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