Vùng biển Việt Nam - Năng lượng sóng biển khu vực biển Đông : Phần 2

Chia sẻ: Hoa La Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

256
lượt xem 76
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 Tài liệu Năng lượng sóng biển khu vực biển Đông và vùng biển Việt Nam tiếp tục giới thiệu đến bạn đọc nội dung từ chương III đến chương V về các vấn đề như: Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng, năng lượng sóng khu vực biển Đông và vùng biển Việt Nam, chính Tài liệu phát triển - khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo ở Việt Nam. Tài liệu là Tài liệu tham khảo bổ ích và thiết thực cho bạn đọc quan tâm đến vấn đề này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vùng biển Việt Nam - Năng lượng sóng biển khu vực biển Đông : Phần 2

119 Chương III CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG Chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng được thực hiện nhờ các thiết bị như động cơ, máy phát - các thiết bị này chuyển đổi một phần chuyển động quỹ đạo hình tròn của hạt nước trong sóng. Người lướt ván vùng sóng đổ cũng đóng vai trò chuyển đổi năng lượng sóng bao gồm cả thế năng và động năng của trường sóng khi sóng chuyển động vào bờ. Năng lượng sóng có thể được tách ra từ 3 vectơ chuyển động thành phần của trường sóng: 1. Thành phần chuyển động lên xuống; 2. Thành phần chuyển động ngang; 3. Thành phần chuyển động quay. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng được thiết kế để chuyển đổi một hoặc nhiều các vectơ chuyển động thành phần nêu trên. Một vài loại thiết bị được thiết kế để chuyển đổi thành phần chuyển động quay, chuyển động lên xuống hay chuyển động ngang. Có loại thiết bị được thiết kế để chuyển đổi cùng một lúc hai hay cả ba dạng chuyển động thành phần nêu trên. Trong thực tế, trạng thái mặt biển bao gồm tổng hợp của sóng gió và sóng lừng, tạo ra một trường sóng phức tạp bao gồm cả tương tác giữa sóng và gió, sóng gió hiện tại và sóng lừng từ xa truyền đến, do vậy việc tạo ra các thiết bị chuyển đổi năng lượng với trạng thái mặt biển hiện thực là một vấn đề rất phức tạp về công nghệ.
120 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác III.1. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG Theo đánh giá của Trung tâm Năng lượng Tái tạo trên biển Châu Âu, hiện nay có khoảng 51 loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng [18]. Mặc dù vậy, số lượng thiết bị này có thể ít hơn hiện thực nhiều vì tác giả đã không thống kê hết các dạng thiết bị. Tuy chưa có được một tiêu chuẩn phân loại thống nhất, tất cả các dạng thiết bị này có thể được phân loại theo 3 tiêu chí: 1. Theo tiêu chí về vị trí lắp đặt thiết bị; 2. Theo tiêu chí về độ sâu lắp đặt thiết bị; 3. Theo tiêu chí về nguyên lý vật lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng. Ngoài ra cũng có các phân loại khác, ví dụ như loại thiết bị sử dụng cơ chế dao động cột nước trong sóng và thiết bị sử dụng nguyên lý tràn nước trong sóng đôi khi được gọi là thiết bị “ngăn chặn” sóng vì các thiết bị này dựa trên nguyên lý chặn sóng để tạo ra năng lượng, trong khi đó các loại thiết bị dựa trên cơ chế trường sóng tắt dần và cơ chế hấp thụ điểm có thể được phân loại dưới dạng thiết bị “lựa theo chiều sóng”. Trên bảng III.1 thống kê các dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng theo 3 tiêu chí: tiêu chí vị trí lắp đặt thiết bị, tiêu chí độ sâu và tiêu chí về nguyên lý vật lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng. Bảng III.1. Phân loại các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng [16] Vị trí Độ sâu [m] Nguyên lý vật lý Nhà thiết kế Tên thiết bị Dao động cột nước Nhà máy PICO, Trên bờ 0 trong sóng Azores Sóng tràn Tapchan, Na Uy Dao động cột nước Oceanlinx Oceanlinx trong sóng Gần bờ 1 - 25 Nước dâng do sóng Aquamarine Oyster Sóng tràn/chặn sóng Wavedragon Wavedragon Sóng tắt dần Pelamis Pelamis Xa bờ >25 WavePower Sóng tắt dần C-wave C-wave Sóng tắt dần Raft design Matifer Hấp thụ điểm Ocean Power PowerbuOY Technology
