho thấy thiết bị này có thể sử dụng để thắp sáng đèn, máy tính, máy điều hòa và khử muối khỏi nước biển. Y. Yage và các cộng sự đã chế tạo thành công nhà máy điện sóng đặt tại thành phố Shanwei, miền nam Trung Quốc, thuộc tỉnh Quảng Đông.
Tập bản đồ năng lượng tái tạo trên biển của Liên hiệp Anh là một nguồn thông tin để phục vụ cho việc quy hoạch khai thác các nguồn năng lượng biển nói chung và năng lượng sóng nói riêng. Tập bản đồ sóng là một phương tiện để xác định các phân bố về năng lượng sóng theo các thời gian khác nhau trong năm và các
khu vực vùng biển khác nhau tại khu vực biển ven bờ và ngoài khơi Liên hiệp Anh. Dự án xây dựng tập bản đồ này được Bộ Công thương Anh tài trợ.
Nguồn số liệu chính cho cả trường gió synnop và trường sóng để xây dựng tập bản đồ năng lượng sóng được thu thập từ các mô hình dự báo nghiệp vụ của cơ quan khí tượng. Các mô hình dự báo nghiệp vụ của Anh hiện nay đã bao phủ trên diện tích toàn cầu, khu vực Châu Âu và vùng biển Liên hiệp Anh với các lưới tương ứng là 60; 35 và 12 km. Mô hình tính sóng được sử dụng là mô hình tính sóng tương thích với nguồn số liệu gió. Các kết quả của mô hình tính sóng được đưa ra 3 giờ một lần bao gồm các kết quảđịnh lượng về độ cao sóng hữu hiệu, chu kỳ sóng đi qua điểm trung bình và hướng sóng trung bình.
Mô hình tính sóng sử dụng là mô hình tính sóng thế hệ hai với các chu kỳ sóng tính toán dao động trong dải 3 giây đến 25 giây và với bước sóng trong khoảng từ 15 m đến 975 m. Số liệu gió đưa vào là số liệu gió tại tầng 10 m trên mặt biển nhận được từ cơ quan Khí tượng Anh. Số liệu gió này được đồng hóa từ các số liệu gió thu được từ vệ tinh, số liệu gió quan trắc trên tàu biển và số liệu gió từ các hệ thống phao đo đạc trên mặt biển. Tốc độ gió, thời gian gió thổi và hướng gió được xác định theo các khoảng chu kỳ và hướng để tạo ra năng lượng sóng trong mô hình tính sóng thông qua cơ chế truyền năng lượng của gió cho sóng trong sóng gió. Các thành phần phổ sóng được tham số hóa theo các đỉnh phổ và lưới phân bố đỉnh phổ và dựa vào đó để lựa chọn các phổ JONSWAP tương ứng, mô phỏng sự phát triển của sóng gió.
Để có được chế độ sóng, các nhà khoa học đã sử dụng số liệu trường gió và sóng khôi phục trong thời gian từ 6/2000 đến 9/2003. Các số liệu trong khoảng thời gian này được kiểm chứng với số liệu nhận được của mô hình tính sóng cho toàn Châu Âu.
Tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp Anh bao gồm các thông tin về trường sóng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ cao sóng hữu hiệu,
Chu kỳ sóng trung bình,
Hướng truyền năng lượng sóng.
Hình 3.1 Bản đồ trung bình năm của độ cao sóng cho khu vực vùng biển liên hiệp Anh
Độ cao sóng rất lớn tại các vùng biển thoáng trực tiếp với khu vực Đại Tây Dương. Như vậy, khu vực có tiềm năng năng lượng sóng lớn nhất và có khả năng xây dựng các nhà máy khai thác năng lượng sóng là khu vực bờ tây của Scotland, Tây nam xứ Wale và Cornmwall. Trong tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp Anh, năng lượng sóng được tính toán dựa trên biểu thức:
g s W gH C P 0.0623 (3.1) Trong đó: W P : là năng lượng sóng cho một mét đỉnh sóng : là mật độ nước (1025 kg/m3)
g: là gia tốc trọng trường (m/s2)
S
H : là độ cao sóng hữu hiệu (m) Cg: là tốc độ nhóm sóng (m/s)
Tiềm năng năng lượng sóng được tính toán và xây dựng bản đồ năng lượng sóng cho các vùng biển Liên hiệp Anh gồm:
- Atlat năng lượng sóng trung bình năm, - Atlat năng lượng sóng theo mùa (bốn mùa)
Mùa đông (tháng 12, tháng 1 và tháng 2 )
Mùa xuân (tháng 3, tháng 4 và tháng 5 )
Mùa hè (tháng 6, tháng 7 và tháng 8 )
Mùa thu (tháng 9, tháng 10 và tháng 11) - Atlat năng lượng sóng theo tháng.
