Hình 1.2.7 Sơ đồ hoạt động của thiết bị chuyển đổi năng lượng tuabin kép
Nguyên lý hoạt động:
- Bộ chuyển đổi mới của nhóm nghiên cứu có khả năng tự trồi lên hoặc tụt xuống theo độ phồng của sóng mà khơng cần sử dụng các thiệt bị đồng bộ hóa đặc biệt. - Hai bánh tuabin xếp chồng lên nhau và quay ngược chiều nhau. Chúng được kết nối với máy phát điện thông qua các trục và hệ thống truyền động bằng ròng rọc dây đai. Máy phát điện được đặt bên trong một phao nổi phía trên mực nước để tránh nước biển ăn mòn và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
- Thiết bị đã được thử nghiệm thành cơng ở quy mơ phịng thí nghiệm và nhóm nghiên cứu rất muốn hợp tác với các đối tác trong ngành để thử nghiệm mơ hình quy mơ đầy đủ và hướng tới khả năng thương mại hóa.
Thiết bị khai thác năng lượng sóng của hệ thống Pelamis:
‣
Hình 1.2.8 Thiết bị khai thác năng lượng sóng biển Pelamis
Nguyên lý hoạt động:
Pelamis là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chim, nửa nổi , nổi 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 15 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 cơng suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2.
Phạm vi ứng dụng:
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
Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis có cơng suất 2,25MW. Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng.
Thiết bị khai thác năng lượng sóng của hệ thống phao tiêu nổi AquaBuOY:
‣
Hình 1.2.9 Thiết bị khai thác năng lượng sóng biển AquaBuOY
Nguyên lý hoạt động:
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 16 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. 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 tuabin, điện thu được, dẫn qua cáp ngầm vào bờ để hịa chung vào lưới điện Ngồi ra trên các AquaBuOY, đặt các tấm pin mặt trời, tuabin gió nhỏ nhằm. tạo ra nguồn điện năng cho các thiết bị chuẩn đoán gắn trong
AquaBuOY. Tất cả dữ liệu về thiết bị đều được truyền bằng công nghệ không dây, vệ tinh về khu vực điều hành.
Phạm vi ứng dụng:
Hệ thống AquaBuOY thường lắp đặt cách bờ chừng 5km ở nơi biển có độ sâu 50m. Mỗi phao tiêu có thể đạt cơng suất tới 250kW, với đường kính phao 6m. Nếu trạm phát điện có cơng suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển. 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 2MW tại Figuera da Foz, Bồ Đào Nha và dự án 2MW ở miền Nam California.
Thiết bị khai thác năng lượng sóng của hệ thống phao tiêu chìm AWS:
‣
Ở Cơng ty AWS Ocean Eneny, Scotland người 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 dưới mặt nước, nên khơng bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu trên mặt biển. Hệ thống phao tiêu ngầm giống như những quả ngư lôi dưới mặt nước biển chừng 50 mét mà vẫn tạo ra điện năng nhờ sóng biển. Họ đã thành cơng năm 2008.
Hình 1.2.10 Thiết bị khai thác năng lượng sóng biển AWS
Nguyên lý hoạt động:
Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 mét, rộng 10 mét chứa khí nén bên trong khiến phao không chim, 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.
Phạm vi ứng dụng:
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 như dần khai thác dầu mỏ ngoài khơi, được đặt ở độ sâu yên tĩnh. Hệ thống tạo ra năng lượng nhờ sóng biển từ xa, qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nước.
Thiết bị khai thác năng lượng sóng của hệ thống phao tiêu kiểu Anaconda:
Mọi công nghệ phát điện, khi đưa ra đều bị chặn bởi giá thành, thì Anacondaa là cơng nghệ có ưu thế về giá thành thấp, lại tạo ra nguồn năng lượng sạch, thân thiện với mơi trường.