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 121 Hấp thụ điểm AWS II AWS II Hấp thụ điểm Finavera AquaBuOY Renewable Hấp thụ điểm Wavebob Wavebob Hấp thụ điểm Camegie Corp. CETO II Hấp thụ điểm WET-NZ WaveWobbler III.2. CƠ SỞ CÁC NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG III.2.1. Nguyên lý sử dụng dao động của sóng biển để tạo ra dao động của hệ phao nổi, biến chuyển động sóng thành sự thay đổi của áp suất không khí trong phao nổi Dựa trên nguyên lý này có thể có phương pháp tạo ra điện năng trên cơ sở biến dao động của phao để chạy máy phát điện. Trên hình III.1 vẽ sơ đồ hoạt động của phương pháp này. Phao nổi có đường kính r chuyển động lên xuống dọc theo một trục dẫn hướng (1) nhờ sóng biển. Trục dẫn hướng này được cố định với đáy biển bằng một khớp cầu đặc biệt gọi là hỗn hợp khớp nối (4). Trong phao nổi (2) được đặt một máy nén khí, máy nén chuyển động được nhờ dao động lên xuống của phao nổi dưới tác động của sóng. Khí nén tạo ra được điều chỉnh để chạy tuốc bin không khí cũng nằm trong phao nổi (2) và tạo ra điện năng. Dọc theo trục dẫn hướng (1), phao nổi được giữ bằng một hệ thống cáp kiểu lò xo có thể di động được (3) để điều chỉnh độ cao thấp của phao theo mức nước hoặc theo thuỷ triều. Hộp khớp nối (4) nối với một hệ thống gồm đường cáp nổi phụ (5), phao trợ giúp (9) và dây neo (8) được giữ bằng hệ thống neo rùa. Hệ thống phụ trợ này sẽ làm tăng độ ổn định vị trí cho phao nổi trên trục dẫn hướng. Toàn bộ hệ trục dẫn hướng, phao nổi được gắn với trụ giữ phao (6) và móng đế (7). Móng đế này được kết cấu bằng hệ neo cọc xuống đáy biển. Tuốc bin khí này có thể chạy với tốc độ 3.000 vòng phút với hiệu suất biến đổi năng lượng 45-60%. Trong thực tế với loại thiết bị biến đổi năng lượng sóng kiểu này có thể tạo ra dòng điện có công suất từ vài W đến vài ngàn kW.
122 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác Hình III.1. Nguyên lý sử dụng dao động của phao để tạo ra điện năng [15] III.2.2. Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng Có hai dạng thiết bị để biến đổi năng lượng sóng thành điện năng làm việc theo nguyên lý này (xem hình III.2): - Máy phát cảm ứng ở dạng phao dao động theo sóng (nam châm vĩnh cửu dao động lên xuống, cuộn dây được cố định xuống đáy biển - hình 2a). - Máy phát gắn với hệ thống phao cố định có gắn nam châm cố định với máy phát cảm ứng (hình 2b). Hình III.2. Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng [15]
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 123 III.2.3. Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động thuỷ lực để biến đổi điện năng bằng cách tạo áp suất không khí Thiết bị này dựa trên nguyên lý bơm (xem hình III.3). Ngoại lực tác động là áp suất của sóng biển. Thiết bị bao gồm một ống biến đổi năng lượng (1), ống này có thể gọi là vỏ máy, sẽ được gắn với phao nổi. Trong ống đặt một máy phát (2) gắn với tuốc bin không khí phát điện (4). Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị chuyển đổi năng lượng này như sau: Hình III.3. Sử dụng dao động thủy lực để biến đổi năng lượng sóng sang điện năng [15]
124 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác Cột sóng chuyển động nâng lên (đỉnh sóng) sẽ làm chuyển động cột nước trong ống như một pistông, làm không khí có sẵn trong ống (1) coi như là xilanh, tăng áp suất. Không khí trong ống bị nén tăng áp suất, khi đạt tới giá trị cực đại (hình trái) sẽ làm mở các van dẫn không khí đã được tăng tốc qua các cánh hướng dòng làm quay hệ thống cánh tuốc bin không khí (4), máy phát (2) sẽ làm việc. Đó là chu trình tạo điện năng khi phao ở trên đỉnh sóng. Mô hình được mô tả trên hình III.3. Khi sóng chuyển sang chu trình xuống (pha từ đỉnh sóng đến bụng sóng) không khí từ phía ngoài sẽ được hút vào phần ống trên của phao nhờ khi sóng hạ thấp vùng ống xi lanh dưới áp suất giảm (tạo chân không). Không khí được hút vào khoang phao qua bộ cánh hướng dòng và sẽ làm quay tuốc bin được kết cấu theo cánh hướng dòng. Các cánh hướng dòng được kết cấu sao cho tuốc bin có chiều quay trùng với chiều quay trong trường hợp phao lên đỉnh sóng. Tốc độ vòng quay của tuốc bin không khí sẽ được tính toán dựa vào bộ cánh điều chỉnh hướng của tuốc bin gió và sự điều tiết lượng gió phù hợp với chu kỳ và độ cao của sóng. Nếu thiết bị được sử dụng chỉ để tích điện ở điện áp thấp (không cần điện áp ổn định) thì thiết bị này sẽ đạt hiệu quả biến đổi năng lượng cao đối với mọi loại sóng. Ở Nhật đã sử dụng phương pháp này để tạo ra công suất 2MW trên một trạm nổi ngoài biển từ năm 1979 đến nay. III.2.4. Nguyên lý sử dụng phương pháp lắc có công suất lớn để biến đổi năng lượng sóng sang cơ - điện năng Hình III.4. Phương pháp lắc có công suất lớn để tạo điện năng từ năng lượng sóng [15] Nguyên lý làm việc của thiết bị này như sau: bộ phao “con vịt” có phần phao đối xứng được nối ghép với bộ truyền cơ năng và xoay dập dình quanh trục trụ (2) (hình III. 4). Sóng biển với độ cao khác nhau sẽ tạo ra dao động cho phao và tạo ra mô men đối với trục trụ và làm quay hệ cơ chứa trong trục trụ. Phần phao đối xứng tạo ra cho phao dao động liên tục dập dình theo các pha lên xuống của
