Chuong 7 Năng lượng đại dương

Chương 7: Năng lượng đại dương Bài giảng Năng lượng tái tạo Năng lượng đại dương Là nguồn năng lượng vô tận phát sinh ra từ những chuyển động của nước trong đại dương (thuỷ triều, sóng) và sự chênh lệch nhiệt độ trong các tầng nước của đại dương (Nhiệt đại dương).

NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG

Giảng viên: Lưu Văn Phúc

Viện Vật lý tự nhiên Email: Phucunivinh@mail.com

DĐ: 0976452820

1.Nguồn năng lượng từ đại dương

 Là nguồn năng lượng vô tận phát sinh ra từ những chuyển

động của nước trong đại dương (thuỷ triều, sóng) và sự chênh lệch nhiệt độ trong các tầng nước của đại dương (Nhiệt đại dương)

 Có nguồn gốc sâu xa từ năng lượng mặt trời và sức hút của mặt trăng

 Việc khai thác còn nhiều hạn chế do điều kiện kỹ thuật, độ tập trung năng lượng và khả năng khai thác hiệu quả

 Có 3 nguồn có thể được khai thác gồm:

 Năng lượng thuỷ triều

 Năng lượng sóng

 Năng lượng Nhiệt đại dương

Tiềm năng năng lượng đại dương

1.Năng lượng thủy triều

 Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó ảnh hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn (Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày ,cách nhau 12 giờ

50 phút là vòng quay biểu kiến của Mặt trăng quanh trái đất)

 Triều cường (Spring Tide) và triều kiệt (Neap Tide) xảy ra theo chu kỳ 14 ngày

 Triều cường-khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất (mặt

trăng, mặt trời và trái đất thẳng hàng- ngay sau khi trăng tròn

Hiện tượng triều cường

Hiện tượng triều kiệt

Hiện tượng triều cường, triều kiệt

1.Năng lượng thủy triều

 Năng lượng thủy triều phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

 Độ chênh lệch mức nước

 Thời gian có thủy triều trong 1 ngày

 Thủy triều di chuyển với một lượng nước khổng lồ mỗi ngày và có khả năng chuyển thành điện năng rất lớn

 Điện năng này có thể đáp ứng được 20% nhu cầu điện năng của thế giới

 Mặc dù nguồn cung cấp rất ổn định, dồi dào, nhưng chuyển đổi nó thành điện thì không phải là dễ , chi phí ban đầu lớn

1 Năng lượng thủy triều

Đập thủy triều

Hoạt động giống như những

nhà máy thủy điện, chỉ khác là

đập của nó lớn hơn nhiều

Đập được xây để chắn ngang

sông và lợi dụng dòng nước vào

/ra làm quay turbine máy phát

điện

Năng lượng thủy triều

Nhược điểm

• Các con đập có thể làm tồn đọng rác thải, như vậy sẽ làm

ô nhiễm môi trường

• Nó cũng làm biến đổi hệ sinh thái vùng cửa sông:chim,cá.

• Chỉ có vài nơi là thích hợp cho đập thủy triều.

• Xây đập thì đắt tiền vì cần cấu trúc bền vững để chịu lực lớn

• Chỉ có thể phát điện khoảng 10h mỗi ngày

Ưu điểm

• Bảo vệ vùng cửa sông khỏi

những cơn sóng lớn,bão, có

thể làm cầu di lại.

• ÍT chi phí bảo dưỡng.

• Turbine đặt ngoài khơi thì

không gây ảnh hưởng đến môi

trường.

• Năng lượng thủy triều là năng

lượng tái tạo.

• ÍT chi phí bảo dưỡng.

• Turbine đặt ngoài khơi thì

không gây ảnh hưởng đến môi

trường.

• Năng lượng thủy triều là năng

lượng tái tạo.

1 Năng lượng thủy triều

Ống thủy triều

Gần giống với đập thủy triều, nhưng không ngăn dòng chảy của nước và được xây từng khối riêng

Ưu điểm: Không ảnh hưởng đến việc di cư của các loài Cá và

nó có thể phát điện trong nhiều giờ với một chu kỳ thủy triều

 Các khối sẽ được mở ra để tàu đi qua, và nó có thể được

dùng để kiểm soát mức triều, ví dụ như ngăn các đợt sóng

dâng khi có bão làm ngập lụt các vùng thấp trũng

1.Năng lượng thủy triều

Ống thủy triều

1.Năng lượng thủy triều Một số công trình điển hình

Dự án điện thủy triều đã tiến hành Công suất Năm hoàn thành

Đường thủy Wando Hoenggan, Hàn

Quốc

Dự án năng lượng thủy triều

Pentland Firth, Scotland

Năng lượng thủy triều

 Đập thủy điện-thủy triều ở Pháp(La Rance Station)