Hình 1.2.11 Thiết bị khai thác năng lượng sóng biển Anaconda
Ngun lý hoạt động:
Cơng 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 phinh làm quay tuabin 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, khơng cần khớp nối, khơng chi phí bảo trì, hỏng hóc gần bằng khơng.
Kết luận: Xây dựng những nhà máy thủy điện theo những mơ hình trên đây là
góp phần tích cực giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, đồng thời tạo nên nguồn năng lượng mới khi mà than đá và dầu khí ngày một cạn kiệt, và nguồn năng lượng sinh học, làm ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực.
• Máy phát điện năng lượng sóng biển:
Máy phát điện năng lượng sóng tự động PowerBuOY:
‣
Hình 1.2.13 Máy phát điện tự động PowerBuOY của Mỹ chạy bằng năng lượngsóng được triển khai thử nghiệm ngồi khơi bang Hoa Kỳ sóng được triển khai thử nghiệm ngoài khơi bang Hoa Kỳ
Cấu tạo:
PowerBuoy sản xuất ra điện nhờ kết cấu gồm hai phần chính: một phao có đường kính 1,52 mét, cao 1,52 mét và một cột cao 7,62 mét.
Nguyên lý hoạt động:
Khi phao nhấp nhơ lên xuống theo nhịp sóng biển nó sẽ kéo căng phần cột và tạo ra điện năng nhờ hoạt động của động cơ quay và máy phát điện.
PowerBuoy cũng giúp cung cấp năng lượng ở mức thấp, cần thiết cho các hệ thống dị tìm và theo dõi tàu biển ngồi khơi. Cơng nghệ tự động này cũng bao gồm khả năng tích trữ năng lượng và quản lý năng lượng giúp đảm bảo hoạt động ngay cả khi sóng biển ở mức zero. Hệ thống này cũng được thiết kế để không cần bảo dưỡng trong vịng ba năm.
2.5/ Cơng thức tính tốn năng lượng sóng:
- Mật độ năng lượng sóng:
E= ìì
ã E: Mật độ năng lượng sóng trung bình trên một đơn vị diện tích nằm ngang (J/m2)
• : nước mật độ (kg/m3) • : gia tốc bởi lực hấp dẫn (m/) • : chiu cao súng (m) - Vn tc nhúm: = ì ã : Vận tốc nhóm (m/s) • : gia tốc bởi lực hấp dẫn (m/)
• : thời gian năng lượng sóng (s)
- Cơng suất sóng:
+ Trong nước sâu nơi độ sâu nước lớn hơn 1 nửa bước sóng: P= ×× (0,5ì) ìì
ã P: Dịng năng lượng sóng trên một đơn vị chiều dài đỉnh sóng (kW/m)
• : nước mật độ (kg/m3)
• : gia tốc bởi lực hấp dẫn (m/)
• : chiều cao sóng (m)
+ Khi sóng lan truyền, năng lượng của chúng được vận chuyển. Vận tốc năng lượng vận tốc là vận tốc nhóm. Kết quả là, năng lượng sóng flux, thơng qua một mặt phẳng thẳng đứng có chiều rộng đơn vị vng góc vi hng truyn súng, bng vi:
P= E ì
ã P: Dịng năng lượng sóng trên một đơn vị chiều dài đỉnh sóng (kW/m)
• E: Mật độ năng lượng sóng trung bình trên một đơn vị diện tích nằm ngang (J/m2)
• : Vận tốc nhóm (m/s)
2.6/ Các phương pháp khai thác năng lượng sóng trên thế giới:
- Phương pháp sử dụng hệ tuyến tính: + Hệ tuyến tính gồm 3 bộ phận chính:
* Bộ phận thu năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ (cụm phao) * Bộ phận liên kết
* Bộ phận chuyển đổi năng lượng cơ
> Hiện nay phương pháp sử dụng hệ tuyến tính ứng dụng trong thực tiễn rất hạn chế.