Hình 3.2 Bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực vùng biển Liên hiệp Anh.
3.2 Các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển đã được nghiên cứu trên thế giới giới
Sóng biển tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn. Từ hơn 100 năm trước, con người đã dùng sóng biển để phát điện. Phương pháp tạo ra điện năng từ sóng biển là dùng máy phát điện đặt nổi trên mặt biển, pít-tông nối liền với phao. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý lên xuống của sóng biển mà khi ấy pít-tông cũng sẽ chuyển động lên xuống, biến động lực của sóng biển thành áp suất không khí bị nén. Không khí bị nén dưới áp suất cao làm cho tuabin của máy phát điện hoạt động. Khi đó, năng lượng của sóng biển được chuyển thành năng lượng điện.
Khoa học công nghệ không ngừng phát triển đã tạo tiền đề cho việc sản xuất ra năng lượng điện từ nguồn năng lượng sóng biển. Quá trình này đã có các bước phát triển đột phá trong việc nghiên cứu các hệ thống biến đổi năng lượng góp phần giải quyết được nhu cầu vềđiện năng hiện nay và trong tương lai. Một vài hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế bao gồm:
a. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
b. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column c. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
d. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing e. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing f. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
g. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser h. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster
3.3 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
3.3.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một hệ thống bao gồm: Phao là một thiết bị hình trụ sử dụng vật liệu sắt có đường kính 3,5m và chiều dài 30m. Các phao được kết nối với nhau thông qua một hệ thống phao bằng khớp nối, nơi cho phép biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện. Thiết bị phao này có đường kính 3,5m và chiều dài 5m.
Toàn bộ hệ thống Pelamis này được lắp đặt ngoài khơi tại vị trí có mực nước sâu. Với một nữa nổi và một nữa chìm. Hệ thống Pelamis được cố định thông qua cáp neo ởđáy biển [3.1].
Hình 3.3 Phao của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Hình 3.5 Cấu tạo bên trong của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis thành năng lượng điện
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis được mô tả như sau:
Sóng biển tạo ra dao động làm cho các phao chuyển động lên hoặc xuống theo từng cơn sóng. Chính sự chuyển động này làm cho các xilanh thủy lực bên trong module biến đổi năng lượng chuyển động và tạo ra áp lực làm quay tuabin máy phát điện và cuối cùng là tạo ra năng lượng điện.
3.3.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Hệ thống này đã được lắp đặt và khai thác tại Bồ Đồ Nha đó là hệ thống Pelamis đầu tiên trên thế giới gồm 3 Pelamis có công suất 2,25MW.
Hình 3.7 Pelamis trên biển Stromeness, Scotland
Năm 2007, Scotland đã lắp đặt 4 thiết bị Pelamis, có tổng công suất đạt 3MW.
3.4 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
3.4.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column (OWC) được xây dựng trên dải đất ven bờ bằng bê tông và có cấu trúc rỗng. Hệ thống biến đổi OWC bao gồm:
Tuabin,
Máy phát điện,
Khối bê tông rỗng.
Hình 3.9 Tuabin và máy phát trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column (OWC)
3.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column được mô tả như sau: Để thu được năng lượng từ sóng, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước.
Sóng đánh vào bờ biển, nâng cột nước bên trong trụ bê tông rỗng nằm ngang áp suất khí bên trong được tạo ra làm quay turbin máy phát điện tạo ra điện năng.
Sóng rút xa bờ, cột nước hạ xuống áp suất khí đi qua turbine theo hướng ngược lại làm quay turbin tạo ra điện năng. Các turbine này có chiều quay theo cùng một hướng chuyển động của luồng khí [3.2].
Hình 3.11 Nguyên lý hoạt động của OWC khi sóng rút xa bờ
3.4.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
Hiện nay hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column đã được lắp đặt tại một số quốc gia như Scotland, Ấn Độ, Australia, BồĐào Nha và Nhật Bản.
3.5 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
3.5.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda là hệ thống có hình dạng nhỏ và dài, hai đầu được bịt kín, không có khớp nối và bản lề. Hệ thống này được