Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển tại Việt Nam. 3 Chương 3: Nghiên cứu động lực học thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển. Kết luận và kiến nghị.
Sau đây là nội dung chính của luận án. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nguồn năng lƣợng từ biển Năng lượng tái tạo (NLTT) là xu thế phát triển mang tính toàn cầu từ những năm 70, thế kỷ XX một cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến cho cả nhân loại lo lắng về sự thiếu hụt các nguồn nhiên liệu. Đó là nguyên nhân dẫn đến các nước chạy đua giữa các quốc gia trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng những nguồn năng lượng tái tạo.
Trong khi đó, nguồn năng lượng truyền thống (hóa thạch, thủy năng…) vốn được coi là nguồn năng lượng chủ yếu hiện tại, và có thể sử dụng trong khoảng 4-5 thập kỷ nữa tuy nhiên nguồn NL truyền thống này đang ngày càng đắt đỏ. Các nhà kinh tế năng lượng trên thế giới đã cảnh báo: Hành tinh của chúng ta có thể tiếp tục lâm vào khủng hoảng năng lượng có tính tàn phá ở thời điểm 2050-2060, nếu chúng ta không tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống hiện có, và nếu không phát triển sử dụng các dạng năng lượng sạch tái tạo. [1] Những nghiên cứu tận dụng các chất phế thải, thậm chí cả hoa quả để tái tạo các loại năng lượng sạch, đang trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Những nước đã thành công trong việc nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng mới phải kể đến Brazin, Mỹ, Canada, Đức, Anh, Pháp, Trung Quốc, Nhật Bản…[1] Những biện pháp khai thác nguồn năng lượng xanh sạch không gây ô nhiễm môi trưỡng sẽ được khuyến khích được áp dụng như: năng lượng gió biển, các nhà máy thủy điện lớn, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời.
Các chủ trương và chính sách về năng lượng sạch được hậu thuẫn về mặt chính trị, chỉ trong vòng 1 thập niên (2001-2010), năng lượng gió đã trở thành nguồn cung cấp điện hiệu quả. Lĩnh vực năng lượng xanh còn tạo được việc làm cho hơn 135.000 nghìn người lao động [2]. Ở nước ta, theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) thì đến năm 2020, tỷ lệ thiếu hụt năng lượng điện của quốc gia lên tới 20-30% mỗi năm [3]. Việc phát triển, sử dụng các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo càng trở nên cấp bách.
Có thể nói, việc biến từ điện gió và điện mặt trời và năng lượng sóng biển sang điện lưới phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện của rất đông bộ phận người dân tại Việt Nam có ý nghĩa thực tiễn cao và phù hợp với chiến lược phát triển nguồn năng lượng sạch của đất nước. 5 Theo báo quy hoạch điện 7 có bổ sung của EVN. Dự kiến Việt Nam sẽ phấn đấu để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010, 8% vào năm 2020 và 10% vào năm 2030 [3]. Năng lƣợng sóng biển Dạng năng lượng dễ thấy nhất từ đại dương chính là năng lượng của sóng trên bề mặt đại dương, sóng đại dương mang năng lượng rất lớn.
Nguồn tạo ra năng lượng sóng dựa trên 4 hiện tượng: - Vật thể di chuyển trên hoặc gần mặt nước gây ra sóng với chu kỳ nhỏ và mang năng lượng nhỏ. - Các hoạt động địa chấn cũng là nguyên nhân gây ra sóng địa chấn biển “hay được gọi là tsunami”. - Lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời cũng là nguyên nhân gây ra các đợt sóng triều cường “tidal wave” hay gọi là sóng thủy triều. - Gió biển và các hiện tượng khí hậu là nguồn tạo ra sóng lớn nhất, gió thổi trên mặt biển tạo ra các đợt sóng khá lớn, các cơn bão có thể gây ra sóng thần và sóng lừng hai loại sóng này mang năng lượng cực kỳ lớn.
Đánh giá chung công suất của chúng trong đại dương khoảng 2,5 - 3TW[4]. Trong đại dương, những vùng có công suất sóng biển ổn định gặp tương đối hiếm. Để thực hiện đánh giá cho một vùng cụ thể yêu cầu cần phải có những quan trắc kéo dài, trong khi đó, những tài liệu quan trắc trên biển nhìn chung tương đối thiếu. Để nghiên cứu chế độ thường phải bổ sung bằng các mô hình tính toán mô phỏng lại các quá trình hình thành và biến đổi hiện tượng, mô hình được kiểm chứng bằng các tài liệu đo đạc thực tế.
Chẳng hạn, có thể xem xét các vùng biển được nghiên cứu nhiều ngày nay như Bắc Hải (nơi khai thác dầu khí từ biển mạnh nhất) và nói chung là các vùng Bắc Đại Tây Dương. Trong biển Bắc Hải, sóng thường khá mạnh với công suất 40kW/m (năng lượng của sóng trên đơn vị 1m chiều dài) trong suốt 30% thời gian tồn tại và công suất gần 10kW/m trong 70% thời gian còn lại. Tiềm năng trung bình năm của năng lượng sóng vùng bờ tây nước Anh theo kết quả chỉnh lý tài liệu của 4 trạm quan trắc đặt ở ngoài khơi cách bờ 30 đến 40km trong suốt thời gian từ 7 đến 14 năm thay đổi trong 6 giới hạn từ 31 đến 44kW/m. Nhưng để đánh giá chính xác tiềm năng năng lượng sóng, ngoài các đặc trưng trung bình của công suất còn phải có tài liệu về các đặc trưng phổ và không gian (hướng dịch chuyển) [4].
