Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị sản xuất điện năng từ năng lượng sóng biển theo nguyên lý máy phát điện tuyến tính

Các nguồn nhiên liệu mới mà thế giới đã và đang sử dụng như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nguyên tử, năng lượng sinh khối, năng lượng đại dương, năng lượng tuyết, năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

-

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Hà Phương Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh: 09/08/1985 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MSHV: 11040397

Khóa: 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ SẢN XUẤT ĐIỆN

NĂNG TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THEO NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN

TUYẾN TÍNH

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tìm hiểu tổng u n v thiết hát iện t s ng iển

 Tìm hiểu và h n tích năng ng s ng, iên s ng các v ng iển VIỆT NAM

 Ph n tích, ự chọn thiết hát iện t s ng iển h h v i tình hình thực tế v ng

3-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 – 01 - 2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21 -06- 2013

5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2013

PGS.TS Trần Doãn Sơn

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

Họ tên và chữ ký)

Cán h ng dẫn kho học: PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN

Cán chấm nhận xét 1:

Cán chấm nhận xét 2:

Luận văn c ảo vệ tại tr ờng Đại học Bách Kho -ĐHQG TP.HCM ngày tháng… năm 2013 Thành hần h i ồng ánh giá uận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận củ chủ t ch h i ồng ánh giá uận văn và tr ng kho uản ý chuyên nghành s u khi uận văn ã c chỉnh sử (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Mục lục

Mục lục 1

Danh sách các hình ảnh 4

Danh sách các bảng biểu 7

Lời nói đầu 8

Abstracts 9

Lời cảm ơn 10

Chương 1: Tổng quan 11

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới 11

1.1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng thế giới đang sử dụng 12

1.1.2 Tổng quan về các nguồn năng lượng Việt Nam đang sử dụng 21

1.1.2.1 Những khó khăn của các ngành năng lượng điện nước ta 21

1.1.2.2 Tiềm năng trong tương lai 22

1.2 Tổng quan về công nghệ sản xuất điện từ năng lượng sóng biển tr n thế giới 23

1.2.1 Chính sách năng lượng đại dương thế giới 24

1.2.2 Các nguồn năng lượng có thể khai thác từ nước biển 25

1.2.3 Tìm hiểu về Sóng biển 26

1.2.3.1Các thông số cơ bản của sóng 27

1.2.3.2 Các dạng sóng 28

1.2.3.3 Phân loại sóng 28

1.2.3.4 Năng lượng sóng 30

1.2.3.5 Thông lượng năng lượng sóng 31

1.2.4 Phân loại các thiết bị phát điện sóng biển 34

1.2.4.1 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý sóng tắt dần 34

1.2.4.2 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý hấp thu điểm 35

1.2.4.3 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý sóng tràn 39

1.3 Tình hình nghiên cứu và khả năng ứng dụng công nghệ phát điện từ sóng biển

tại ở Việt Nam 46

1.3.1 Tình hình nghiên cứu công nghệ phát điện từ sóng biển tại ở Việt Nam 46

1.3.2 Các máy phát điện từ sóng biển ở Việt Nam 47

1.3.3 Khả năng ứng dụng công nghệ phát điện từ sóng biển tại ở Việt Nam 52

Chương 2 T m hiểu và ph n tích năng lượng sóng, kết quả quan trắc sóng ở một số v ng biển ở V T N 53

2.1 Năng lượng sóng ở các vùng biển Việt Nam 53

2.2 Kết quả quan trắc sóng ở một số v ng biển ở V T N 57

2.2.1 Vùng biển Gò Công Đông Tiền Giang 57

2.2.2 Vùng biển Bạc Liêu 86

2.2.3 Một số vùng biển khác ở Việt Nam 91

Chương 3 Thiết kế nguy n lý, và chế tạo mô h nh máy phát điện tuyến tính d ng năng lượng sóng biển 96

3.1 Lựa chọn thiết bị phát điện từ sóng biển ph hợp với t nh h nh thực tế ở v ng biển Việt Nam 96

3.2 Thiết kế và chế tạo máy phát điện tuyến tính d ng năng lượng sóng biển 97

3.2.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ 98

3.2.1.1 Từ trường là gì? 98

3.2.1.2 Từ trường nam châm và hiện tượng cảm ứng điện từ 99

3.2.1.2.1 Từ trường nam châm 99

3.2.1.2.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ 100

3.2.1.3 Nam ch m vĩnh cửu 104

3.2.1.3.1 Các đặc trưng 104

3.2.1.3.2 Phân loại nam ch m vĩnh cửu theo vật liệu 107

3.2.2 Lựa chọn nam ch m d ng cho mô h nh máy phát điện tuyến tính 108

3.2.2.1 Sơ lược về nam ch m đất hiếm 108

3.2.2.2 Nam ch m đất hiếm dùng cho mô hình 113

3.2.3 Thiết kế và Tính toán số vòng dây quấn cho stator 115

3.2.3.1 Thiết kế stator 116

3.2.3.2 Tính toán số vòng dây quấn cho stator 117

3.2.4 Thiết kế lò xo nén 117

3.2.5 Tính toán cho phao nổi 119

3.2.6 Tính toán để nhấn chìm máy phát xuống đáy hồ 124

3.3 Thiết kế, chế tạo cụm tạo sóng đơn giản 127

3.3.1 Tính toán động học cho cụm tạo sóng 127

3.3.2 Chọn động cơ cho cụm tạo sóng 130

3.3.3 Chọn biến tần cho cụm tạo sóng 130

3.4 Chỉnh lưu cho dòng điện của máy phát điện tuyến tính 131

Chương 4 Kiểm tra, đánh giá các thông số kỹ thuật của hệ thống thí nghiệm mô hình chế tạo so sánh với lý thuyết thiết kế 133

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 134

Tài liệu tham khảo: 135

Danh sách các hình ảnh

Hình 1.1 Tình hình nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới 11

Hình 1.2 Nhiên liệu hóa thạch than đá 12

H nh 1.3 Nhà máy điện hạt nhân 13

H nh 1.4 Công vi n quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức 14

Hình 1.5 Tuốc bin gió ở Tây Ban Nha 15

Hình 1.6 Chi tiết các bộ phận của một turbin gió 16

Hình 1.7 Turbin máy phát điện 17

H nh 1.8 Đập thủy điện 18

H nh 1.9 Nhà máy điện địa nhiệt Nesjavellir ở Iceland 19

Hình 1.10 Mô hình Biodiesel 20

Hình 1.11 Biểu đồ cơ cấu điện năng Việt Nam đến 2020, với tổng công suất các nhà máy điện 75.000 MW 21

