Năng lượng đại dương - nguồn năng lượng sạch

Ho¹t ®éng nghiªn cøu khoa häc<br /> <br /> NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG - NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH<br /> GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn - Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng<br /> <br /> Abstract<br /> The ocean is wide.The convertion of the wave Energy into electrical energy will suplly for the World a big amount of<br /> clean energy. This article deal with the 2 approachs to generate electrical energy from ocean wave: Generation<br /> electrical energy direct from wave ocean and the applicatuion of oscillating water columns(OWC).<br /> <br /> 1. Mở đầu Tận dụng nguồn năng lượng thủy triều thực sự là bước<br /> ngoặt trong sản xuất năng lượng sạch, không ô nhiễm môi<br /> Đ ại dương là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận cho<br /> việc chế tạo điện năng sử dụng cho thế giới. Tổng<br /> quát, về lý thuyết đánh giá thế năng của đại dương có thể<br /> trường. Người Na Uy đã kết nối vào mạng lưới điện quốc<br /> gia của họ dòng điện phát ra từ tua bin nước đầu tiên mà<br /> đạt 100000 TWh/năm (trong khi đó tiêu thụ năng lượng năng lượng được tạo ra từ những cánh quạt quay nhờ dòng<br /> điện của thế giới là 16 000 TWh/năm). Trong những năm nước biển. Người ta dự tính đến cuối những năm đầu của<br /> gần đây thế giới đã quan tâm rộng rãi tới năng lượng của thế kỷ 21, họ sẽ hoàn thành xây dựng 20 nhà máy tiếp theo.<br /> sóng biển. Khai thác đại dương để sản xuất điện từ nguồn Nhà máy điện của Na Uy có ưu điểm mà không nguồn năng<br /> sóng biển mênh mông trong các đại dương của thế giới là lượng tái tạo nào có được đó là hoàn toàn không lệ thuộc<br /> một phần lời giải cho vấn đề năng lượng của chúng ta. Sự vào thời tiết. Bất chấp hoàn cảnh, có gió hay lặng gió, trời<br /> chuyển đổi chỉ riêng tài nguyên sóng biển có thể cung cấp nắng hay mưa... dòng thuỷ triều vẫn không bị ảnh hưởng và<br /> một phần rất lớn yêu cầu về điện năng của nhiều nước ở dòng điện phát ra vẫn có công suất không đổi. Người Anh<br /> châu âu như Bắc Ai len, Đan mạch , Bồ đào nha, Tây ban cũng có kế hoạch đầu tư tương tự. Dẫu ý tưởng xây dựng<br /> nha và các nước khác. Viện nghiên cứu năng lượng điện nhà máy điện thuỷ triều không phải là mới, song phương<br /> của Mỹ đã có tính toán về năng lượng điện sóng biển dọc thức khai thác của người Na Uy rất sáng tạo. Thiết bị công<br /> theo bờ biển của U.S. có thể sản xuất ra khoảng nghệ loại này đầu tiên trên thế giới được Pháp chế tạo và lắp<br /> 2100TWh/năm. Sản lượng đó chiếm một nửa yêu cầu sử đặt ở cửa sông từ năm 1967. Công trình đó đến nay vẫn còn<br /> dụng điện của nước Mỹ. Ở nước Anh, giới chuyên gia hoạt động và có công suất 240 MW. Những nhà máy điện<br /> ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25% cùng loại thí điểm cũng xuất hiện ở Trung Quốc, Ấn Độ,<br /> nhu cầu năng lượng cần thiết. Canađa và Liên bang Nga.