Chƣơng 1 : TỔNG QUAN
1.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.1.2. Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc
Mối quan tâm về năng lƣợng sóng đƣợc thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973. Một số nhà nghiên cứu đã tiến hành kiểm tra tiềm năng tạo ra điện từ sóng biển. Cho đến hiện nay theo thống kê trên thế giới có hàng trăm các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này, ngoài ra còn nhiều tổ chức, cá nhân đóng góp rất nhiều cơng trình từ phát minh, sáng chế để không ngừng nghiên cứu và phát triển các thiết bị cơng nghệ WEC.
7
Hình 1.8: Các cơng trình thu hồi năng lƣợng sóng trên thế giới.
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 tƣơng tự sẽ kết nối với nhau, làm cho turbin hoạt động liên tục. Dòng điện đƣợc truyền qua giây cáp ngầm dƣới đáy đại dƣơng dẫn vào bờ, nối với lƣới điện, cung cấp cho hộ sử dụng. Nếu xây dựng nhà máy điện có cơng suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2.
8
Pelamis neo ở độ sâu chừng 50 – 70 m; cách bờ dƣới 10 km, là nơi có mức năng lƣợng cao trong các con sóng. Và Pelamis gồm ba modul biến đổi năng lƣợng, mỗi modul có hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ. Mỗi thiết bị pelamis có thể cho cơng suất 750 kW, nó có chiều dài 140 – 150 m, có đƣờng kính ống 3 - 3,5 m.
Tại Bồ Đào Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis có cơng suất 2,25 MW. Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng.
Hệ thống Crestwing
Crestwing bao gồm hai phao hình chữ nhật đƣợc nối với nhau bằng bản lề. Hai chiếc phao nối liền nhau chuyển động tƣơng quan với nhau. Một thanh đẩy đƣợc gắn vào phao sau và lắp vào phía trƣớc. Thanh đẩy di chuyển một giá đỡ và bánh răng nhờ đó nó dẫn động một máy phát điện. Máy phát điện hoạt động nhƣ một phanh hãm. Năng lƣợng đƣợc tạo ra khi sóng kéo đi và tâm của cây bị kéo xuống. Điều này cho thấy không phải nguyên lý Archimedes chủ yếu tạo ra năng lƣợng mà là áp suất khí quyển. Năng lƣợng sóng sẽ có thể tạo ra tác động bền vững đến thị trƣờng tăng trƣởng xanh bằng cách tiếp quản các cơ sở công nghiệp dầu khí ngồi khơi nhƣ xƣởng, xƣởng đóng tàu và đội ngũ nhân viên có trình độ học vấn và biến nó từ một ngành cơng nghiệp đen thành một ngành công nghiệp xanh. Các nhà máy Crestwing rất lớn và sẽ có thể sản xuất hydro và lƣu trữ nó để làm nhiên liệu cho ngành vận tải biển.
9
Hình 1.10: Thiết bị Crestwing [6]
Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy:
AquaBuOY là một hệ thống phao nổi, có nguyên lý hoạt động nhằm biến đổi năng lƣợng động học của chuyển động thẳng đứng do các đợt sóng biển tạo ra năng lƣợng 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 đƣa lên bờ, hòa vào lƣới điện.
Hình 1.11: Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuoy. [6]
Mỗi phao tiêu có thể đạt cơng suất tới 250 kW, với đƣờng kính phao 6 m. Nếu trạm phát điện có cơng suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển.
10
Bơm ống là ống cao su cốt thép, nó hoạt động nhƣ cái bơm bình thƣờng, khi sóng nén, nƣớc biển phọt mạnh về phía sau, có chứa một bộ cao áp, làm quay turbin, điện thu đƣợc, dẫn qua cáp ngầm vào bờ để hịa chung vào lƣới điện.
Ngồi 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 đƣợc truyền bằng công nghệ không dây, vệ tinh về khu vực điều hành. Hệ thống Aqua Buoy thƣờng lắp đặt cách bờ chừng 5 km ở nơi biển có độ sâu 50m.