- Phương pháp sử dụng hệ khơng tuyến tính: + Hệ khơng tuyến tính gồm 3 bộ phận chính:
* Bộ phận thu năng lượng sóng biển sang năng lượng cơ (cụm phao) * Bộ phận biến đổi chuyển động
- So sánh hệ tuyến tính và hệ khơng tuyến tính:
Hệ tuyến tính Hệ khơng tuyến tính
Thích hợp với năng lượng sóng nhỏ Thích hợp với năng lượng sóng lớn Khơng mất mát hiệu suất do khơng có cơ
cấu biến đổi chuyển động
Mất mát hiệu suất ở cơ cấu biến đổi chuyển động
Cấu tạo hệ thống đơn giản Cấu tạo hệ thống phức tạp Thích hợp triển khai ở vùng sóng biển
gần bờ
Thích hợp khai triển ở vùng sóng biển xa bờ
Hệ thống chiếm ít khơng gian bố trí Hệ thống chiếm nhiều không gian bố trí Dễ dàng bảo trì và bảo dưỡng Bảo trì và bảo dưỡng khó khăn
Kinh phí đầu tư cao Kinh phí đầu tư ít
Bảng 7. Bảng so sánh giữa hệ tuyến tính và hệ khơng tuyến tính
Qua nghiên cứu năng lượng sóng biển tại Việt Nam thì năng lượng sóng biển tại Việt Nam thích hợp dùng hệ tuyến tính do năng lượng sóng biển tại Việt Nam có năng lượng sóng nhỏ.
2.7/ Ưu điểm và Nhược điểm:
- Ưu điểm:
+ Sóng là nguồn năng lượng dồi dào, vơ hạn.
+ Vì sóng được tạo ra bởi gió nên nó cũng là 1 nguồn năng lượng tái tạo. + Ơ nhiễm do năng lượng sóng gây ra ít hơn so với các nguồn năng lượng khác
- Nhược điểm:
+ Sóng khơng thể dự đốn chính xác vì nó phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết.
+ Năng lượng sóng địi hỏi 1 nguồn đầu tư cao và nền tảng công nghệ phát triển cao nên 1 số nước nghèo khơng có.
+ Nhiều thiết bị khi có vấn đề, họ đã phải đối mặt với vấn đề công nghệ phức tạp.
2.8/ Tiềm năng và Thách thức:
- Tiềm năng:
+ Nguồn năng lượng sóng bờ biển trên tồn thế giới đã được ước tính lớn hơn 2 TW.
+ Các địa điểm có tiềm năng sóng lớn nhất bao gồm bờ biển phía tây châu Âu, bờ biển phía bắc của Vương quốc Anh và bờ biển Thái Bình Dương của Bắc và Nam Mỹ, Nam Phi, Úc và New Zealand. Phía bắc và phía nam khu vực ơn đới.
- Thách thức:
+ Ảnh hưởng đến đời sống, tập tính của sinh vật biển do tiếng ồn phát ra của các thiết bị thu năng lượng sóng.
+ Cần sản xuất ra các thiết bị chống gỉ, ăn mòn và chịu được bão.
+ Sóng tạo ra khoảng 2.700 GW điện. Trong số 2.700 GW này, chỉ có khoảng 500 GW có thể được bắt bằng cơng nghệ hiện tại. (1 GW = 1 × 109 W).
2.9/ Sự phân bố năng lượng sóng trên thế giới:
Chương 3: Thực Trạng Tình Hình Năng Lượng Sóng Biển3.1/ Thực trạng năng lượng sóng biển ở Việt Nam:3.1/ Thực trạng năng lượng sóng biển ở Việt Nam: 3.1/ Thực trạng năng lượng sóng biển ở Việt Nam:
- Nước ta có gió nhiều và dịng hải lưu gần như quanh năm, diện tích mặt biển có sóng thuộc vào hàng top thế giới… nhưng tốc độ gió, dịng hải lưu chỉ ở mức trung bình, hoặc yếu trong phần lớn thời gian của năm, chiều cao sóng biển thấp…
- Khu vực ven biển từ Quảng Ngãi – Ninh Thuận, Quảng Bình – Quảng Nam, Bình Thuận – Bạc Liêu là những nơi có tiềm năng, năng lượng sóng biển tốt nhất Việt Nam.