Hình 1.12 Số nước d ng năng lượng đại dương tính đến năm 2009 tr n thế giới 25

Hình 1.13 Một con sóng 26

Hình 1.14 Các thông số cơ bản của sóng 27

Hình1.15 Dạng sóng hình sin 28

H nh 1.16 Sơ đồ phân bố năng lượng sóng 31

Hình 1.17 Hệ thống pelamis 34

Hình 1.18 Rắn cao su Anaconda 35

Hình 1.19 Hệ thống CETO 36

Hình 1.20 Thiết bị AquaBuoy 36

Hình 1.21 Hệ thống Fraunhofer 37

Hình 1.22 Tuabin diều dưới nước 38

Hình1.23 Hệ thống Limpet 39

Hình 1.24 Oyster 40

Hình 1.25: Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Wave Dragon 40

Hình 1.26 Nguyên lý thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Wave Dragon 41

Hình 1.27 Thiết bị chuyển đổi năng lượng McCabe Wave Pump 42

Hình 1.28 Oscillating Water Column 43

Hình 1.29 Archimedes Waveswing: 44

Hình 1.30 Hệ thống phao phát điện tuyến tính dạng nổi 45

Hình 1.31 Hệ thống phao phát điện tuyến tính dạng chìm 46

H nh 1.32 nh L Thanh B nh và máy phát điện do anh sáng chế 47

Hình 1.33 Anh Tống Văn Dũng giới thiệu mô h nh máy phát điện kết hợp năng lượng sóng – gió tại Chợ Công nghệ và thiết bị Hà Nội 2008 48

Hình 1.34 Các khớp nối của Pelamis 49

Hình 1.35 Nguyên tắc hoạt động của pelamis 50

H nh 1.36 Sơ đồnguyên lý hoạt động của máy phát điện cánh ngầm của anhTrương Văn Dũng 51

H nh 2.1 Năng lượng sóng trung bình tháng 12 54

H nh 2.2 Năng lượng sóng trung b nh m a gió đông bắc 55

H nh 2.3 Năng lượng sóng trung bình mùa gió tây nam 56

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo sóng và dòng chảy ven bờ 59

Hình 2.5 Thao tác thả máy đo sóng trạm Vàm Láng 60

Hình 2.6 Kiểm tra độ s u trước khi thả máy đo sóng 60

H nh 2.7 Phao đo sóng 61

H nh 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tuyến tính 97

Hình 3.2 Từ trường của nam ch m vĩnh cửu hình trụ 99

Hình 3.3 Từ thông 100

H nh 3.4 Sơ đồ thí nghiệm Faraday 101

H nh 3.5 Định luật Lenz 103

Hình 3.6 Từ thông gửi qua vòng d y đỏ thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường 103

H nh 3.7 Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm, và các thông số của vật liệu được xác định tr n đường cong từ trễ 105

Hình 3.8 Phân bố thị trường nam ch m vĩnh cửu trên thế giới năm 1999 109

Nam châm NdFeB chiếm 37% thị phần 109

Hình 3.9 Ô nguyên tố trong cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất SmCo5 110

H nh 3.10 Nam ch m đất hiếm dùm cho mô hình 113

H nh 3.11 Đo từ tính của nam ch m d ng cho mô h nh máy phát điện tuyến tính 114

Hình 3.12 Cảm ứng từ xung quanh nam châm hình trụ 114

Hình 3.13 Nguyên lý Faraday 115

Hình 3.14 Vỏ bên ngoài của máy phát điện tuyến tính 116

Hình 3.15 Stator 117

Hình 3.16 Lò xo nén 118

H nh 3.17 Sơ đồ phân tích lực 120

Hình 3.18 Phao nổi và các kích thướt 121

H nh 3.19 áy phát điện tuyến tính 122

H nh 3.20 ô h nh máy phát điiện sau khi được chế tạo hoàn tất 123

Hình 3.21 Bắn silicon chóng thấm nước cho thiết bị 123

Hình 3.22 Gắn máy phát vào một khung bằng inox 125

Hình 3.23 Bể nước để khảo nghiệm máy phát 126

H nh 3.24 áy phát được gắn vào khung inox và dìm xuống bể nước 126

H nh 3.25 Cơ cấu tạo sóng 127

H nh 3.26 Đặt cơ cấu trong hệ tọa độ thực và ảo 128

Hình 3.27 Máy tạo sóng sau khi chế tạo 130

H nh 3.28 Động cơ giảm tốc 130

Hình 3.29 Biến tần Rich Electric 131

Hình 3.30 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn điện vào đất liền có 131

H nh 3.31 Sơ đồ mạch chỉnh lưu toàn sóng 132

Hình 3.32 Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu 132

H nh 4.1 Sơ đồ khảo nghiệm thiết bị 133

Danh sách các bảng biểu

Bảng 1.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân, hiện tượng 29

Bảng 1.2 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh 29

Bảng 2.1 Số liệu các thông số sóng trạm Vàm Láng 63

Bảng 2.2 Số liệu các thông số sóng trạm Tân Thành 75

Bảng 2.3 Tên và vị trí các trạm đo hải văn 86

Bảng 2.4 Biểu ghi quan trắc sóng 87

Bảng 2.5 Bảng thông số sóng ở các trạm tiêu biểu 91

Bảng 3.1 Các tham số từ của nhóm hợp chất NdFeB 111

Bảng 3.2 Thông sô kỹ thuật của nam châm NdFeB 113

Lời nói đầu

Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới nói chung, và của Việt Nam

nói ri ng ngày càng tăng ặt khác, các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn

kiệt vì vậy chúng ta phải cần có nguồn năng lượng khác để thay thế Các nguồn nhiên

liệu mới mà thế giới đã và đang sử dụng như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,

năng lượng nguyên tử, năng lượng sinh khối, năng lượng đại dương, năng lượng

tuyết, năng lượng địa nhiệt, năng lượng lên men sinh học,… mỗi loại năng lượng có

những ưu nhược điểm ri ng, nhưng nh n chung nó cũng đã giải quyết được phần nào

sự khủng hoảng năng lượng như hiện nay

Việt Nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 km với hàng ngàn đảo, điều này

rất thuận lợi cho việc khai thác năng lượng biển, góp phần vào bình ổn nhu cầu năng

lượng cho đất nước Trên những yêu cầu về tình hình sử dụng năng lượng như hiện

nay, tác giả đề xuất đề tài chế tạo máy phát điện từ năng lượng sóng biển, máy hoạt

