Luận văn Thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng biển theo nguyên lý Pelamis (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế chế tạo mô hình máy phát điện bằng năng lượng sóng biển theo nguyên lý Pelamis (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY HÀ THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN THEO NGUYÊN LÝ PELAMIS S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 4 2 4 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: NGUYỄN DUY HÀ TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG NĂNG LƯỢNG SĨNG BIỂN THEO NGUYÊN LÝ PELAMIS Hướng dẫn khoa học: PGS.TS: LÊ HIẾU GIANG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
3. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN DUY HÀ Giới tính: Nam Sinh ngày : 06/11/1978 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Xã Hoằng Phúc, huyện Hoằng Hĩa, tỉnh Thanh hĩa Dân tộc: Kinh Đơn vị cơng tác: Trường Cao đẳng nghề Quy Nhơn Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 33 đường Thi Sách, TP-Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định Điện thoại cơ quan: 056.2210.509 Fax: 056.2210.509 Điện thoại riêng: 0905134935 E-mail: hacdnqn@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1996 đến 06/ 2001 Nơi học: Trường ĐH Nha Trang Ngành học: Cơng nghệ chế tạo máy III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm Từ năm 2001 - 2003 Cơng ty CTXDGT 5 Cán bộ kỹ thuật Từ năm 2003 – 2005 Cơng ty CKLM & XD số 5 Cán bộ kỹ thuật (KCS) Từ năm 2005 đến nay Trường CĐN Quy Nhơn Giáo Viên Ngày tháng năm 2014 Ngƣời khai ký tên HVTH: Nguyễn Duy Hà -1-
4. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn “Thiết kế và chế tạo mơ hình máy phát điện bằng năng lƣợng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis”, tơi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý Thầy, Cơ, các chuyên gia, bạn bè và gia đình. Vì thế: Điều trước tiên, Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS. Lê Hiếu Giang, Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vơ cùng quý giá và dìu dắt, động viên tơi từng bước thực hiện hồn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trƣờng Cao đẳng nghề Quy Nhơn cùng Quý Thầy đồng nghiệp trong Khoa cơ khí đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tơi rất nhiều trong quá trình học tập, cơng tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cơ đã giảng dạy, trang bị cho tơi những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như nghiên cứu sau này. Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi yên tâm học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua. Xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 HỌC VIÊN HVTH: Nguyễn Duy Hà -2-
5. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, trên đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Cơng trình được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân, tư vấn ý kiến khoa học của các chuyên gia kỹ thuật và thơng qua chế tạo thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lê Hiếu Giang. Các số liệu, kết quả được cơng bố trong luận văn là hồn tồn trung thực và chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu khoa học nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Duy Hà HVTH: Nguyễn Duy Hà -3-
6. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Việt LVTN Luận Văn Tốt Nghiệp PGS.TS Phĩ Giáo Sư. Tiến Sĩ TS Tiến Sĩ GVHD Giảng Viên Hướng Dẫn HVTH Học Viên Thực Hiện TP.HCM Thành Phố Hồ Chí Minh TTĐ Trạm Thủy Điện BXCT Bánh Xe Cơng Tác Tiếng Anh MIT Massachusetts Institute of Technology AWS Aschimedes Wave Swing VC Venture Capitalists R&D Research & Development WCD World Commission Dams HVTH: Nguyễn Duy Hà -4-
7. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis 15 Hình 2.2 Cấu tạo của modul biến đổi năng lượng. 16 Hình 2.3 Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuOY. 16 Hình 2.4 Hệ thống phao tiêu chìm AWS. 17 Hình 2.5 Sĩng điện đứng tại châu Âu 18 Hình 2.6 Bản đồ về khu vực bức xạ mặt trời trên biển Đơng 19 Hình 2.7 Bản đồ về khu vực giĩ trên biển Đơng 19 Hình 2.8 Bản đồ về khu vực sĩng biển trên biển Đơng 20 Hình 2.9 Nguyên lý Pelamis sử dụng 5 cylinder 21 Hình 2.10 Nguyên lý Pelamis sử dụng 4 cylinder 21 Hình 3.1 Mặt cắt ngang đập thủy điện 23 Hình 3.2 Tuabin nước và máy phát điện 24 Hình 3.3 Quá trình khai thác năng lượng địa nhiệt 25 Hình 3.4 Khai thác năng lượng gió 25 Hình 3.5 Tuabin chạy bằng năng lượng thủy triều 26 Hình 3.6 Khai thác năng lượng sóng biển 27 Hình 3.7 Máy phát kiểu địn bẩy 28 Hình 3.8 Máy phát kiểu phao nổi 28 Hình 3.9 Máy phát điện kiểu Pittong thủy khí. 29 Hình 3.10 Máy phát kiểu giàn khoan 29 Hình 3.11 Nguyên lý máy phát điện sử dụng tuabin khí và tuabin well 30 Hình 3.12 Hệ thống phát điện sử dụng tuabin Well 30 Hình 3.13 Hệ thống phát điện sử dụng van một chiều 30 Hình 3.14 Kiểu máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí 31 Hình 3.14 Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến 31 Hình 3.15 Máy phát điện kiểu rắn biển 32 Hình 3.16 Máy phát điện kiểu rắn biển 33 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện cánh ngầm. 33 Hình 3.18 Mơ hình dạng rắn biển 35 Hình 3.19 Cấu tạo hệ thống máy phát điện dạng rắn biển 36 Hình 3.20 Mơ hình tính tốn 36 Hình 3.21 Lực đẩy Acsimet 37 Hình 3.22 Điều kiện nổi của vật 38 Hình 3.23 Động lượng dịng chảy 44 Hình 3.24 Mặt cắt ướt 47 Hình 3.25 Chu vi ướt 47 Hình 3.26 Hệ thống các dạng cánh turbine thơng dụng 49 Hình 4.1 Mơ hình tính tốn phao 56 Hình 4.2 Mặt cắt ngang ống phao 57 Hình 4.3 Vận tốc dịng lưu chất truyền cho bánh turbine 59 Hình 4.4 Kích thước cánh turbine 60 Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động của thiết bị trên nguyên lý Pelamis 61 Hình 4.6 Nguyên lý hoạt động của thiết bị trên nguyên lý cảm ứng điện từ 62 Hình 4.7 Mơ hình rắn biển phát điện theo nguyên lý Pelamis 63 Hình 5.1 Đế mơ hình 64 HVTH: Nguyễn Duy Hà -5-
8. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Hình 5.2 Thanh treo mơ hình 64 Hình 5.3 Mơ đun khơng mang máy phát 65 Hình 5.4 Đầu nối + hệ thống ống 65 Hình 5.5 Đầu nối + van 1 chiều 66 Hình 5.6 Xi lanh đẩy 66 Hình 5.7 Tua bin phát 67 Hình 5.8 Động cơ điện 1 chiều 67 Hình 5.10 Mơ hình tiếp nhận điện từ máy phát 68 Hình 5.11 Đồng hồ VOM 68 Hình 5.12 Mơ hình thực nghiệm 69 HVTH: Nguyễn Duy Hà -6-
9. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1. Tuabin cánh quay đặt đứng 51 Bảng 3-2. Tuabin cánh quay đặt nằm 51 Bảng 3-3. Tuabin chéo trục quay 51 Bảng 3-4. Tuabin tâm trục 51 Bảng 3-5. Tuabin gáo 51 Bảng 3-6. Phân nhĩm tuabin theo tỷ tốc ở tuabin cùng loại 52 Bảng 3-7 .Phạm vi sử dụng của các tuabin 52 HVTH: Nguyễn Duy Hà -7-
10. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang MỤC LỤC CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU 10 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 10 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 10 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 11 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 11 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11 1.5 Phương pháp nghiên cứu 11 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN 13 2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 13 2.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước đã cơng bố 14 2.2.1. Các kết quả nghiên cứu ngồi nước. 14 2.2.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước 18 CHƢƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 3.1.Năng lượng truyền thống. 23 3.1.1.Năng lượng thủy điện . 23 3.1.2.Năng lượng địa nhiệt. 24 3.1.3.Tổng quan về năng lượng gió . 25 3.1.4.Tổng quan về năng lượng thủy triều. 26 3.1.5. Năng lượng sóng biển: 27 3.1.5.1.Máy phát kiểu phao – trục – địn bẩy. 27 3.1.5.2.Máy phát kiểu phao nổi: 28 3.1.5.3.Máy phát sử dụng sĩng biển kiểu pittơng thủy khí: 28 3.1.5.4.Máy phát kiểu giàn khoan. 29 3.1.5.5.Máy phát điện sử dụng tuabin khí và hơi. 29 3.1.5.6.Máy phát điện dạng chuyển động tịnh tiến. 31 3.1.5.7.Máy phát điện kiểu rắn biển. 32 3.1.5.8.Máy phát điện kiểu cánh ngầm. 33 3.2. Kết luận: 34 3.3. Lựa chọn phương án khai thác và mơ hình tính tốn: 35 3.4 . Cơ sở tính tốn thiết kế 36 3.4.1. Tính tốn thiết kế phao 36 3.4.1.1. Cơ sở lí luận về vật nổi 36 3.4.1.1.2. Phản lực theo phương ngang 37 3.4.1.1.3. Phản lực theo phương đứng 37 3.4.1.2 Điều kiện nổi của các vật : 38 3.4.2. Tính tốn xilanh thủy lực 39 3.4.2.1. Khái niệm chung về xilanh thủy lực 39 3.4.2.2. Những đặc tính vật lí chủ yếu của chất lỏng 39 3.4.2.3. Các thơng số cơ bản của xilanh thủy lực 42 3.4.2.4. Tính tốn và thiết kế piston : 44 3.4.2.5. Tính tốn đường ống dẫn và vịi phun 45 3.4.2.5.1. Phân loại dịng chảy 45 3.4.2.5.2. Dịng chảy khơng điều và dịng chảy điều 45 3.4.2.5.3. Dịng chảy cĩ áp, khơng áp, dịng tia : 46 3.4.2.5.4. Dịng chảy cĩ áp, khơng áp, dịng tia : 46 HVTH: Nguyễn Duy Hà -8-
11. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang 3.4.2.5.5. Tính tốn dịng lưu chất trong đường ống 467 3.4.2.5.6. Tính dịng lưu chất tại vịi phun 49 3.4.2.6. Cơ sở thiết kế tuabin nước : 49 3.4.2.6.1. Giới thiệu tuabin nước : 49 3.4.2.6.2. Giới thiệu một số dạng turbine nước thơng dụng: 49 3.4.2.6.3. Giới thiệu một số dạng turbine nước thơng dụng: 49 3.4.2.6.4. Phân loại tuabin và phạm vi sử dụng : 52 CHƢƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 55 4.1.Thơng số ban đầu 55 4.2.Tính tốn 56 4.2.1. Tính tốn phao 56 4.2.2. Tính áp lực của sĩng tác động vào phao 57 4.2.3. Tính lưu lượng và áp suất trong xilanh 58 4.2.4. Tính lưu lượng, áp suất trong đường ống vịi phun và turbine 59 4.2.5. Tính tốn trục của turbin 60 4.3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị 61 4.3.1. Theo nguyên lý Pelamis 61 4.3.2. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ: 61 4.4.Mơ hình máy phát điện theo nguyên lý Pelamis 63 4.4.1. Cấu tạo mơ hình 63 4.4.2. Nguyên lý hoạt động mơ hình : 63 CHƢƠNG V: THI CƠNG MƠ HÌNH 64 5.1. Đế mơ hình : 64 5.2. Thanh treo mơ hình: 64 5.3. Mơ đun khơng mang thiết bị phát điện. 64 5.4. Đầu nối dẫn dầu thủy lưc + hệ thống ống. 65 5.5. Van một chiều. 65 5.6. Xi lanh tạo lực đẩy. 66 5.7. Tua bin phát. 66 5.8. Các thiết bị phụ trợ khác. 67 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 70 6.1 Kết quả thực nghiệm: 70 6.2 Kết luận: 73 6.3 Kiến nghị: 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 76 HVTH: Nguyễn Duy Hà -9-
12. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Sự phát triển của nền cơng nghiệp tồn cầu kéo theo nhu cầu ngày càng lớn năng lượng phục vụ cho nĩ mà năng lượng chủ yếu được sử dụng là năng lượng điện. Trong khi đĩ, tiềm năng để khai thác, sản sinh ra điện theo phương pháp truyền thống như thủy điện, nhiệt điện đã dần cạn kiệt. Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng lượng rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo khoa học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ khơng cịn trong vài mươi năm nữa. Bên cạnh đĩ, trong những năm gần đây bài tốn về mơi trường tồn cầu được đưa vào trong tất cả các ngành cơng nghiệp, chúng ta phải hạn chế đến mức thấp nhất những yếu tố cĩ ảnh hưởng xấu tới mơi trường. Trong khi đĩ các nhà máy kiểu nhiệt điện truyền thống thì khơng thể tránh được việc thải ra mơi trường một lượng lớn các chất ảnh hưởng tới mơi trường như oxit cacbon, oxit nitơ, oxit lưu huỳnh, trong quá trình vận hành. Trái đất cĩ 70% là nước trong đĩ phần lớn là biển. Do đĩ khai thác năng lượng từ biển cĩ tiềm năng rất lớn, được đánh giá là nguồn năng lượng vơ tận, cĩ khả năng cung cấp năng lượng cho tồn thế giới là nguồn năng lượng chủ yếu trong tương lai. Mọi nguồn năng lượng được hình thành từ biển đều từ tự nhiên và cĩ năng lượng lớn. Việc tận dụng thủy triều và sĩng biển thực sự là một bước ngoặc trong sản xuất năng lượng điện. Đây là nguồn năng lượng sạch ít gây ơ nhiểm mơi trường. Hệ thống phát điện bằng năng lượng sĩng biển đang là hướng nghiên cứu mới hiện nay. Đặc biệt là hệ thống phát điện theo nguyên lý Pelamis và thực hiện phát điện gián tiếp được tập trung nghiên cứu nhiều do nĩ cĩ ưu điểm hơn hệ thống phát điện trực tiếp là kết cấu đơn giản dễ chế tạo, chi phí chế tạo thấp, hiệu suất thiết bị cao, bảo dưỡng đơn giản . 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việt Nam đang trong quá trình cơng nghiệp hĩa, hiện đại hĩa đất nước do đĩ nhu cầu tiêu thụ năng lượng là rất lớn. Với hàng ngàn ki lơ mét bờ biển, một vùng biển rộng lớn vì vậy Việt Nam cĩ nhiều tiểm năng về năng lượng biển. Đồng thời việc khai thác năng lượng từ biển cũng là hướng đi cho bài tốn ơ nhiễm mơi trường hiện nay tại Việt Nam. Với những điều kiện thực tế đĩ, được sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Hiếu Giang tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của tơi là: “Thiết kế và chế tạo mơ hình máy phát điện bằng năng lƣợng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis”. HVTH: Nguyễn Duy Hà -10-
13. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Nhằm tạo ra thiết bị phục vụ việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển, với mục tiêu giảm tải cho điện lưới quốc gia và tiến đến việc sử dụng năng lượng sĩng biển là nguồn năng lượng chủ yếu. Đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis” sẽ đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển thành sản phẩm thực tế đưa vào phục vụ đời sống và cung cấp nguồn điện năng dồi dào cho các khu vực dân cư ven biển và hải đảo. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài là: Dựa trên cơ sở lý thuyết tính tốn các thơng số kỹ thuật cho máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis bên cạnh đĩ chế tạo “mơ hình máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis” dùng để trang bị cho việc khảo sát và chế tạo máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài : Mơ hình máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình máy phát điện bằng năng lượng sĩng biển theo nguyên lý Pelamis với quy mơ áp dụng cho các phịng thí nghiệm và khảo sát về năng lượng. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phân tích và tổng hợp - Tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình. - Phương pháp lấy số liệu khảo sát 1.6 Kết cấu của luận văn Kết cấu luận văn tốt nghiệp gồm 6 chương: Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan. Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Tính tốn và thiết kế Chương 5: Thi cơng mơ hình HVTH: Nguyễn Duy Hà -11-
14. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Chương 6: Kết luận – Kiến nghị HVTH: Nguyễn Duy Hà -12-
15. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang CHƢƠNG II: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Trong thời gian vừa qua ngành điện ở nước ta phát triển rất nhanh, nhưng vẫn khơng đáp ứng đủ điện cho nền kinh tế đang tăng trưởng nhanh và nhu cầu tiêu dùng của nhân dân. Ngành điện đã phải nhập khẩu thêm điện của Trung Quốc mà vẫn cịn thiếu điện nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống của nhân dân. Nguồn điện của ta rất đa dạng: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu, thủy điện, điện chạy bằng năng lượng giĩ, điện chạy bằng năng lượng mặt trời, Trong thời gian sắp tới ta sẽ phải xây dựng nhà máy điện chạy bằng năng lượng hạt nhân. Than đá của ta tuy khá nhiều, nhưng thời gian tới cũng khơng đủ, sẽ phải nhập khẩu với giá cao để chạy các nhà máy phát điện chạy bằng than ở phía nam. Khí đốt của ta cũng cĩ hạn, chỉ cĩ thể đáp ứng được một phần nhu cầu phát điện của đất nước. Phát điện chạy dầu thì giá thành rất cao và ta cũng khơng đủ dầu, đang phải nhập khẩu thêm xăng, dầu từ nước ngồi. Về thủy điện, ở những nơi cĩ khả năng xây dựng nhà máy thủy điện lớn và vừa, ta đã và đang xây dựng gần hết quỹ đất cĩ thể. Điện hạt nhân cũng chỉ cĩ khoảng chục địa điểm cĩ thể xây dựng được nhà máy. Động đất và sĩng thần ở Nhật Bản cũng đã làm cho cả thế giới phải cảnh giác với điện hạt nhân. Điện chạy bằng năng lượng giĩ và điện chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta mới chỉ chiếm một tỷ trọng rất nhỏ và giá thành cịn cao hơn nhiều so với thủy điện và nhiệt điện chạy than, chạy khí. Trong Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21 tháng 7 năm 2011 về việc Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 cĩ xét đến năm: “+ Ưu tiên phát triển nguồn điện từ năng lượng tái tạo (điện giĩ, điện mặt trời, điện sinh khối, ), phát triển nhanh, từng bước gia tăng tỷ trọng của điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo : Đưa tổng cơng suất nguồn điện giĩ từ mức khơng đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030; điện năng sản xuất từ nguồn điện giĩ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.Phát triển điện sinh khối, đồng phát điện tại các nhà máy đường, đến năm 2020, nguồn điện này cĩ tổng cơng suất khoảng 500 MW, nâng lên 2.000 MW vào năm 2030; tỷ trọng điện sản xuất tăng từ 0,6% năm 2020 lên 1,1% năm 2030.” HVTH: Nguyễn Duy Hà -13-
16. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Theo tính tốn của Bộ Cơng Thương tại thời điểm năm 2009 khi làm tờ trình Chính phủ nghị định khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo, bình quân giá điện giĩ tại Việt nam vào khoảng 12,5UScent/kWh, nhưng giá điện bình quân tại thời điểm đĩ mới chỉ khoảng 5,3UScent/kWh. Nếu tính cả lần điều chỉnh giá điện gần đây nhất (1.8.2013) thì giá điện bình quân mới bằng 1.508đ/kWh (tương đương 7,56UScent). Than đá, dầu mỏ, khí đốt, ngày càng cạn kiệt dần nên việc nghiên cứu và xây dựng các nhà máy phát điện chạy bằng năng lượng tái tạo ở nhiều nước trên thế giới ngày càng được đẩy mạnh. Việc sử dụng năng lượng sĩng biển để chạy máy phát điện đã được nhiều nhà khoa học ở một số nước trên thế giới nghiên cứu từ lâu bằng những cơng nghệ rất hiện đại. Trong các bản tin thời sự ta thường được nghe các nước đang tích cực đẩy nhanh tỷ lệ phát điện bằng năng lượng tái tạo lên cao. Nhưng rất tiếc rằng năng lượng tái tạo ở đây mới chỉ đề cập đến năng lượng mặt trời và năng lượng giĩ. Qua đĩ ta thấy tuy điện giĩ cịn rất đắt so với điện chạy bằng các loại năng lượng đã cĩ, nhưng nước ta và các nước trên thế giới vẫn tích cực phát triển. Vấn đề đặt ra là tại sao điện chạy bằng năng lượng sĩng biển vẫn chưa được đưa vào? Phải chăng việc nghiên cứu sử dụng năng lượng sĩng biển để chạy máy phát điện của các nhà khoa học thế giới cịn nhiều vấn đề và giá thành phát điện cịn rất cao so với các dạng năng lượng khác?[15] 2.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngồi nƣớc đã cơng bố 2.2.1. Các kết quả nghiên cứu ngồi nƣớc. Các sáng chế đầu tiên để tận dụng năng lượng từ sĩng biển đã cĩ từ năm 1799 và đã được tập hợp tại Paris bởi Girard và con trai của ơng. Từ 1855-1973 cĩ 340 sáng chế đã cĩ mặt tại Vương quốc Anh. Một ứng dụng ban đầu của sĩng điện là một thiết bị được xây dựng vào khoảng năm 1910 bởi Bochaux-Praceique cho đèn và điện năng phục vụ cho nhà của ơng ở Royan, gần Bordeaux, Pháp. Nĩ chứng tỏ rằng đây là lần đầu tiên một loại thiết bị năng lượng sĩng biển được sử dụng . Khoa học hiện đại đã và đang theo đuổi năng lượng sĩng biển và tiên phong là thí nghiệm của Yoshio Masuda trong thập niên 1940. Ơng đã thử nghiệm những khái niệm khác nhau của các thiết bị năng lượng sĩng trên biển, với hàng trăm thí nghiệm được sử dụng để chuyển hướng đèn điện. Trong số này đã cĩ khái niệm chiết điện từ các chuyển động gĩc tại khớp của một mảng khớp nối, được đề xuất bởi Masuda trong năm 1950. HVTH: Nguyễn Duy Hà -14-
17. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Quan tâm về năng lượng sĩng được thúc đẩy bởi cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973. Một số nhà nghiên cứu thuộc một số trường đại học đã tiến hành kiểm tra tiềm năng tạo ra điện từ sĩng biển, trong đĩ đáng chú ý là Stephen Salter từ Đại học Edinburgh, Kjell Budal và Johannes Falnes từ Viện Cơng nghệ Na Uy (nay sáp nhập vào Đại học Khoa học và Cơng nghệ Na Uy), Michael E. McCormick từ Học viện Hải quân Hoa Kỳ, David Evans từ Đại học Bristol, Michael của Pháp từ Đại học Lancaster, John Newman và Chiang C.Mei từ MIT. Trong những năm 1980, khi giá dầu đi xuống, làn sĩng tài trợ năng lượng từ sĩng đã giảm mạnh. Tuy nhiên, một vài nguyên mẫu đầu tiên của thế hệ đã được thử nghiệm trên biển. Gần đây, từ sau vấn đề biến đổi khí hậu, thế giới đang quan tâm phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm cả sĩng năng lượng.