Năm 2006, dự án 800 kW, ở Makar Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đơ la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình.
Dự án 2 MW tại Figuera da Foz, Bồ Đào Nha và dự án 2 MW ở miền Nam California, Mỹ.
Hệ thống phao tiêu chìm ASW
Ở Công ty AWS Ocean Eneny, Scotland ngƣời ta phát minh ra hệ thống máy phát điện mới nhằm biến chuyển động sóng thành điện năng. Khác với những hệ thống đang tồn tại. Đó là hệ thống phao tiêu nằm chìm dƣới mặt nƣớc, nên khơng bị ảnh hƣởng bởi điều kiện khí hậu trên mặt biển. Hệ thống phao tiêu ngầm giống nhƣ những quả ngƣ lôi dƣới mặt nƣớc biển chừng 50 m mà vẫn tạo ra điện năng nhờ sóng biển. Họ đã thành cơng năm 2008.
11
Hình 1.12: Hệ thống phao tiêu chìm AWS. [6]
Các hệ thống nổi trên mặt biển dễ bị các trận bão tàn phá, thì hệ thống chìm của AWS (Aschimedes Wave Swing) đã chế tạo bằng vật liệu sử dụng nhƣ dàn khai thác dầu mỏ ngoài khơi, đƣợc đặt ở độ sâu yên tĩnh. Hệ thống tạo ra năng lƣợng nhờ sóng biển từ xa, qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nƣớc.
Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 m, rộng 10 m chứa khí nén bên trong khiến phao khơng chìm, nửa trên chỉ chuyển động theo chiều thẳng đứng. Khi sóng lƣớt qua, sự tăng khối lƣợng nƣớc làm gia tăng áp suất cột nƣớc và phần bên trên hệ thống bị đẩy xuống dƣới. Giữa hai đợt sóng, cột nƣớc hạ xuống, áp suất hạ theo làm nổi lên phần trên của hệ thống. Chuyển động bơm biến thành điện năng. Điện đƣợc chuyển tải qua cáp ngầm, lên hòa vào lƣới điện quốc gia.
Corpower Ocean:
Hệ thống năng lƣợng sóng mới của CorPower Ocean, sử dụng thiết kế hộp số mà các nhà nghiên cứu KTH (KTH Viện Công nghệ Hoàng gia) đã giúp phát triển, tạo ra năng lƣợng gấp 5 lần mỗi tấn thiết bị, bằng một phần ba chi phí so với các công nghệ tiên tiến. Sản lƣợng năng lƣợng cao gấp 3 đến 4 lần so với các hệ thống điện truyền thống.
12
Hình 1.13: Cơ cấu thu năng lƣợng sóng của Corpower Ocean. [6]
Đƣợc biết đến trong ngành công nghiệp năng lƣợng sóng nhƣ một hệ thống loại hấp thụ điểm, bộ chuyển đổi CorPower bao gồm một phao hấp thụ năng lƣợng từ sóng, cộng với hệ thống truyền động chuyển đổi chuyển động của phao thành điện. Hệ thống của công ty dựa trên bằng sáng chế của các chuyên gia tim mạch của Thụy Điển Stig Lundbäck, một số đƣợc lấy cảm hứng từ nghiên cứu của ông về các chức năng bơm và kiểm soát tim.
Các phao là nhỏ gọn và nhẹ và có thể đƣợc sản xuất với chi phí tƣơng đối thấp. Một phao có đƣờng kính 8 m có thể tạo ra 250 - 300 kW trong một mơi trƣờng Đại Tây Dƣơng điển hình. Một cơng viên năng lƣợng sóng với 100 phao có thể tạo ra 25 - 30 MW.