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 125 sóng. Với phương pháp này có thể biến đổi tới 80% năng lượng sóng ra cơ năng và xấp xỉ 60-70% ra điện năng. III.2.5. Nguyên lý tạo điện năng từ sóng với công suất nhỏ thông qua tuốc bin thuỷ lực Đây là phương pháp tạo ra điện năng khá đơn giản xong hiệu suất thấp và chỉ ở phạm vi công suất nhỏ. Nguyên lý này được mô tả trên hình III.5 với quy trình làm việc như sau: Thiết bị tạo điện năng gồm một phao nổi có hình trụ hoặc hình cầu được định vị và dẫn hướng theo trục định vị (4). Phần dưới đáy phao được lắp ghép một hệ máy tuốc bin thuỷ lực tốc độ chậm và hệ biến đổi điện năng công suất nhỏ (thường dùng bộ tích điện có công suất nhỏ). Khi phao chuyển động lên xuống theo sóng sẽ làm cho tuốc bin thuỷ lực quay và như vậy tạo ra cơ năng để chuyển sang điện năng nhờ bộ truyền và máy phát chứa trong phao nổi (3). Hình III.5. Máy phát điện bằng tuốc bin thuỷ lực [15] III.2.6. Nguyên lý tạo điện năng bằng guồng quay Phương pháp này dựa trên nguyên lý tác động của sóng lên guồng quay làm quay máy phát điện. Thiết bị gồm một phao nổi trên đó có đặt tuốc bin thuỷ lực và
126 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác máy phát điện. Nguyên lý làm việc của hệ thống phát điện theo nguyên lý guồng quay được vẽ trên hình III.6. Thiết bị làm việc theo nguyên lý này thường được sử dụng tại các vùng ven bờ có sóng thường xuyên với độ cao từ 0.5m trở lên. Hình III.6. Phương pháp tạo điện năng từ sóng biển bằng guồng quay [15] III.2.7. Phương pháp tích tụ năng lượng sóng biển để chuyển sang điện năng với công suất lớn Do trường sóng thực tế trên biển là một quá trình xác suất ngẫu nhiên nên tất cả các loại thiết bị làm việc dựa theo 6 nguyên lý tạo ra điện năng nêu trên đều gặp phải khó khăn là làm việc không đều, phụ thuộc trực tiếp vào độ cao và chu kỳ của từng sóng riêng biệt. Các nhà kỹ thuật đã nghiên cứu nhiều giải pháp để tập trung, tích trữ năng lượng sóng (giống như gương hội tụ ánh sáng mặt trời trong công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời). Một trong số các giải pháp tích tụ năng lượng sóng biển gọi là “Phương pháp nắn chỉnh PACCELA” được trình bày dưới đây: Sơ đồ làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA gồm (hình III.7): - Máy phát điện (1), - Tuốc bin thuỷ lực (2), - Bể chứa nước (3), - Hệ thống van lấy nước từ biển dưới tác dụng của sóng.
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 127 III.3. CÁC LOẠI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI Dựa trên các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng, hiện nay trên thế giới có một loạt các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng. Trên hình III.8 đưa ra một số phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng thường được sử dụng tại các trạm phát điện từ năng lượng sóng trong thực tế. Bảng III.2 và hình III.9 – III.40 đưa ra các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng hiện đang được nghiên cứu và thử nghiệm áp dụng trong thực tế hoặc đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển. Hình III.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA [15] Hình III.8. Một số phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng phổ biến đang sử dụng trong thực tế [3]
128 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 129
130 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 131
132 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 133
134 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 135
136 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác
Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng 137
138 Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác Hình III.9. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Wave Dragon Hình III.10. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Pelamis