động theo nguyên lý của máy phát điện tuyến tính tức là dựa vào sự chuyển động

nhấp nhô lên xuống của sóng biển làm chuyển động tuyến tính phần roto của máy

phát điện và từ đó sản sinh ra điện

TP Hồ Chí inh, tháng 6 năm 2013

Abstracts

Today, the demand for energy of the world and Vietnam are increasing, on the

other hand, fossil fuels are running out, so we need have other sources of energy to

replace the fossil fuels The new fuels that the world has been used as: solar energy,

wind energy, nuclear energy, biomass energy, ocean energy, snow energy, geothermal

energy, bio-fermentation energy,… Each energy type has advantages and

disadvantages, but it has been partly solved the energy crisis today

Vietnam is a country with a coastline of over 3000 km with thousands islands

This is very convenient for the exploitation of marine energy, contributing to stabilize

the energy needs of the country On the requirements for the use of current energy, the

authors suggested topics made transmitter power from wave energy The machine

works on the principle of linear generator is based on the bobbing up and down

motion of ocean waves to linear motion of the rotor and generated electricity

Ho chi minh city, June 2013

Lời cảm ơn

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn s u sắc tới Thầy PGS.TS TRẦN DOÃN

SƠN, người đã tận t nh hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn,

những hướng dẫn của thầy không những là kiến thức có ích cho quá trình thực hiện

luận văn mà còn rất có ích cho công việc sau này của em Một lần nữa em xin chân

thành cảm ơn Thầy

Bên cạnh đó em xin gửi lời cảm ơn đến:

- Các thầy cô trong khoa Cơ Khí trường ĐHBK đã tận tình dạy bảo những

kiến thức hữu ích trong khoảng thời gian học tập

- Các thầy cô trong bộ môn Cơ Lưu Chất, khoa KTXD trường ĐHBK, đặt

biệt là Thầy PGS.TS Huỳnh Công Hoài, và Cô PGS.TS Nguyễn Thị Bảy đã

giúp đỡ và tạo điều kiện cho em thực hiện các thí nghiệm của luận văn

- Cảm ơn tập thể các bạn học cao học cùng lớp, đặt biệt là anh Trần Thái

Nguyên và anh Chung Trần Thế Vinh đã ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá

trình thực hiện luận văn

TP Hồ Chí inh, tháng 6 năm 2013

Học viên thực hiện

Hà Phương

Chương 1: Tổng quan

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới

Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống chúng

ta Có thể nói bất cứ hoạt động nào của con người đều cần phải có năng lượng Năng

lượng có nguồn gốc từ hai nguồn chủ yếu tr n trái đất đó là năng lượng từ mặt trời và

năng lượng từ lòng đất

- Năng lượng mặt trời tạo tồn tại ở các dạng chính: bức xạ mặt trời, năng

lượng sinh học, năng lượng hoá thạch,…

- Năng lượng lòng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các các nguồn địa

nhiệt, núi lửa và năng lượng phóng xạ …

Nhu cầu năng lượng của thế giới li n tục tăng và có xu hướng ngày càng tăng

nhanh trong nhiều thập kỷ qua

Hình 1.1 Tình hình nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới

Từ biểu đồ h nh 1 ta thấy năng lượng từ nhi n liệu hóa thạch là năng lượng

được ti u thụ nhiều nhất, tuy nhi n nguồn năng lượng này đang ngày càng cạn kiệt và

không thể tái tạo được, hơn nữa việc sử dụng nguồn năng lượng này sẽ phát thải khí

thể tái tạo được và không g y ô nhiễm môi trường để thay thế nhi n liệu hóa thạch là

vấn đề hết sức cần thiết

1.1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng thế giới đang sử dụng

a Năng lượng hóa thạch

Nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ quá trình phân hủy kỵ khí của xác các

sinh vật, bao gồm thực vật ph du và động vật phù du lắng đọng xuống đáy biển

(hồ) với số lượng lớn trong các điều kiện thiếu oxy, cách đ y hàng triệu năm Trải

qua thời gian địa chất, các hợp chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn vùi bên

dưới các lớp trầm tích nặng Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao làm cho các vật

chất hữu cơ bị biến đổi hóa học, đầu tiên là tạo ra kerogen ở dạng sáp Chúng được

tìm thấy trong các đá phiến sét dầu và sau đó khi bị nung ở nhiệt cao hơn sẽ tạo ra

hydrocacbon lỏng và khí bởi quá tr nh phát sinh ngược

Các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi v trái đất mất hàng

triệu năm để tạo ra chúng và lượng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo

thành

Hình 1.2 Nhiên liệu hóa thạch than đá

b Năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân là năng lượng có được từ sự tách năng lượng hữu ích từ

hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Phương pháp

phổ biến được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nh n Năm 2007, 14% lượng điện

trên Thế giới được sản xuất từ năng lượng hạt nhân

Hình 1.3 Nhà máy điện hạt nhân Năng nượng hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải

cacbon và gia tăng an ninh năng lượng Tuy nhiên năng lượng hạt nhân là nguồn năng

lượng chứa đựng nhiều tiềm năng thảm họa nguy hiểm Các vấn đề lưu giữ chất thải

phóng xạ gây ô nhiễm phóng xạ rất nguy hiểm cho sinh vật

Năm 1986, lò phản ứng số 4 của nhà máy điện nguyên tử Chernobyl phát nổ,

gây ra một loạt vụ nổ ở các lò phản ứng khác, làm tan chảy lõi lò phản ứng hạt

nh n Đ y là sự cố hạt nhân trầm trọng nhất trong l ị ch sử Do không có tường chắn

n n các đám m y bụi phóng xạ bay lên bầu trời và lan rộng ra nhiều khu vực phía tây

Liên bang Xô Viết, một số nước Đông Âu và T y Âu, nh và phía đông Hoa K

Thảm hoạ này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp bốn trăm lần so với quả bom nguyên

tử được ném xuống Hiroshima Sau thảm họa, hàng loạt các vấn đề về ô nhiễm môi

trường cũng như về sức khỏe đe dọa người dân

Năm 2011, sau trận thảm họa động đất và sóng thần Sendai 2011, nhà máy điện

hạt nhân Fukushima gặp hàng loạt các vấn đề đối với các lò phản ứng và rò rỉ

ngày càng cao Tuy không có người tử vong tại chỗ, nhưng nó g y nhiều lo ngại về

sức khỏe của con người trong khu vực bị ảnh hưởng sau này Dự kiến phải mất vài

năm để sửa chữa nhà máy và vài tháng để khử sạch phóng xạ

c Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi

con người từ thời cổ đại Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng

mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng

lượng tái tạo có sẵn tr n Trái Đất Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có

sẵn được sử dụng

Các ứng dụng năng lượng mặt trời bao gồm: sưởi ấm không gian và làm mát thông

qua kiến trúc năng lượng mặt trời, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng

bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời

Điện mặt trời là việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng

cách sử dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập

trung (CSP) Hệ thống CSP sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập

trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ PV chuyển đổi

ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện

Hình 1.4 Công vi n quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo và không bao giờ kết, nó có mặt

ở khắp nơi hoàn toàn miễn phí, và không gây ô nhiễm

Nhược điểm chính của năng lượng mặt trời là chi phí ban đầu Tấm năng lượng

mặt trời là tương đối khá đắt tiền

Trời mây, điều kiện mưa, ban đ m v.v…, ảnh hưởng trực tiếp tới việc khai thác

năng lượng mặt trời

d Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển

Trái Đất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

Hình 1.5 Tuốc bin gió ở Tây Ban Nha

Năng lượng gió đã được sử dụng từ thời cổ đại Con người đã d ng năng lượng

gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu , ngoài ra năng lượng gió còn được

sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió Trên lý thuyết chỉ có thể lấy

tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió

Ý tưởng d ng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh

ra điện và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xoay gió chỉ được biến đổi nhỏ

và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy

phát điện để sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát

triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc

biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù

hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng

dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác

được đẩy mạnh trên toàn Thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại

Vì gió không thổi đều đặn n n năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ

có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp

năng lượng liên tục Tại châu Âu , các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ

vào đó mà việc sản xuất đi ện có thể được điều hòa một phần

Hình 1.6 Chi tiết các bộ phận của một turbin gió

(1) Lưỡi quạt, (2) Đầu rotor, (3) Pitch, (4) Thắng thủy lực, (5) Trục quay nhanh, (6)

Hộp điều tốc, (7) áy phát điện, (8) Bộ điều khiển, (9) Đo gió, (10) Van gió, (11)

Hộp động cơ, (12) Trục quay nhanh, (13) Yaw drive, (14) Yaw motor, (15) Cột

chống

Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió Cánh quạt gió sẽ

được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí Động năng của gió được tích lũy

vào hệ thống nhiều bình khí nén Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân

phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện Như vậy năng lượng gió

được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (d gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn

được nén vào b nh, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén

từ bình phun ra, hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí lu n phi n để

đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 b nh đang xả khí

quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào)

e Năng lượng thủy điện

Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước Đa số năng lượng thuỷ

điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc

bin nước và máy phát điện

Hình 1.7 Turbin máy phát điện

Năng lượng này phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về

độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất

Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất Để có được áp suất cao

nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi

là ống dẫn nước có áp

Hình 1.8 Đập thủy điện

Năng lượng thủy điện tuy không gây ra khí thải nguy hại nhưng nó lại ảnh hưởng

rất lớn đến môi trường sinh thái tự nhiên do sự xây dựng các đập thủy điện

f Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất

Năng lượng này có nguồn gốc từ sự h nh thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động

phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại

bề mặt Trái Đất Chúng đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại,

nhưng ngày nay nó được d ng để phát điện Có khoảng 10 GW công suất điện địa

nhiệt được lắp đặt trên Thế giới đến năm 2007, cung cấp 0.3% nhu cầu điện toàn cầu

Th m vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho

sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu

vực

Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và

thân thiện với môi trường, nhưng trước đ y bị giới hạn về mặt địa lý đối với các khu

vực gần các ranh giới kiến tạo mảng Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đ y đã

từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là

các ứng dụng trực tiếp như d ng để sưởi trong các hộ gia đ nh

Hình 1.9 Nhà máy điện địa nhiệt Nesjavellir ở Iceland Các dòng nước nóng được bơm l n từ dưới s u trong lòng đất có thể chứa một vài

khí đi c ng với nó như điôxít cacbon và hydro sunfua Khi các chất ô nhiễm này

thoát ra ngoài môi trường, nó sẽ góp phần vào sự ấm lên toàn cầu, mưa axít, và các

m i độc hại đối với thực vật xung quanh đó ột số nhà máy được yêu cầu phải có

hệ thống kiểm soát lượng phát thải nhằm làm giảm lượng axít và các chất bay hơi

Bên cạnh các khí hòa tan, nước nóng từ nguồn địa nhiệt có thể chứa các nguyên

tố nguy hiểm như thủy ngân, arsen và antimon nếu nó được thải vào các con sông

có chức năng cung cấp nước uống Việc xây dựng các nhà máy phát đi ện có thể ảnh

hượng ngược lại đến sự ổn đị nh nền đất của khu vực xung quanh

g Năng lượng sinh học

Nhiên liệu sinh học (Tiếng Anh: Biofuels, ti ếng Pháp: biocarburant) là loại

nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học)

như nhi n liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, .),

ngũ cốc (lúa mz, ngô, đậu tương, .), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,

), sản phẩm thải trong công nghi ệp ( m n cưa, sản phẩm gỗ thải ),

Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) : là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự

và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được

điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ

động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách

cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol

Hình 1.10 Mô hình Biodiesel

- Xăng sinh học (Biogasoline) : là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử

dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ

gia ch Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu

cơ như tinh bột, xen-lu- lô, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ

thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại

xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống

- Khí sinh học (Biogas) : là một loại khí hữu cơ gồm ethane và các đồng

đẳng khác Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ

phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí

Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm

dầu mỏ

Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được

cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực Khả năng sản xuất với

quy mô lớn cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời

tiết và nông nghi ệp Bên cạnh đó, giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn cao

hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống từ đó việc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu

sinh học vào đời sống chưa thể phổ biến rộng

Nguồn năng lượng cuối cùng là năng lượng đại dương sẽ được giới thiệu ở phần

sau

1.1.2 Tổng quan về các nguồn năng lượng Việt Nam đang sử dụng

Theo ước tính, nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho

đến năm 2020

Hình 1.11 Biểu đồ cơ cấu điện năng Việt Nam đến 2020, với tổng công suất các nhà

máy điện 75.000 MW Hiện tại, Việt Nam phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc để chống lại việc thiếu điện

tại miền Bắc

1.1.2.1 Những khó khăn của các ngành năng lượng điện nước ta

a Nhiệt điện

Than đá của nước ta tuy khá nhiều, nhưng trong tương lai sẽ cạn kiệt, phải nhập

khẩu với giá cao để chạy các nhà máy phát điện chạy bằng than ở phía Nam Khí đốt

của ta cũng có hạn, và cũng sẽ hết Giá dầu thì ngày một tăng do tình hình kinh tế,

b Thủy điện

Ở những nơi có khả năng x y dựng nhà máy thủy điện lớn và vừa, ta đã và đang

xây dựng gần hết, và thủy điện ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái

c Điện hạt nhân

Mức đầu tư cao, hiện nay nước ta đang thiếu nhân lực cho ngành này.Tuy nhiên

rủi ro thảm họa khi d ng điện hạt nhân rất cao Động đất và sóng thần ở Nhật Bản

cũng đã làm cho cả thế giới phải cảnh giác với điện hạt nhân

d Điện nhập khẩu

Giá thành dầu tư ít, tuy nhi n giá mua lại cao, và bị phụ thuộc vào nước ngoài

e Năng lượng tái tạo

Gồm các nguồn năng lượng như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng

lượng mặt trời, năng lượng đại dương,vv… Tuy nước ta có tiềm năng rất lớn về năng

lượng này, nhưng vẫn chưa được chú trọng đầu tư khai thác đúng mức

1.1.2.2 Tiềm năng trong tương lai

Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo phân bổ rộng khắp

trên toàn quốc Sinh khối từ các sản phẩm hay chất thải nông nghiệp có sản lượng

tương đương 10 triệu tấn dầu/năm Tiềm năng khí sinh học xấp xỉ 10 tỉ m3

/ năm có thể thu được từ rác, ph n động vật và chất thải nông nghiệp Tiềm năng kỹ thuật của

thuỷ điện nhỏ (<30 W) hơn 4,000 W Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với

bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2/ngày phân bổ trên khắp đất nước Vị trí địa lý

của Việt Nam với hơn 3,400km đường bờ biển cũng giúp Việt Nam có tiềm năng rất

lớn về năng lượng gió với tiềm năng ước tính khoảng 500-1000 kWh/m2 /năm Những

nguồn năng lượng thay thế này có thể được sử dụng giúp Việt Nam đáp ứng nhu cầu

năng lượng ngày càng tăng nhanh ặc dù Việt Nam đã triển khai sớm và thành công

một số dự án nhưng việc ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam vẫn chưa khai

thác hết tiềm năng sẵn có

1.2 T ng an ề c ng nghệ s n t điện t năng lượng s ng i n trên thế giới

Trong sự phát triển kinh tế hiện nay, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao,

đặc biệt là sự phụ thuộc quá lớn vào nhi n liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá đã dẫn

đến nhiều bất ổn về kinh tế, chính trị toàn cầu V vậy, việc t m kiếm và khai thác

những nguồn năng lượng khác thay thế nhi n liệu hóa thạch đã được nhiều quốc gia

quan t m Năng lượng từ gió, mặt trời, năng lượng thủy triều và sóng đại dương là các

nguồn năng lượng vô tận đã và đang được khai thác nhằm đáp ứng nhu cầu về năng

lượng của con người, mỗi loại năng lượng kể trên có những ưu nhược điểm riêng,

nhưng nh n chung nó cũng đã giải quyết được phần nào sự khủng hoảng năng lượng

như hiện nay, và có thể nói đ y là các nguồn năng lượng sạch và vĩnh cửu Trong đó

sóng đại dương là nguồn năng lượng dồi dào và ổn định nhất v gió không phải lúc

nào cũng có, mặt trời cũng vậy không phải hôm nào cũng chiếu sáng, nhưng sóng

biển thì luôn tồn tại bất kể ngày đ m Đại dương chiếm diện tích trái đất n n sẽ là

nguồn cung cấp nguồn năng lượng sạch cho thế giới trong tương lai

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng nguồn năng lượng từ biển, Năm

1966, tại Pháp đã x y dựng một nhà máy điện thủy triều đầu tiên trên thế giới có quy

mô công nghiệp với công suất 240 W, đ y là một trong những nhà máy điện thủy

triều Rance lớn nhất trên thế giới Tại Canada đã vận hành một nhà máy 20 MW từ

năm 1984, sản xuất 30 triệu kW điện hàng năm Trung Quốc cũng là một nước rất

quan t m đến nguồn năng lượng sạch, hiện nay Trung Quốc có 7 nhà máy điện thủy

triều đang vận hành với tổng công suất 11 MW Gần đ y, Hàn Quốc rất chú trọng

khai thác sử dụng năng lượng thủy triều Một nhà máy điện thủy triều Shiwa có công

suất 254 W được hoàn thành năm 2010; còn tại thành phố Incheon, từ năm 2007 đã

xây dựng một nhà máy có công suất 812 MW lớn nhất thế giới, với 32 tổ máy và sẽ

đưa vào vận hành năm 2015

Năm 2011, Ủy ban năng lượng thế giới E đã có hiệp định về hệ thống năng

lượng đại dương OES (ocean energy systems) và số quốc gia thành vi n đã li n tục

gia tăng Nhiều quốc gia đã x y dựng “Chiến lược phát triển năng lượng biển” như

1.2.1 Chính sách năng lượng đại dương thế giới

Hiệp định OES đã ra đời năm 2001 với sự chấp thuận của Ủy ban công nghệ

năng lượng (CERT) và nhóm Năng lượng tái tạo (REWP) của Ủy ban năng lượng thế

giới (IEA) Từ 2003, số dự án trong nghiên cứu phát triển đã tăng gấp đôi từ 35-76

trong các quốc gia thành viên, số lượng các chương tr nh được chính phủ cung cấp

kinh phí cho RD&D năng lượng đại dương ngày càng gia tăng Điều này được phản

ánh trong sự gia tăng thành vi n chính thức và quan sát viên trong OES Tính đến

tháng 12/2011, 19 quốc gia là thành vi n OES: Đan ạch, Bồ Đào Nha, nh, Nhật

Bản, Ai Len, Canada, Hoa Kỳ, Bỉ, Đức, Na Uy, Mexico, Tây Ban Nha, Ý, New

Zealand, Thụy Điển, Australia, Hàn Quốc, Nam Phi, Trung Quốc (2011) Các quốc

gia dự kiến sẽ tham gia trong những năm tới, gồm 7 nước Phần Lan, Pháp, Brazil, Ấn