<br /> Việc phát triển các dự án năng lượng sóng biển được Nguyên lý hoạt động của những nhà máy điện sử<br /> thực hiện ở châu Âu và châu Mỹ. Ở châu Âu các thiết bị điện dụng năng lượng nước biển đã khai thác cũng giống như<br /> sóng biển đã được thử nghiệm từ năm 60 của thế kỷ trước. Ở nhà máy thuỷ điện truyền thống: Thoạt đầu dòng nước<br /> Tây ban nha trong các năm 2011-2020 Viện Kế hoạch Năng chảy đầy những "thùng chứa" đặc biệt, làm quay tuabin<br /> lượng Tái tạo đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phát triển phát điện, sau đó nước từ thùng chứa thoát ra trở lại đại<br /> tương đối mạnh năng lượng sóng biển, đã thực hiện nhiều dương. Trên H.1 là hệ thống Pelamis thu năng lượng từ<br /> dự án. Người ta tính toán rằng ở Tây Ban Nha có thể đảm sóng biển.<br /> bảo 42.3% năng lương điện tiêu thụ là năng lượng tái tạo Bên cạnh những mặt mạnh là không gây ô nhiễm môi<br /> vào năm 2020. Hiện có nhiều công nghệ để biến năng lượng trường, nhà máy điện sử dung năng lượng nước biển vẫn<br /> sóng biển vào điện năng và ngày nay vẫn còn chưa biết không tránh khỏi một số khiếm khuyết. Tương tự trường<br /> được công nghệ nào sẽ được ứng dụng vào thực tiễn. Dưới hợp đập nước trên sông, nhà máy điện kiểu này cũng gây<br /> đây trình bày 2 phương pháp tạo điện năng từ đại dương. rào cản không thể vượt qua đối với hải sản và gây khó<br /> 2. Tạo năng lượng điện trực tiếp từ sóng biển và khăn cho giao thông đường thuỷ. Chính vì lý do như vậy,<br /> thủy triều Chính phủ Pháp đã tạm dừng kế hoạch triển khai xây<br /> Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin dựng 20 công trình tiếp theo. Theo tính toán của giới<br /> phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp phản đối việc xây dựng, thí dụ - chỉ một đập nước trên<br /> cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, sông Ranh cũng làm đảo lộn môi trường biển trong bán<br /> phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường v.v… kính 500 km.<br /> 11<br />  Ho¹t ®éng nghiªn cøu khoa häc<br /> <br /> Mãi đến những năm 90 thế kỷ trước, người ta mới nghĩ Mức giá sản phẩm điện đắt hơn 3 lần so với nguồn điện<br /> ra phương pháp tận dụng năng lượng thuỷ triều một cách truyền thống. Việc xây dựng ở Na Uy triển khai được<br /> sạch nhất, đó là các “cối xay" dưới nước. Chúng quay nhờ chủ yếu nhờ tiền của các doanh nghiệp và trợ giủp của<br /> dòng nước biển chuyển động. Tua bin thí nghiệm đầu tiên Chính phủ.<br /> được lắp đặt tại khu vực Loch Lihne, ở Xcốtlen, năm Ngoài Na Uy, người Anh cũng tích cực xúc tiến<br /> 1995. Nó được cột vào mỏ neo nằm dưới đáy biển và chỉ chương trình xây dựng nhà máy điện dưới biển. Gần đây<br /> tạo nguồn năng lượng công suất 15 kw. họ đã đưa vào khai thác công trình tương tự như Na Uy<br /> Gần đây, tuabin có công suất lớn hơn nhiều (300 kw) (công suất 250 kw). Sự khác biệt độc nhất là tuabin của<br /> lần đầu tiên được nối vào mạng điện quốc gia. Cánh quạt Anh lắp đặt trên thân cột mà một phần cánh quạt nhô lên<br /> ngầm dưới đáy nước được gắn cố định xuống đáy biển. mặt nước. Cho dù giải pháp này gây cản trở hoạt động<br /> Công trình hoạt động tại eo biển Kvalsund, gần thành phố giao thông hàng hải, nhưng lại tiết kiệm được đáng kể<br /> biển Na Uy Hammerfest. Thiết bị có trọng tải ngót 200 chi phí dịch vụ để kéo thiết bị lên khỏi mặt nước khi cần<br /> tấn. Na Uy dự định sẽ lắp đặt 20 tuabin như thế, đảm bảo thiết mà không cần thợ lặn. Hãng Marine Current<br /> cung cấp điện cho thị trấn 1,1 ngàn dân. Chi phí công trình Turbines, đơn vị thực hiện dự án đã có kế hoạch lắp đặt<br /> khoảng 50 triệu curon Na Uy (20 triệu USD). Mãi đến hàng trăm tuabin tiếp theo dọc bờ biển phía Tây nước<br /> những năm 90 thế kỷ trước, người