•Lượng điện hàng năm

600 triệu kWh

Năng lượng thủy triều

Một số công trình điển hình

Năng lượng thủy triều

• Thủy triều thì dễ dự đoán

hơn gió và ít biến đổi đột

ngột như năng lượng mặt

• Giá thành xây lắp rất cao, mặc dù giá vận hành rất thấp Ít nhiều ảnh hưởng đến môi trường sinh thái

Ưu điểm

2 Năng lượng Sóng

 Sóng biển là một dạng sóng cơ học truyền dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa hai môi trường khác nhau.

 Sóng biển là các sóng bề mặt xuất hiện trên biển

 Sóng biển có thể lan truyền hàng nghìn kilômét.

 Độ cao của sóng biển từ vài chục cm tới vài chục mét.

 Biên độ sóng: Khoảng cách giữa đỉnh hoặc đáy tới đường mực nước.

 Năng lượng sóng W: cơ năng của 1m 2 mặt nước khi có sóng truyền qua.

 Vận tốc truyền sóng v: Là vận tốc của đỉnh sóng trong hệ quy chiếu đứng yên.

 Vận tốc truyền năng lượng vg

•Thời gian thổi của gió

•Độ sâu của biển tại nơi có gió

2Năng lượng Sóng

•  

Năng lượng Sóng

Chiều cao

2.Năng lượng Sóng

Chuyển hóa năng lượng sóng

 Năng lượng từ sóng biển có thể được chuyển thành :điện năng,hóa năng (để khử mặn), cơ năng (bơm nước).

 Các 3 dạng thiết bị để chuyển hóa năng lượng sóng ngoài khơi thành năng lượng hữu ích.

• Dạng phao

• Dạng khớp

• Dạng đập ngăn

2 Chuyển hóa năng lượng sóng

a Dạng phao

+ Sóng tác động vào phao làm nó

chuyển động lên /xuống của phao,làm

chênh lệch áp suất giữa phần trên /dưới

ống

+ Khi nước được hút lên, van khóa lại

không cho nó chảy ngược xuống Nước

sinh công và thoát ra phía đỉnh phao

Chuyển hóa năng lượng sóng

b Dạng khớp: Sóng tác động vào từng phân khúc làm giữa chúng

có chuyển động tương đối với nhau dẫn động piston đẩy chất lỏng (có khả năng phân hủy sinh học) trên mỗi đầu khớp Chất lỏng này được đưa vào ắc quy và sinh ra điện trên máy phát.

Chuyển hóa năng lượng sóng

Chuyển hóa năng lượng sóng

Dạng đập ngăn: Đặp ngăn

là khu vực nổi trên mặt biển

hoặc bể chứa cao hơn mực

nước biển,có nhiệm vụ tập trung

sóng để đổ vào bể chứa Khi

nước từ bể chảy trở lại biển, nó

làm quay tuabin Kaplan và sinh

ra điện.

Chuyển hóa năng lượng sóng

Chuyển hóa năng lượng sóng

Dạng kênh thu hẹp: Kênh thu

hẹp dần và dốc nối biển với một vịnh

hoặc hồ Sóng vào kênh và di

chuyển dọc theo đó đồng thời tăng

dần chiều cao Khi đổ vào hồ chứa,

do có chênh lệch chiều cao nên

nước làm quay tuabin sinh ra dòng

điện.

Chuyển hóa năng lượng sóng

Dạng dao động sóng

Khi sóng vỗ vào bờ cột nước bên trong dâng lên nén không

khí làm quay turbin Wells Khi sóng

rút, do chênh lệch áp suất, không khí

bị hút vào và cũng làm turbin quay

sinh ra dòng điện.