Hình 1.3.1 Biểu đồ phân bố năng lượng sóng ở Việt Nam
- Một báo cáo cho thấy 0,1% năng lượng sóng biển của các đại dương là đủ để cung cấp điện năng cho toàn Trái Đất. Với hơn 3.000 km bờ biển, Việt Nam là một đất nước có tiềm năng rất lớn trong việc khai thác năng lượng sóng biển. Tuy vậy, loại năng lượng này vẫn chưa được quan tâm một cách đúng mức ở Việt Nam. Có lẽ, đã
đến lúc chúng ta cần có chính sách phù hợp trong việc thử nghiệm và khai thác loại năng lượng tái tạo vô tận này.
- Theo kết quả nghiên cứu của các chuyên gia viện nghiên cứu biển và hải đảo, tổng công suất năng lượng sóng năm là 212 TWH/năm, chiếm gần 1% tổng giá trị toàn cầu, đạt 90% nhu cầu điện năng hiện tại của Việt Nam là 230 TWH/năm.
* Về nghiên cứu năng lượng sóng biển tại nước ta:
- Sau ba năm nghiên cứu, phiên bản thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biến sâu dạng phao đã hồn thành. Phiên bản này đã được thử nghiệm tại Hồ Tây (Hà Nội) và Sầm Sơn (Thanh Hóa). Đây là loại thiết bị có cơ cấu chuyển đổi năng lượng trực tiếp dạng phao, dùng máy phát điện tịnh tiến không lõi sắt. Kết cấu thiết bị có dạng phao kép, đảm bảo tính cơ động và phù hợp với mơi trường khắc nghiệt cũng như điều kiện phức tạp.
- Sau khi đã khảo sát các thơng số kỹ thuật về sóng, các điều kiện tự nhiên và mơi trường về địa hình cũng như nhu cầu kinh tế xã hội ở các vùng biển Việt Nam. Đến năm 2014 nhóm nghiên cứu đã bắt tay vào nghiên cứu phát triển và chế tạo chế tạo “Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển sau thành điện”. Sản phẩm này có khả năng sử dụng sóng biển tạo ra điện.
Hình 1.3.3 Mẫu chế tạo thử nghiệm của thiết bị
Hình 1.3.4 Triển khai thử nghiệm tại Sầm Sơn
3.2/ Thực trạng năng lượng sóng biển trên thế giới:
- Theo ước tính, sản lượng điện được khai thác chỉ từ 0,1% năng lượng sóng biển trên tồn cầu cũng sẽ đủ cung cấp cho cả nhân loại. Tại mỹ, năng lượng sóng ở mỹ có thể tạo ra sản lượng điện bằng 1/3 tổng điện năng sử dụng của nước này.
- Vì thế, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đang đầu tư rất lớn vào năng lượng sóng. Ngồi Mỹ, nhiều quốc gia khác cũng đang tích cực nghiên cứu việc chuyển đổi năng lượng từ đại dương bao la thành điện năng.
- Aguỗadoura Wave Farm l trang trại sóng đầu tiên trên thế giới. Nó nằm ở 5 km ngồi khơi gần Póvoa de Varzim, phía bắc Porto, Bồ Đào Nha. Trang trại được thiết kế để sử dụng ba bộ chuyển đổi năng lượng sóng Pelamis để chuyển đổi chuyển động của sóng sóng mặt biển thành điện
* 1 Số máy phát điện và thiết bị thu năng lượng sóng trên thế giới hiện nay: