CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG

Chương III CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG Chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng được thực hiện nhờ các thiết bị như động cơ, máy phát - các

Chương III

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG

Chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng được thực hiện nhờ các thiết bị như động cơ, máy phát - các thiết bị này chuyển đổi một phần chuyển động quỹ đạo hình tròn của hạt nước trong sóng Người lướt ván vùng sóng đổ cũng đóng vai trò chuyển đổi năng lượng sóng bao gồm cả thế năng và động năng của trường sóng khi sóng chuyển động vào bờ

Năng lượng sóng có thể được tách ra từ 3 vectơ chuyển động thành phần của trường sóng:

1 Thành phần chuyển động lên xuống;

2 Thành phần chuyển động ngang;

3 Thành phần chuyển động quay

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng được thiết kế để chuyển đổi một hoặc nhiều các vectơ chuyển động thành phần nêu trên Một vài loại thiết bị được thiết kế để chuyển đổi thành phần chuyển động quay, chuyển động lên xuống hay chuyển động ngang Có loại thiết bị được thiết kế để chuyển đổi cùng một lúc hai hay cả ba dạng chuyển động thành phần nêu trên

Trong thực tế, trạng thái mặt biển bao gồm tổng hợp của sóng gió và sóng lừng, tạo ra một trường sóng phức tạp bao gồm cả tương tác giữa sóng và gió, sóng gió hiện tại và sóng lừng từ xa truyền đến, do vậy việc tạo ra các thiết bị chuyển đổi năng lượng với trạng thái mặt biển hiện thực là một vấn đề rất phức tạp về công nghệ

III.1 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

SÓNG

Theo đánh giá của Trung tâm Năng lượng Tái tạo trên biển Châu Âu, hiện nay

có khoảng 51 loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng [18] Mặc dù vậy, số lượng thiết bị này có thể ít hơn hiện thực nhiều vì tác giả đã không thống kê hết các dạng thiết bị Tuy chưa có được một tiêu chuẩn phân loại thống nhất, tất cả các dạng thiết bị này có thể được phân loại theo 3 tiêu chí:

1 Theo tiêu chí về vị trí lắp đặt thiết bị;

2 Theo tiêu chí về độ sâu lắp đặt thiết bị;

3 Theo tiêu chí về nguyên lý vật lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng Ngoài ra cũng có các phân loại khác, ví dụ như loại thiết bị sử dụng cơ chế dao động cột nước trong sóng và thiết bị sử dụng nguyên lý tràn nước trong sóng đôi

khi được gọi là thiết bị “ngăn chặn” sóng vì các thiết bị này dựa trên nguyên lý

chặn sóng để tạo ra năng lượng, trong khi đó các loại thiết bị dựa trên cơ chế trường sóng tắt dần và cơ chế hấp thụ điểm có thể được phân loại dưới dạng thiết

bị “lựa theo chiều sóng”

Trên bảng III.1 thống kê các dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng theo 3 tiêu chí: tiêu chí vị trí lắp đặt thiết bị, tiêu chí độ sâu và tiêu chí về nguyên lý vật

lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng

Bảng III.1 Phân loại các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng [16]

Vị trí Độ sâu [m] Nguyên lý vật lý Nhà thiết kế Tên thiết bị

Dao động cột nước trong sóng

Nhà máy PICO, Azores

Trên bờ 0

Dao động cột nước trong sóng

Oceanlinx Oceanlinx Nước dâng do sóng Aquamarine Oyster

Gần bờ 1 - 25

Sóng tràn/chặn sóng Wavedragon Wavedragon Sóng tắt dần Pelamis

WavePower

Pelamis

Sóng tắt dần Raft design Matifer

Xa bờ >25

Hấp thụ điểm Ocean Power

Technology

PowerbuOY

Hấp thụ điểm AWS II AWS II Hấp thụ điểm Finavera

Renewable

AquaBuOY Hấp thụ điểm Wavebob Wavebob Hấp thụ điểm Camegie Corp CETO II

Hấp thụ điểm WET-NZ WaveWobbler

III.2 CƠ SỞ CÁC NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN

ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG

III.2.1 Nguyên lý sử dụng dao động của sóng biển để tạo ra dao động

của hệ phao nổi, biến chuyển động sóng thành sự thay đổi của

áp suất không khí trong phao nổi

Dựa trên nguyên lý này có thể có phương pháp tạo ra điện năng trên cơ

sở biến dao động của phao để chạy máy phát điện Trên hình III.1 vẽ sơ đồ hoạt động của phương pháp này Phao nổi có đường kính r chuyển động lên xuống dọc theo một trục dẫn hướng (1) nhờ sóng biển Trục dẫn hướng này được cố định với đáy biển bằng một khớp cầu đặc biệt gọi là hỗn hợp khớp nối (4) Trong phao nổi (2) được đặt một máy nén khí, máy nén chuyển động được nhờ dao động lên xuống của phao nổi dưới tác động của sóng Khí nén tạo ra được điều chỉnh để chạy tuốc bin không khí cũng nằm trong phao nổi (2) và tạo ra điện năng Dọc theo trục dẫn hướng (1), phao nổi được giữ bằng một hệ thống cáp kiểu lò xo có thể di động được (3) để điều chỉnh độ cao thấp của phao theo mức nước hoặc theo thuỷ triều Hộp khớp nối (4) nối với một hệ thống gồm đường cáp nổi phụ (5), phao trợ giúp (9) và dây neo (8) được giữ bằng hệ thống neo rùa Hệ thống phụ trợ này sẽ làm tăng độ ổn định vị trí cho phao nổi trên trục dẫn hướng Toàn bộ hệ trục dẫn hướng, phao nổi được gắn với trụ giữ phao (6) và móng đế (7) Móng đế này được kết cấu bằng hệ neo cọc xuống đáy biển

Tuốc bin khí này có thể chạy với tốc độ 3.000 vòng phút với hiệu suất biến đổi năng lượng 45-60% Trong thực tế với loại thiết bị biến đổi năng lượng sóng kiểu này có thể tạo ra dòng điện có công suất từ vài W đến vài ngàn kW

Hình III.1 Nguyên lý sử dụng dao động của phao để tạo ra điện năng [15]

III.2.2 Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng

Có hai dạng thiết bị để biến đổi năng lượng sóng thành điện năng làm việc theo nguyên lý này (xem hình III.2):

- Máy phát cảm ứng ở dạng phao dao động theo sóng (nam châm vĩnh cửu dao động lên xuống, cuộn dây được cố định xuống đáy biển - hình 2a)

- Máy phát gắn với hệ thống phao cố định có gắn nam châm cố định với máy phát cảm ứng (hình 2b)

Hình III.2 Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng [15]

III.2.3 Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động thuỷ lực để biến đổi

điện năng bằng cách tạo áp suất không khí

Thiết bị này dựa trên nguyên lý bơm (xem hình III.3) Ngoại lực tác động là áp suất của sóng biển Thiết bị bao gồm một ống biến đổi năng lượng (1), ống này

có thể gọi là vỏ máy, sẽ được gắn với phao nổi Trong ống đặt một máy phát (2) gắn với tuốc bin không khí phát điện (4) Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết

bị chuyển đổi năng lượng này như sau:

Hình III.3 Sử dụng dao động thủy lực để biến đổi năng lượng sóng

sang điện năng [15]

Cột sóng chuyển động nâng lên (đỉnh sóng) sẽ làm chuyển động cột nước trong ống như một pistông, làm không khí có sẵn trong ống (1) coi như là xilanh, tăng áp suất Không khí trong ống bị nén tăng áp suất, khi đạt tới giá trị cực đại (hình trái) sẽ làm mở các van dẫn không khí đã được tăng tốc qua các cánh hướng dòng làm quay hệ thống cánh tuốc bin không khí (4), máy phát (2) sẽ làm việc Đó là chu trình tạo điện năng khi phao ở trên đỉnh sóng Mô hình được mô

tả trên hình III.3 Khi sóng chuyển sang chu trình xuống (pha từ đỉnh sóng đến bụng sóng) không khí từ phía ngoài sẽ được hút vào phần ống trên của phao nhờ khi sóng hạ thấp vùng ống xi lanh dưới áp suất giảm (tạo chân không) Không khí được hút vào khoang phao qua bộ cánh hướng dòng và sẽ làm quay tuốc bin được kết cấu theo cánh hướng dòng Các cánh hướng dòng được kết cấu sao cho tuốc bin có chiều quay trùng với chiều quay trong trường hợp phao lên đỉnh sóng Tốc độ vòng quay của tuốc bin không khí sẽ được tính toán dựa vào bộ cánh điều chỉnh hướng của tuốc bin gió và sự điều tiết lượng gió phù hợp với chu

kỳ và độ cao của sóng Nếu thiết bị được sử dụng chỉ để tích điện ở điện áp thấp (không cần điện áp ổn định) thì thiết bị này sẽ đạt hiệu quả biến đổi năng lượng cao đối với mọi loại sóng Ở Nhật đã sử dụng phương pháp này để tạo ra công suất 2MW trên một trạm nổi ngoài biển từ năm 1979 đến nay

III.2.4 Nguyên lý sử dụng phương pháp lắc có công suất lớn để biến

đổi năng lượng sóng sang cơ - điện năng

Hình III.4 Phương pháp lắc có công suất lớn để tạo điện năng từ năng lượng sóng [15]

Nguyên lý làm việc của thiết bị này như sau: bộ phao “con vịt” có phần phao

đối xứng được nối ghép với bộ truyền cơ năng và xoay dập dình quanh trục trụ (2) (hình III 4) Sóng biển với độ cao khác nhau sẽ tạo ra dao động cho phao và tạo ra mô men đối với trục trụ và làm quay hệ cơ chứa trong trục trụ Phần phao đối xứng tạo ra cho phao dao động liên tục dập dình theo các pha lên xuống của

sóng Với phương pháp này có thể biến đổi tới 80% năng lượng sóng ra cơ năng

và xấp xỉ 60-70% ra điện năng

III.2.5 Nguyên lý tạo điện năng từ sóng với công suất nhỏ thông qua

tuốc bin thuỷ lực

Đây là phương pháp tạo ra điện năng khá đơn giản xong hiệu suất thấp và chỉ

ở phạm vi công suất nhỏ Nguyên lý này được mô tả trên hình III.5 với quy trình làm việc như sau:

Thiết bị tạo điện năng gồm một phao nổi có hình trụ hoặc hình cầu được định vị

và dẫn hướng theo trục định vị (4) Phần dưới đáy phao được lắp ghép một hệ máy tuốc bin thuỷ lực tốc độ chậm và hệ biến đổi điện năng công suất nhỏ (thường dùng

bộ tích điện có công suất nhỏ) Khi phao chuyển động lên xuống theo sóng sẽ làm cho tuốc bin thuỷ lực quay và như vậy tạo ra cơ năng để chuyển sang điện năng nhờ bộ truyền và máy phát chứa trong phao nổi (3)

Hình III.5 Máy phát điện bằng tuốc bin thuỷ lực [15]

III.2.6 Nguyên lý tạo điện năng bằng guồng quay

Phương pháp này dựa trên nguyên lý tác động của sóng lên guồng quay làm quay máy phát điện Thiết bị gồm một phao nổi trên đó có đặt tuốc bin thuỷ lực và

máy phát điện Nguyên lý làm việc của hệ thống phát điện theo nguyên lý guồng quay được vẽ trên hình III.6 Thiết bị làm việc theo nguyên lý này thường được sử dụng tại các vùng ven bờ có sóng thường xuyên với độ cao từ 0.5m trở lên

Hình III.6 Phương pháp tạo điện năng từ sóng biển bằng guồng quay [15]

III.2.7 Phương pháp tích tụ năng lượng sóng biển để chuyển sang điện

năng với công suất lớn

Do trường sóng thực tế trên biển là một quá trình xác suất ngẫu nhiên nên tất

cả các loại thiết bị làm việc dựa theo 6 nguyên lý tạo ra điện năng nêu trên đều gặp phải khó khăn là làm việc không đều, phụ thuộc trực tiếp vào độ cao và chu

kỳ của từng sóng riêng biệt Các nhà kỹ thuật đã nghiên cứu nhiều giải pháp để tập trung, tích trữ năng lượng sóng (giống như gương hội tụ ánh sáng mặt trời trong công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời)

Một trong số các giải pháp tích tụ năng lượng sóng biển gọi là “Phương pháp

nắn chỉnh PACCELA” được trình bày dưới đây:

Sơ đồ làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA gồm (hình III.7):

- Máy phát điện (1),

- Tuốc bin thuỷ lực (2),

- Bể chứa nước (3),

- Hệ thống van lấy nước từ biển dưới tác dụng của sóng

III.3 CÁC LOẠI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG

THÀNH ĐIỆN NĂNG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

Dựa trên các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng, hiện nay trên thế giới có một loạt các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Trên hình III.8 đưa ra một số phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng thường được sử dụng tại các trạm phát điện từ năng lượng sóng trong thực tế Bảng III.2 và hình III.9 – III.40 đưa ra các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng hiện đang được nghiên cứu và thử nghiệm áp dụng trong thực tế hoặc đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển

Hình III.7 Nguyên lý làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA [15]

Hình III.8 Một số phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

phổ biến đang sử dụng trong thực tế [3]

Hình III.9 Thiết bị chuyển đổi năng lượng Wave Dragon

Hình III.10.Thiết bị chuyển đổi năng lượng Pelamis