Chuyển hóa năng lượng sóng

Ưu điểm

Có thể sử dụng những nơi xa nguồn điện lưới

Dễ dàng kết hợp với các cấu trúc bờ biển, các công trình chống lũ

Kết hợp với bơm nước, khử mặn phục vụ sinh hoạt

Nhược điểm

Không ổn định,kKhông tập trung

Cần chi phí thiết kế, chế tạo để chống lại những cơn bão

Cần vật liệu chống ăn mòn và có ảnh hưởng tới môi trường

Năng lượng Nhiệt đại dương

Nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất trên trái đất là năng

lượng mặt trời (170000 TW~250 tỉ thùng dầu)

Tuy nhiên, tận dụng nó là rất khó khăn vì phân tán rộng và không đồng đều

Năng lượng đại dương thỏa mãn cả 2 yêu cầu trên, nên đây nguồn năng lượng bổ sung trong tương lai

• OTEC là hệ thống sử dụng chu trình Rankine, dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ của nước biển sâu với nhiệt độ thấp và nước biển lớp bề mặt với nhiệt độ cao hơn tối thiểu là 25’C

để làm quay động cơ nhiệt, từ đó phát điện.

• Sử dụng Tuabin áp suất thấp.

• Các môi chất thường sử dụng cho chu trình kín : Ammonia, R134a, Propane.

OTEC

Nhà máy OTEC thử nghiệm

http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/ocean/ocean.asp

Đặc điểm

• Cần độ chênh lệch nhiệt độ ít nhất là 25oC: Do đó làm phạm vi ứng dụng của hệ thống OTEC chỉ hoạt động được ở vùng nhiệt đới

• Ngày nay, trên thế giới chỉ có vài nhà máy điện OTEC

Có rất nhiều khó khăn trong việc ứng dụng công nghệ này trên quy mô lớn Chẳng hạn : hiệu suất rất thấp, bơm nước có kích thước lớn, chịu được nước biển là một thách thức kỹ thuật, ngoài ra phải dẫn điện tử ngoài biển vào đất liền Do đó, thời gian từ khi đầu tư xây dựng đến khi phát được điện phải mất từ 10-20 năm.

Các kiểu hệ thống

Turbine thủy lực

• Ở 15C: áp suất trong cầu là 0.017at, nên nước mặt ở 25C sẽ sôi ở áp suất này

• Nước ấm nếu được làm bốc hơi,

sẽ bị nước lạnh làm ngưng tụ, tạo ra áp suất âm trong vòm cầu hút nước lên làm quay turbine

• Phương pháp này đc giới thiệu bởi Beck(1978)Cần có turbine lớn

vì cột áp tương đối nhỏ

Các kiểu hệ thống

Turbine thủy lực cải tiến

• Để làm tăng cột áp:Zener và Fetkovich (1975) cải tiến

• Nước mặt(ấm) sôi ở vùng chân không của chỏm cầu

• Hơi được ngưng bằng nước lạnh trong một ống trụ ở giữa.

• Nước ngưng ở ống này được dẫn qua turbine

• Cột áp lớn hơn do làm tăng chiều cao cột nước Hiệu suất tăng

Các hệ thống

Turbine hơi-chu trình hở

Chu trình hở không có lọc nước và chu trình hở có thu hồi nước lọc

Các hệ thống

Turbine hơi-chu trình hở

• Đơn giản về cấu trúc

• Cần ít hoặc không cần

bộ trao đổi nhiệt

• Áp suất hơi lại thấp nên cần turbine lớn

Các hệ thống Turbine hơi-chu trình

kín, kết hợp

Điểm đặt

• Tính kinh tế phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ

• Nguồn nước nhiệt độ cao thì dễ tìm: biển nhiệt đới

• Nguồn nước nhiệt độ thấp thì ở sâu ngoài khơi

• Đặt ngoài khơi xa thì đưa điện vào đất liền lại là vấn đề.

Điểm đặt Đặt ở đất liền hoặc gần bờ biển

• Đơn giản, không cần

neo giữ

• Được che chắn tốt,

chịu được sóng,gió

• Đi lại dễ dàng: thuận

lợi khi xây dựng, sửa

chữa

• Đường ống cấp nước phải chịu lực lớn từ sóng biển nếu ko đc chôn sâu

• Nước lạnh bị trộn với nước ấm

• Đắt: cấu trúc phức tạp để chịu đk khắc nghiệt

• Khó khăn trong chuyển sản phẩm về đất liền

• Ít hấp dẫn nếu làm các dự án ngắn hạn

• Công nghệ hiện nay chỉ cho phép tối đa

2000m độ sâu

Điểm đặt Giàn tự nổi

• Thích hợp cho các hệ thống công suất lớn

• Ổn định kém: ống dễ gãy…

• Đường ống, cáp dễ bị hư hại trong bão lớn

• Cần có cơ sở hậu cần để hoạt động liên tục

• Có thể dùng chân vịt để đẩy, giữ ổn định

• Nguồn để nuôi thủy sản

• Điều hòa không khí:dùng