Hệ thống PowerBuoy:
Các bộ hấp thụ điểm là các cấu trúc nổi có kích thƣớc ngang nhỏ so với kích thƣớc dọc của chúng và sử dụng tác động của sóng tại một điểm. Hầu hết các thiết kế cho các điểm hấp thụ giống nhƣ một chiếc phao thơng thƣờng, ít nhất là từ bề mặt. Nói chung, một đầu của bộ hấp thụ đƣợc cố định (hoặc tƣơng đối cố định so với mặt nƣớc) trong khi đầu kia chuyển động theo chiều dọc, hành động chuyển động ngƣợc đƣợc sử dụng để bơm chất lỏng hoặc điều khiển máy phát tuyến tính, từ
13
đó có thể cung cấp năng lƣợng có thể sử dụng . Tham khảo sáu bậc tự do của tác giả ở trên, thiết bị này tận dụng lợi thế của chuyển động dồn dập. Bộ hấp thụ điểm là một trong những loại thiết kế phổ biến nhất trong ngành công nghiệp hiện nay và PowerBuoy (Hình 1.6 (a, b) chỉ là một ví dụ nhƣ vậy. PowerBuoy sản xuất ra điện nhờ kết cấu gồm hai phần chính: một phao có đƣờng kính 1,52 m, cao 1,52 m và một cột cao 7,62 m.
Hình 1.14: Cơng nghệ năng lƣợng đại dƣơng PowerBuoy. [6]
Hệ thống WEPTOS
WEPTOS có cấu trúc hình tam giác đơn giản và bền bỉ, đƣợc kết nối thông qua một bộ phận linh hoạt trong cánh cung. Cấu trúc đƣợc neo bởi dầm định vị chính xác theo hƣớng của sóng.
Thơng qua cấu trúc góc nổi của nó, bộ chuyển đổi năng lƣợng sóng có thể điều chỉnh năng lƣợng sóng đầu vào và giảm tác động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Cấu trúc hình chữ V hấp thụ năng lƣợng sóng thơng qua một đƣờng trục quay, và mỗi trục quay truyền năng lƣợng đến một trục chung, đƣợc gắn trực tiếp vào máy phát điện. Bằng cách này, sẽ tạo ra năng lƣợng đồng đều trong suốt thời lƣợng sóng, cho phép áp dụng các giải pháp máy phát điện đã biết khác.
14
Khi một làn sóng chạm vào một rơto riêng lẻ, cơ học của trục khớp làm cho nó quay. Sau khi một làn sóng truyền qua cánh quạt riêng lẻ, trọng tâm làm cho cánh quạt quay ngƣợc trở lại điểm xuất phát.
Hình 1.15: Hệ thống WEPTOS [6]
Thiết bị vƣợt sóng Wave Dragon
Bộ chuyển đổi năng lƣợng sóng vƣợt qua, đơi khi đƣợc gọi là bộ kết thúc, sử dụng sự khác biệt về năng lƣợng tiềm năng để tạo ra năng lƣợng hữu ích. Các thiết bị này tạo lại một cột sóng tƣơng tự mà chúng ta sẽ tìm thấy trên bãi biển. Cánh tay dang rộng tập trung sóng để chúng nâng theo chiều cao. Các sóng sau đó đƣợc hƣớng tới một bãi biển nhân tạo, nơi nƣớc sẽ chảy lên một đoạn dốc và vào một bể chứa ở độ cao hơn mực nƣớc biển xung quanh (Hình 1. 7 (a, b). Từ đây, chất lỏng đƣợc thốt ra từ độ cao hơn và dịng chảy đƣợc sử dụng để cung cấp năng lƣợng cho tua bin. Các thiết bị này có nhiều khả năng lắp đặt gần bờ, nhƣng một số đã đƣợc chuyển đổi để sử dụng ngoài khơi, chẳng hạn nhƣ Wave Dragon. Loại WEC này phải tự điều chỉnh theo chiều cao của sóng tới để có hiệu quả tốt nhất, do đó, một hệ thống khơng khí điều áp đƣợc sử dụng để điều chỉnh độ cao nổi.
15
Hình 1.16: Thiết bị vƣợt sóng Wave Dragon. [7]