Theo công trình nghiên cứu của G. Matusepski, bằng phương pháp trung bình các yếu tố sóng có tính đến tần suất đảm bảo theo mùa đã nhận được các công suất của năng lượng sóng cho các biển như (bảng 1. Mức năng lượng sóng biển tại một số vùng biển trên thế giới Vùng Biển Đơn vị Vùng Biển Đơn vị Biển Bering 15-44kW/m Biển Okhốt 12-20kW/m Biển Barensevo 22-29kW/m Biển Caspien 7-11kW/m Biển Nhật Bản 21-31kW/m Biển Bantic 7-8kW/m Biển Hắc Hải 6-8kW/m Một số nghiên cứu đã đưa ra kết quả đánh giá mức năng lượng sóng trên thế giới được biểu diễn qua (hình 1.1) như sau: Hình 1. Biểu đồ phân bố mức năng lượng sóng trên toàn thế giới [19].
Các đặc trưng của sóng biển a) Các thuật ngữ Trong các tài liệu về sóng nước người ta thường dùng các thuật ngữ được thể hiện chi tiết trong (hình 1.2) như sau: 7 - Mặt cắt sóng: là giao tuyến của mặt sóng với mặt phẳng thẳng đứng theo hướng truyền sóng. - Đường trung bình sóng: là đường nằm ngang, chia đôi khoảng cách giữa đáy sóng và đỉnh sóng, nằm ở phía trên mực nước tĩnh một độ cao , gọi là chiều cao dâng tâm sóng. - Đỉnh sóng: điểm cao nhất của đường mặt sóng. - Đáy sóng: điểm thấp nhất của đường mặt sóng.
- Đầu sóng: (vùng đỉnh sóng) phần diện tích nằm ở phía trên mực nước tĩnh. - Bụng sóng: (vùng đáy sóng) phần diện tích nằm ở phía dưới mực nước tĩnh. - Đường đỉnh sóng: (tuyến sóng) là đoạn chứa điểm cực đại của sóng. - Tia sóng là đường vuông góc với tuyến sóng.
Các thông số cơ bản của sóng biển. b) Các thông số cơ bản của sóng: Trên thực tế dạng sóng phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau (ví dụ vùng nước sâu, nước nông, vùng gió thổi,.) sóng sẽ có các dạng khác nhau và tính chất sóng 8 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 tên gọi khác như sóng Airy, sóng hình sin, sóng Stokes bậc một. Phương trình 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 [8].
x a cos 2 x 2 t H cos 2 x 2 t H cos kxt (1. Hình mô tả chuyển động của sóng biển. phương trình mô tả chuyển động của sóng biển (hình 1.3)cho nên nó là một loại sóng cơ học, vì vậy nó mang đầy đủ các đặc tính cơ bản của sóng cơ học. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng Sóng cơ bản được hình thành qua 3 bước từ đó phân chia ra 3 vùng hình thành sóng cơ bản: Sóng ban đầu được hình thành ngoài khơi đại dương và rất xa bờ là từng đợt sóng gợn sóng với chiều dài thân sóng (wavelength) rất gắn và chiều cao (wave height) rất thấp (vùng sóng gợn (wave crowding)).
Như vậy, ban đầu sóng được hình thành với bước sóng (chiều dài thân sóng) ngắn và tốc độ dịch chuyển của đỉnh sóng cao nhất. Sau đó những đợt sóng này sẽ dao động về phía gần bờ và bắt đầu gia tăng bước sóng, đồng thời chiều cao của sóng cũng được gia tăng (vùng gia tăng chiều cao sóng (wave height increases))[38]. Ở vùng này, tốc độ dịch chuyển của đỉnh sóng cũng giảm xuống và năng lượng sóng với chiều tác động đẩy sóng nhô lên gia tăng lực đẩy làm gia tăng chiều cao của sóng. 9 Khi tiến đến gần bờ thì sườn sau của sóng bắt đầu dịch chuyển nhanh hơn rất nhiều và vượt tới trước, lúc này chiều cao của sóng được đẩy lên cao nhất và sóng bắt đầu vỡ ra và đập vào bờ hay còn gọi là sóng vỡ (vùng sóng vỡ (surf zone)).
Vùng sóng gợn: Ở vùng sóng này, sóng được hình thành với bước sóng ngắn và chiều cao sóng thấp nên mang năng lượng thấp. Khi một chất điểm chuyển động theo quỹ đạo chuyển động của song hai chiều thì chịu lực tác động của bề mặt sóng lên chất điểm ở vùng này chủ yếu là lực theo hương thẳng đứng Fz1 và lực theo phương ngang Fx1 và hợp lực tổng là F1 , vì ở vùng này bước sóng và chiều cao tỉ lệ tương đối với nhau nên ta có hợp lực của Fz1 Fx1 là F1 được xác định trên (hình 1. Quan hệ năng lượng theo các phương tại các vùng sóng [36]. Vùng gia tăng chiều cao sóng: Sóng ở vùng này được gia tăng vận tốc và lực Fz2 được gia tăng nhằm đẩy mực nước lên cao, tăng chiều cao và bước sóng.
Lực tác động của bề mặt sóng lên chất điểm ở vùng này chủ yếu là lực theo phương thẳng đứng Fz2 và lực theo phương ngang Fx2 ( Fx 2 Fz2 ) và hợp lực tổng là F2. Vì vậy, khi khai thác lực sóng theo phương đứng thường người ta khai thác ở vùng gia tăng chiều cao sóng hơn là vùng sóng gợn. Vì chủ yếu là khai thác lực ở bề mặt sóng và theo phương thẳng đứng nên các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng ở khu vùng này phải được thiết kế sao cho nhận được lực Fz2 với hiệu suất chuyển đổi 10 năng lượng tối ưu.