[15] Tại Bồ Đào Nha, cĩ hệ thống pelamis đầu tiên trên thế giới, gồm 3 pelamis cĩ cơng suất 2,25MW. Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis cơng suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng. Hình 2.1 Thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis * Nguyên lý hoạt động của thiết bị chế tạo theo nguyên lý Pelamis: Thiết bị là một hệ thống phao, gồm một loạt các ống hình trụ nửa chìm, nửa nổi, nối với nhau bằng bản lề. Sĩng biển làm chuyển động mạnh hệ thống phao, nĩ tác động mạnh vào hệ thống bơm thủy lực làm quay turbin phát điện. Hàng loạt thiết bị tương tự sẽ kết nối với nhau, làm cho turbin hoạt động liên tục. Dịng 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 cĩ cơng suất 30 MW sẽ chiếm diện tích mặt biển là 1km2. HVTH: Nguyễn Duy Hà -15-
18. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Thiết bị được neo ở vùng biển cĩ độ sâu chừng 50–70m; cách bờ dưới 10km, là nơi cĩ mức năng lượng cao trong các con sĩng. Và Thiết bị pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul cĩ hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ. Mỗi thiết bị pelamis cĩ thể cho cơng suất 750kW, nĩ cĩ chiều dài 140-150m, cĩ đường kính ống 3-3,5m.[11] Hình 2.2 Cấu tạo của modul biến đổi năng lượng. Năm 2006, dự án 2MW, ở miền Nam California, Mỹ, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đơ la, nĩ cung cấp điện cho 150 hộ gia đình. Hình 2.3 Hệ thống phao tiêu nổi AquaBuOY. AquaBuOY là một hệ thống phao nổi, cĩ nguyên lý hoạt động nhằm biến đổi năng lượng động học của chuyển động thẳng đứng do các đợt sĩng biển tạo ra năng lượng điện . Nhờ việc nhấp nhơ lên xuống của sĩng biển làm hệ thống phao nổi dập dềnh lên xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuyển động, tạo ra dịng điện. Điện dẫn qua hệ thống cáp ngầm đưa lên bờ, hịa vào lưới điện. Mỗi phao tiêu cĩ thể đạt cơng suất tới 250kW, với đường kính phao 6m. Nếu trạm phát điện cĩ cơng suất 10 MW chỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển. HVTH: Nguyễn Duy Hà -16-
19. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Bơm ống là ống cao su cốt thép, nĩ hoạt động như cái bơm bình thường, khi sĩng nén, nước biển đẩy mạnh về phía sau, cĩ chứa một bộ cao áp, làm quay turbin, điện thu được, dẫn qua cáp ngầm vào bờ để hịa chung vào lưới điện. Ngồi ra trên các AquaBuOY cịn đặt các tấm pin mặt trời; turbin giĩ nhỏ nhằm tạo ra nguồn điện năng cho các thiết bị chuẩn đốn gắn trong AquaBuOY. Tất cả dữ liệu về thiết bị đều được truyền bằng cơng nghệ khơng dây, vệ tinh về khu vực điều hành. Hệ thống AquaBuOY thường lắp đặt cách bờ chừng 5km ở nơi biển cĩ độ sâu 50m.[15] Năm 2008 Cơng ty AWS Ocean Eneny, Scotland đã phát minh ra hệ thống máy phát điện mới nhằm biến chuyển động sĩng thành điện năng. Khác với những hệ thống đang tồn tại. Đĩ 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 lơi dưới mặt nước biển chừng 50 mét mà vẫn tạo ra điện năng nhờ sĩng biển. Hình 2.4 Hệ thống phao tiêu chìm AWS. 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 được sử dụng như dàn khai thác dầu mỏ ngồi khơi, được đặt ở độ sâu yên tĩnh. Hệ thống tạo ra năng lượng nhờ sĩng biển từ xa, qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nước.[8] Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 mét, rộng 10 mét chứa khí nén bên trong khiến phao khơng chìm, nửa trên chỉ chuyển động theo chiều thẳng đứng. Khi sĩng 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 sĩng, 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 hịa vào lưới điện. HVTH: Nguyễn Duy Hà -17-
20. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang Hình 2.5 Sĩng điện đứng tại châu Âu Châu Âu hiện nay đang đi đầu trong cơng nghệ năng lượng thay thế và dần đạt được một chỗ đứng tốt trong cơng nghệ khai thác sĩng điện. Gần đây, cơng ty năng lượng thủy triều Anh [Lunar Energy], đã đồng ý xây dựng lắp đặt hệ thống điện năng thủy triều lớn nhất thế giới tại Hàn Quốc với giá 500 triệu bảng. 300 tua bin cao 60 foot [1 foot = 30,48cm] sẽ đặt ở đáy biển và sử dụng năng lượng từ các dịng thủy triều để xoay tua bin tạo ra điện. Họ hy vọng sẽ được tạo ra đủ điện cho 200.000 căn nhà vào năm 2015. OpenHydro của Ireland và RWE của Đức sẽ thực hiện một số dự án cơng nghệ khai thác thủy triều của họ, sử dụng sĩng trên bờ biển để làm xoay tua bin. Cho đến nay, cả hai cơng ty cĩ đặt thử nghiệm một số hệ thống tại các đại dương, hy vọng sẽ hạn chế tối thiếu sự tác động đến hệ sinh thái và các hệ thống cĩ thể tồn tại trong điều kiện biển khắc nghiệt nhất. Venture Capitalists đặc biệt vui mừng về sự tăng trưởng trong ngành cơng nghiệp này và đang đầu tư số tiền chưa từng cĩ vào đây. cơng ty VC tin rằng làn sĩng điện sẽ thay thế cho 20% năng lượng của châu Âu vào năm 2020, so với 40% dự báo của năng lượng giĩ.[15] 2.2.2. Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc Nước ta cĩ bờ biển dài trên 3.200 km, đứng thứ 32 trong tổng số 156 quốc gia cĩ biển. Do đĩ nước ta cĩ tiềm năng năng lượng biển rất lớn, đặc biệt phải kể đến hai nguồn năng lượng khả quan nhất đĩ là giĩ và sĩng. Hiện tại, nghiên cứu năng lượng biển Việt Nam mới ở giai đoạn sơ khai, tuy chúng ta cĩ các nghiên cứu sơ bộ và đã cĩ được một vài tài liệu về mật độ của các dạng năng lượng biển chủ yếu: bức xạ mặt trời vùng biển, giĩ biển, sĩng biển và thủy triều mà chưa cĩ những ứng dụng cụ thể phát điện trên biển. Các nghiên cứu mới chỉ được thực hiện thơng qua đề tài khoa học cơng nghệ, chưa cĩ đại diện đầu mối quốc gia về nghiên cứu, triển khai, HVTH: Nguyễn Duy Hà -18-
21. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS. Lê Hiếu Giang lắp đặt, chưa được giao nhiệm vụ để chuẩn hĩa các hoạt động R&D về năng lượng biển quốc gia và hợp tác quốc tế, chủ yếu là các nghiên cứu nhỏ lẻ, rời rạc, chưa hệ thống. Tiềm năng bức xạ mặt trời trên biển: Trên biển Đơng tiềm năng bức xạ cĩ xu hướng tăng dần từ phía Bắc xuống phía Nam . Hình 2.6 Bản đồ về khu vực bức xạ mặt trời trên biển Đơng Trên khu vực phía bắc vĩ tuyến 20oN tổng xạ đạt 4000 Wh/m2/ngày. Phía nam vĩ tuyến 20oN tổng xạ đạt gần 5000 Wh/m2/ngày. Vùng nhiều tiềm năng nhất Việt Nam là vùng ngồi khơi biển Nam Trung Bộ gồm cả Hồng Sa và Trường Sa, vùng biển Vũng Tàu- Cơn Đảo. Tiềm năng giĩ biển: Trên bản đồ hình 2.7 cho thấy các vùng ở ngồi khơi vịnh Bắc Bộ và ngồi khơi Vũng Tàu-Cơn Đảo là những vùng cĩ mật độ năng lượng giĩ biển lớn nhất. Theo tính tốn thì mật độ cao nhất tại vùng biển Vũng Tàu-Cơn Đảo tầng 80 m đạt 300-600 W/m2, vùng giữa vịnh Bắc Bộ đạt 300-400 W/m2 Theo phân cấp của Mỹ và UNEP (Chương trình mơi trường Liên hợp Quốc) thì cấp điện giĩ Việt Nam đạt cấp III trên thang 4 cấp, chứng tỏ tiềm năng điện giĩ biển tại vùng biển này là rất khả thi. Hình 2.7 Bản đồ về khu vực giĩ trên biển Đơng HVTH: Nguyễn Duy Hà -19-