ta mới nghĩ ra phương Anh. Họ cũng đang thiết kế tuabin kép, công suất 1,2<br /> pháp tận dụng năng lượng thuỷ triều một cách sạch nhất, MW. Lãnh đạo của hãng khẳng định rằng, việc xây dựng<br /> đó là các “cối xay" dưới nước. Chúng quay nhờ dòng vài ngàn máy phát điện dưới biển dọc bờ biển phía Tây<br /> nước biển chuyển động. Tuabin thí nghiệm đầu tiên được nước Anh và xứ Uên sẽ cho nguồn năng lượng tương<br /> lắp đặt tại khu vực Loch Lihne, ở Xcốtlen, năm 1995. Nó đương 50% sản lượng điện các nhà máy điện hạt nhân<br /> được cột vào mỏ neo nằm dưới đáy biển và chỉ tạo nguồn hiện đang hoạt động.<br /> năng lượng công suất 15 kw. 3. Tạo năng lượng điện từ sóng biển bằng cột nước<br /> Gần đây, tuabin có công suất lớn hơn nhiều (300 kw) dao động(OWC).<br /> lần đầu tiên được nối vào mạng điện quốc gia. Cánh quạt Dưới đây trình bày một phương pháp khác tạo điện<br /> ngầm dưới đáy nước được gắn cố định xuống đáy biển. năng từ sóng biển gọi là phương pháp cột nước dao động<br /> Công trình hoạt động tại eo biển Kvalsund, gần thành phố OWC(oscillating water columns).<br /> biển Na Uy Hammerfest. Thiết bị có trọng tải ngót 200 Năng lượng mặt trời tạo ra gió, gió thổi khắp đại<br /> tấn. Na Uy dự định sẽ lắp đặt 20 tuabin như thế, đảm bảo dương biến năng lượng gió vào năng lượng sóng. Sóng<br /> cung cấp điện cho thị trấn 1,1 ngàn dân. Chi phí công trình di chuyển hàng nghìn hải lý trên đại dương sẽ bị tổn thất<br /> khoảng 50 triệu curon Na Uy (20 triệu USD). một ít năng lượng. Để biến năng lượng sóng biển vào<br /> điện năng người ta sử dụng một hệ thống gọi là cột nước<br /> dao động OWC. Hiện nay đây là công nghệ được coi là<br /> công nghệ tốt nhất để biến sóng biển vào điện năng.<br /> Hệ thống đó được chỉ ra ở hình 2. Như thấy từ vẽ một<br /> con đê chắn sóng chắc chắn, ở đó người ta xây dựng một<br /> phòng tạo dao động sóng OWC.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình1. Hệ thống Pelamis thu năng lượng từ sóng biển<br /> <br /> Hiện thời, cản trở duy nhất để mở rộng nhà máy<br /> điện ngầm dưới biển là giá thành sản phẩm. Cho dù<br /> không cần nhiên liệu, nhưng chi phí xây dựng cao tới Hình 2: Sơ đồ OWC<br /> <br /> 12 B¶n tin Khoa häc - ®µo t¹o<br />  Ho¹t ®éng nghiªn cøu khoa häc<br /> <br /> Trong OWC này sóng chuyển động tạo ra một lưồng bước đầu, tuy nhiên có nhiều triển vọng và không xa nữa<br /> không khí 2 chiều được biến đổi vào cơ năng và truyền chúng ta sẽ được hưởng một năng lượng sạch, tái tạo từ<br /> các đại dương mênh mông của chúng ta.<br /> cho trục máy phát điện bằng một loại tuyếc bin đặc biệt<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> gọi là Wells turbin (Turbin phun), tuyếc bin đó cung cấp<br /> [1] Decoding the World's Best Energy Policies, Jul.<br /> một hướng chuyển động duy nhất của dòng không khí<br /> 2008.<br /> này [3], [4]. Tính chất của Wells turbine được giới hạn bởi<br /> [2] H. Polinder and M. Scuotto, “Wave energy<br /> một loạt hiện tượng dừng ở cánh turbin. Vì vậy cần một converters and their impact<br /> chiến thuật điều khiển hệ thống. Chiến thuật điều khiển on power systems,” in Proc. Int. Conf. Future Power<br /> cơ bản hoặc là tổ hợp của chúng có thể thực hiện như sau: Syst., Amsterdam,The etherlands, Nov. 2005, pp.<br /> điều khiển phản ứng; điều khiển tốc độ quay của máy phát 6270.The Netherlands, Nov. 2005, pp. 6270.<br /> điện hoặc điều khiển van không khí hay điều khiển dòng [3] H. Li,M.-Y. Chow, and Z. Sun, “EDA-based<br /> không khí (airflow control). speed control of a networked DC motor system with<br /> Trong hệ thống này chiến thuật điều khiển hệ thống là time delays and packet losses,” IEEE Trans.<br /> điều chỉnh tốc độ quay của máy phát điện. Máy phát điện Ind.Electron., vol. 56, no. 5, pp. 17271735, May 2009.<br /> dùng trong hệ thống là loại máy phát điện dị bộ nạp điện [4] J. T. Bialasiewicz and J. Balcells, “Special section<br /> từ 2 phía. [5]. on renewable energy and distributed generation<br /> Việc sử dụng máy phát dị bộ nạp 2 phía (DFIG) là một systemsPart 1: Renewable energy generation and<br /> storage systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53,<br /> khả năng to lớn trong việc phát triển nguồn năng lượng<br /> no. 4, pp. 998 1001, Aug. 2006.<br /> tái tạo [6], [7]. DFIG là một máy điện dị bộ có rô to quấn<br /> [5] J. Balcells and J. T. Bialasiewicz, “Special section<br /> dây nên cho phép bơm dòng điện vào mạch rô to qua bộ<br /> on renewable energy and distributed generation<br /> biến đổi công suất. Bằng việc thay đổi pha và tần số của<br /> systemsPart 2: Renewable energy generation and<br /> dòng kích từ rô to ta có thể tạo được sự tối ưu về biến đổi storage systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53,<br /> năng lượng [8]. Bộ biến tần chỉ gia công một phần nhỏ no. 5, pp. 13941397, Oct. 2006.<br /> hơn 30% công suất định mức của máy phát. Điều đó đã [6] J. Hu, Y. He, L. Xu, and B. W. Williams,<br /> giảm tải cho bộ biến tần do đó đã giảm giá thành bộ biến “Improved control of DFIG systems during network<br /> tần. Để đạt được công suất ra mong muốn người ta điều unbalance using PIR current regulators,” IEEE Trans.<br /> tốc độ của. Ind. Electron., vol. 56, no. 2, pp. 439451, Feb. 2009.<br /> Hiện nay, công nghệ tạo điện năng từ nước biển này [15] B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC<br /> được coi là công nghệ tốt nhất để biến sóng biển vào điện Drives. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 2001.<br /> năng. Nhiều nước đang áp dụng công nghệ này, điển hình [7] J. Arbi, M. J. B. Ghorbal, I. Slama-Belkhodja,<br /> là Tây Ban nha. and L. Charaabi, “Direct virtual torque control for<br /> Ở Tây ban nha đã thực hiện một dự án ở Mutriku doubly fed induction generator grid connection,” IEEE<br /> Trans. Ind. Electron., Vol. 56, no. 10, pp. 41634173, Oct.<br /> (thuộc Xứ Basque Tây ban nha), được trợ giúp bởi<br /> 2009.<br /> Basque Energy Board (EVE), một nhà máy phát điện<br /> [8] W. Qiao, G. K. Venayagamoorthy, and R. G.<br /> dựa vào sự dao động của sóng biển đã tích hợp 16 tuyếc<br /> Harley, “Real-time implementation of a STATCOM on a<br /> bin có công suất 18.5-kW và khánh thành vào tháng 7<br /> wind farm equipped with doubly fed induction<br /> năm 2011 [2], [3]. generators,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 45, no. 1, pp.<br /> 4. Kết luận 98107,Jan./Feb. 2009.<br /> Đại dương là mênh mông, năng lượng do sóng đại<br /> dương là vô cùng lớn, nếu nó được chuyển đổi sang điện<br /> năng một cách có hiệu quả thì trái đất sẽ tránh được<br /> những vấn đề nan giải về năng lượng và môi trường.<br /> Việc biến năng lượng sóng thành điện năng mới chỉ là<br /> <br /> 13<br />