Độ, Hà Lan, Chile và ndonesia Đã có 3 hiệp định OES (2001-2005), (2006-2011) và

(2012-2017) được ký kết và thực hiện Kế hoạch hàng năm tr nh qua Ban Điều Hành

hiện tại là nh, i Len, Đan ạch và Mỹ, sau đó tr nh E OES có tầm nhìn dài hạn

là đến năm 2050, việc sử dụng năng lượng biển với chi phí cạnh tranh tr n cơ sở bền

vững cung cấp thị phần quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai

Cụ thể là ngành năng lượng đại dương thế giới đến 2050 sẽ tạo ra 160000 việc làm,

sản xuất ra 748 GW, lưu trữ 5,2 tỷ tấn CO2 [10] Bốn mục tiêu chiến lược ban đầu tập

trung vào:

a ) Phát triển mạng lưới và trao đổi thông tin;

b) Phát triển và sử dụng các công nghệ năng lượng biển;

c) Sự tham gia của ngành công nghiệp và các tiện ích trong chương tr nh

OES

d) Tương tác với chương tr nh thực hiện toàn cầu, đa phương và quốc gia

khác

Số nước Hình 1.12 Số nước d ng năng lượng đại dương tính đến năm 2009 tr n thế giới

1.2.2 Các nguồn năng lượng có thể khai thác từ nước biển

a Nguồn năng lượng từ sóng biển

Theo PGS.TSKH Nguyễn Tác An, nguyên Viện trưởng Viện Hải dương học, Chủ tịch

Ủy ban Hải dương học liên chính phủ (IOC), Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển

năng lượng từ sóng biển Theo tính toán, nếu sóng có độ cao 1m, ở độ dài khoảng 1,8

km bờ biển, thì có thể tạo ra một nguồn năng lượng bằng 35.000 mã lực

b Nguồn năng lượng từ thủy triều

Năng lượng thủy triều của toàn thế giới theo các nhà khoa học ước chừng khoảng 3 tỷ

kW Nguy n lý phát điện thủy triều tương tự như nguy n lý phát điện thủy lực, tức là

lợi dụng sự chênh lệch mức nước triều lên xuống để làm quay động cơ và máy phát

điện

c Nguồn năng lượng từ dòng chảy

Các dòng chảy lớn trên biển thường chảy theo một hướng tương đối ổn định và có lưu

lượng lớn, do đó ẩn chứa một nguồn năng lượng rất lớn Theo tính toán của các nhà

khoa học, tổng năng lượng tiềm năng của dòng chảy biển và đại dương l n đến 5 tỷ

kW

d Nguồn năng lượng từ sự chênh lệch độ mặn

Ở những khu vực có sự chênh lệch độ mặn lớn, đặc biệt như v ng cửa sông đổ ra

biển, sự chênh lệch độ mặn này có thể tạo ra một nguồn năng lượng mới mà hiện nay

con người chưa khai thác

Công ty Statkraft đã chứng minh khái niệm tại nhà máy đầu ti n khai trương tháng

11/2009 ở Tofte, Na Uy, dọc theo Vịnh Oslo Dựa vào báo cáo của các nhà nghiên

cứu trường đại học Yale Menachem Elimelech và Ngai Yin Yip trên tờ tạp chí Khoa

học và Công nghệ ACS, những trạm phát điện mới này có thể cung cấp điện cho hơn

1 tỷ người bằng cách khai thác 10% nguồn năng lượng này

e Nguồn năng lượng từ sự chênh lệch nhiệt độ nước biển

Nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu ở biển nhiệt đới và cận nhiệt đới chênh lệch nhau có

thể tới 250 độ C Đ y là nguồn năng lượng cực kỳ to lớn mà con người muốn khai

thác sử dụng Theo các nhà khoa học thi tiềm năng của loại năng lượng này có thể

khai thác ước tính đến 50 tỷ kW

1.2.3 Tìm hiểu về Sóng biển

Sóng biển là hiện tượng diễn ra ở lớp nước gần mặt biển Sóng thường hình

thành do gió và những hiệu ứng địa chất, và có thể di chuyển hàng nghìn kilômet

trước khi đến đất liền

Hình 1.13 Một con sóng

Kích cỡ sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn sóng thần cực

lớn Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chuyển động

theo phương ngang Nguyên nhân chủ yếu cho sự hình thành của sóng là gió, có 3

yếu tố của gió ảnh hưởng đến sóng:

- Cường độ gió

- Diện tích mặt nước chịu ảnh hưởng của gió

- Thời gian nước bị gió thổi

1.2.3.1Các thông số cơ n của sóng

2 Độ cao H: khoảng cách từ đỉnh sóng đến bụng sóng liên tiếp

3 Bước sóng L: khoảng cách giữa các đỉnh sóng, hay bụng sóng liên tiếp

4 Chu kì sóng T: Thời gian để một đỉnh và một bụng sóng đi qua một điểm cố định)

5 Tần số sóng f = 1/T: Số dao động của sóng trong một giây

6 Tốc độ pha C= L/T: Tốc độ chuyển động của mặt sóng

7 Độ sâu d: Khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước trung bình

8 Bi n độ sóng (a) là khoảng cách theo phương đứng từ đỉnh sóng (hoặc đáy sóng)

tới đường mực nước tĩnh; bi n độ sóng bằng một nửa chiều cao sóng

9 Độ dốc sóng (s) bằng chiều cao sóng chia cho một nửa chiều dài sóng

10 Năng lượng sóng (E) thường tính bằng cơ năng của mỗi mét vuông mặt nước khi

có sóng truyền qua

11 Vận tốc nhóm sóng ( ) là đại lượng đặc trưng của sóng lan truyền, nó chính bằng

vận tốc truyền năng lượng của sóng

Bước sóng

1.2.3.2 Các dạng sóng

Dạng sóng biểu thị hình dạng của mặt nước khi có sóng Trên thực tế, phụ thuộc

vào các điều kiện khác nhau (ví dụ v ng nước s u, nước nông, vùng gió thổi, ) sóng

sẽ có các dạng khác nhau và tính chất sóng cũng có thể khác nhau (sóng điều hoà và

không điều hoà) Dạng sóng đơn giản nhất là sóng tuyến tính, đôi khi cũng có các t n

gọi khác như sóng Airy, sóng hình sin, sóng Stokes bậc một Phương tr nh mô tả dạng

của mặt nước tự do khi có sóng là một hàm của thời gian t, khoảng cách x đối với

sóng hình sin có dạng:

Hình1.15 Dạng sóng hình sin Phương tr nh tr n mô tảchuyển động của sóng tiến theo hướng tăng của trục x, nếu sóng truyền theo hướng ngược lại ta có dấu dương trong ngoặc Khi

tiến tới các giá trị 0, π/2, π, 3/2π ta có η tiến tới H/2, 0, -H/2, và 0

1.2.3.3 Phân loại sóng

Sóng trên biển có thểphân loại theo nguồn gốc, bản chất hiện tượng, độ cao, độ

sâu, tỷ số giữa bước sóng và độ sâu vv

a Phân loại sóng theo nguyên nhân, hiện tượng

Sóng gió là sóng chịu ảnh hưởng của gió sinh ra nó, sóng lừng là sóng vượt ra

ngoài v ng tác động của gió, cũng tương tự như vậy có thể xác định các loại

sóng theo nguồn gốc sinh ra nó Bảng sau trình bày phân loại sóng theo nguyên

nhân, hiện tượng

Bảng 1.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân, hiện tượng

b Phân loại sóng theo độ cao

Theo độ cao sóng, có thể phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao và độ dài sóng (độ dốc) và độ cao sóng với độ sâu biển Sóng được gọi là có độ cao vô

cùng nhỏ khi độdốc nhỏH/L≈0 và tỷ số giữa độ cao sóng với độ sâu biển nhỏ

H/d≈0 Sóng có độ cao hữu hạn khi không thoả mãn một trong hai điều kiện

trên

c Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh

Theo tỷ số giữa độ sâu với độ dài của sóng có thể phân ra 3 vùng sóng lan truyền hoặc phát sinh

Bảng 1.2: Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh

d Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu - sốUrsel (Ur)

Số Ursel được sử dụng để phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ

sâu biển:

Ur= 0 lý thuyết sóng tuyến tính,

Ur nhỏ lý thuyết sóng Stokes,

Ur lớn lý thuyết sóng cnoidal

Ngoài ra có thể phân loại theo các đặc điểm của các lực tác động l n trường sóng,

theo lực tác động lên hạt nước sau khi bị nhiễu động trở về vị trí cân bằng, theo biến

động của trường sóng theo thời gian, theo đặc điểm lan truyền của mặt sóng hoặc theo

dạng của mặt sóng vv Các loại sóng được phân loại nêu trên có thể là sóng cưỡng

bức, sóng tự do; sóng mao dẫn, sóng trọng lực; sóng ổn định, sóng đang phát triển;

sóng tiến, sóng đứng; sóng hai chiều, sóng ba chiều; sóng đều hoặc sóng không đều

1.2.3.4 Năng lượng sóng

Tổng năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng:

- Động năng được gây ra bởi tốc độ quỹ đạo của hạt nước trong chuyển động sóng

- Thế năng thể hiện ở độ cao của phần nước phía trên bụng sóng

Theo lý thuyết sóng tuyến tính, thế năng tương ứng với mực nước trung bình khi lặng

sóng Các sóng chuyển động theo một hướng thì các thành phần thế năng và động

năng bằng nhau Năng lượng cho mỗi bước sóng (độdài sóng) trên một đơn vị bề rộng

của đỉnh sóng là:

Tổng năng lượng trung bình cho một đơn vị bề rộng mặt biển (mật độ năng lượng

sóng ) là:

Hình 1.16 Sơ đồ phân bố năng lượng sóng

1.2.3.5 Th ng lượng năng lượng sóng

Thông lượng năng lượng sóng là năng lượng sóng truyền theo hướng truyền sóng, qua

một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng tính từmặt biển đến đáy biển Thông

lượng năng lượng trung bình cho một đơn vị đỉnh sóng, truyền qua một mặt phẳng

vuông góc với hướng truyền sóng sẽ được tính theo:

(1)

là thông lượng năng lượng sóng đôi khi cũng được gọi là lực sóng

- Tại v ng nước sâu:

- Tại v ng nước nông:

Khi đỉnh sóng song song với các đường đẳng s u, ta có phương tr nh c n bằng năng

lượng sóng:

(2)

Do n0=1/2 :

=>

Khi đỉnh sóng không song song với đường đẳng sâu, biển thức (2) sẽ không đúng v

các sóng sẽ truyền với các tốc độkhác nhau (hiện tượng khúc xạ sóng)

Trong biểu thức (1) tốc độ của nhóm sóng (tốc độ truyền năng lượng sóng) được tính

theo:

với C là tốc độ pha của sóng:

Trong đó k là số sóng:

Tr n quan điểm phổsóng, thông lượng năng lượng sóng (Pp) có thể được đánh giá

bằng cách tích phân toàn giải phổ sóng Tuy nhi n, thường thường rất khó có được

một phổ toàn phần của sóng n n thông lượng năng lượng sóng thường được tính

thông qua các tham sốsóng

với Tp là chu kỳ ứng với phổ sóng cực đại

Đánh giá tham sốnêu trên gần tương đương với tích phân toàn dải phổ sóng

v ng nước sâu Khả năng của một thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng ứng với một

dạng phổ sóng được gọi là “ma trận năng lượng sóng” a trận năng lượng sóng đưa

ra công suất đầu ra của máy tạo năng lượng sóng thành điện năng ứng với bất cứ tổ

hợp nào của độ cao và chu kỳ sóng Thường thường, độ cao sóng hữu hiệu (Hsig)

được sử dụng ứng với chu kỳ năng lượng sóng (Te) tại v ng nước s u trong “ma trận

năng lượng sóng”

Với m-1 và m0 là mô men bậc 1 và bậc 0 của sóng

Tại khu vực ven bờ có các tham số sóng biến đổi theo độ sâu, cần tính đến tác

động của độ s u đến tốc độ của nhóm sóng Phương pháp thích hợp nhất để xác định

chu kỳ năng lượng sóng (Te) là chu kỳ của trường sóng đều ứng với cùng một năng

lượng sóng sinh ra trong một trạng thái mặt biển cụ thể Nếu biết được tổng mật độ

năng lượng sóng và biết được độ cao sóng hữu hiệu ta có :

Burger (2005) đã đưa ra biểu thức của chu kỳnăng lượng sóng (Te) dựa trên phổ của

Bretschneider với:

hay với Tz là chu kỳ cắt đường trung bình từ trên xuống và Tp là chu kỳ đỉnh phổ

Cần nhấn mạnh rằng, các giá trị thông lượng năng lượng sóng được tính cho toàn bộ

cột nước ứng với độ sâu của điểm có sóng và là năng lượng tối đa mà một thiết bị

chuyển đổi năng lượng sóng hoàn hảo nhất có thể tạo ra được Trong thực tế, các thiết

bị chuyển đổi năng lượng sóng thường chỉ chuyển đổi năng lượng sóng tại một mực

cố định, ví dụ như mặt biển hoặc một tầng sâu cụ thể so với mặt biển có sóng và như

vậy không thể tạo ra được tổng năng lượng sóng cho toàn bộ cột nước

1.2.4 Phân loại các thiết bị phát điện sóng biển

Năng lượng sóng gồm 3 thành phần:

a Thành phần chuyển động lên xuống;

b Thành phần chuyển động ngang;

c Thành phần chuyển động quay

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng là thiết bị để chuyển đổi một hoặc nhiều các

thành phần nói tr n thành năng lượng có ích

Hiện nay các thiết bị phát điện bằng sóng biển làm việc theo 4 nguyên lý chủ

1.2.4.1 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý sóng tắt dần

a Pelamis: Sản phẩm của công ty Pelamis Wave Power (PWP)/ Pelamis

Hình 1.17 Hệ thống pelamis Pelamis là hệ thống phao nửa chìm nối với nhau kiểu bảng lề, sự tác động của

sóng biển lên phao sẽ tác động lên hệ thông thủy lực làm quay máy phát bên trong và

làm phát sinh dòng điện Nhà máy phát điện dạng Pelamis công suất 30MW chiếm

diện tích khoảng 1km2

Thiết bị được thử nhiệm ở Tháng 8 năm 2004 tại Orkney, Scotland với công suất

30MW

b Rắn cao su Anaconda: được phát minh ở Anh

Hình 1.18 Rắn cao su Anaconda

Thiết bị được đặt theo tên một loài rắn vì hình dạng nhỏ dài của nó, hai đầu của nó

được bịt kín và bên trong chứa toàn nước Nó được thiết kế để neo lại ngay dưới bề

mặt nước biển, với một đầu hứng lấy các đợt sóng Con sóng đập vào một đầu của

thiết bị tạo ra sức ép hình thành nên “sóng phình” bên trong ống Khi sóng phình

chạy qua ống, đợt sóng biển tạo ra nó chạy dọc phần ngoài của ống với cùng một tốc

độ, tạo thêm sức ép lên ống và khiến sóng phình ngày càng lớn hơn Sau đó sóng

phình làm quay một tuabin nằm ở đầu còn lại của thiết bị và năng lượng tạo ra được

chuyển đến bờ biển qua cáp Khi được chế tạo, mỗi thiết bị naconda kích thước thật

sẽ dài 200 mét và có đường kính 17 mét, được triển khai ở độ sâu từ 40 đến 100 mét

Đánh giá ban đầu cho thấy Anaconda sẽ có công suất 1 W (tương đương lượng điện

do 2000 hộ gia đ nh sử dụng) và có thể có chi phí sản xuất 6cent/ kWh hoặc ít hơn

Thiết bị có ưu điểm là ống cao su, rất nhẹ, không cần khớp nối, không, chi phí bảo trì,

hỏng hóc gần bằng không Anaconda", đã được ứng dụng tại Anh

1.2.4.2 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý h p th đi m

a CETO: Sản phẩm của công ty Renewable Energy Holdings

Hình 1.19 Hệ thống CETO Thiết bị được đặt dưới đáy biển, nhờ dao động cột nước của sóng mà thiết bị sẽ

bơm nước từ biển vào đất liền làm quay turbin và phát sinh ra điện do áp lực nước

mạnh nên có thể sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược để sản xuất ra nước ngọt từ thiết

bị này

Thiết bị CETO được thử nghiệm tại Western ustralia vào tháng 1 năm 2008

b AquaBuoy: Sản phẩm của công ty Finavera Renewables

Hình 1.20 Thiết bị AquaBuoy

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 Khi phao nhấp nhô 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 Công suất một bộ PowerBuoy độc lập (không nối

lưới) thường là 10kW hoặc nhỏ hơn Trong khi một bộ nối lưới có thể lên tới 150kW

Một “trang trại” nhiều máy phát điện có thể có tổng công suất lên tới hàng trăm W

Dự án 1Mw thực hiện ở Makah Bay, Washington

Dự án 2 MW thực hiện ở Figueira de Foz, Bồ Đào Nha W

Dự án 20MW ở Western Cape, Nam Phi

c Hệ thống Fraunhofer: Thiết bị có nguồn gốc từ Trung t m Đổi mới sản xuất

Fraunhofer (Mỹ)

Hình 1.21 Hệ thống Fraunhofer

Hệ thống tái tạo năng lượng từ sóng mới bao gồm các phao nổi và hàng loạt

cánh tay Khi những chiếc phao lắc lên lắc xuống trên sóng thì những cánh tay cũng

làm việc tương tự để thu năng lượng Năng lượng thu được sau đó sẽ tích vào hệ

thống ắc quy trên tàu Khi tàu cập bến, năng lượng sẽ được đưa l n lưới điện trong giờ

cao điểm