TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Dưới đây là bài báo khoa học “Năng lượng đại dương – nguồn năng lượng sạch” của GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn Khoa Điện - Điện tử, 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

Đại 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 đạt 100 000 TWh/năm (trong khi đó tiêu thụ năng lượng điện của thế giới là 16 000 TWh/năm). Trong những năm gần đây thế giới đã quan tâm rộng rãi tới năng lượng của sóng biển. Khai thác đại dương để sản xuất điện từ  nguồn sóng biển mênh mông trong các đại dương của thế giới là một phần lời giải  cho vấn đề năng lượng của chúng ta. Sự chuyển đổi chỉ riêng tài nguyên sóng biển có thể cung cấp một phần rất lớn yêu cầu về điện năng của nhiều nước ở châu âu như Bắc Ai len, Đan mạch , Bồ đào nha, Tây ban nha  và các nước khác. Viện nghiên cứu năng lượng điện của Mỹ  đã có tính toán về năng lượng điện sóng biển dọc theo bờ biển của  U.S. có thể sản ra khoảng 2100 TWh/năm. Sản lượng đó chiếm một nửa yêu cầu sử dụng điện  của nước Mỹ. Ở nước Anh, giới chuyên gia ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25% nhu cầu năng lượng cần thiết.

Việc phát triển các dự án năng lượng sóng biển được thực hiện ở châu Âu và châu Mỹ. Ở châu Âu các thiết bị điện sóng biển đã được thử nghiệm từ năm 60 của thế kỷ trước. Ở Tây ban nha trong các năm 2011-2020 Viện Kế hoạch Năng lượng Tái tạo đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phát triển tương đối mạnh năng lượng sóng biển, đã thực hiện nhiều dự án. Người ta tính toán rằng ở Tây ban nha có thể đảm bảo 42.3% năng lương điện tiêu thụ là năng lượng tái tạo vào năm 2020. Hiện có nhiều công nghệ để biến năng lượng sóng biển vào điện năng và ngày nay vẫn còn chưa biết được công nghệ nào sẽ thắng. Dưới đây trình bày 2 phương pháp tạo điện năng từ đại dương.

2. Tạo năng lượng điện trực tiếp từ sóng biển và thủy triều

Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường v.v…

Tận dụng nguồn năng lượng thủy triều thực sự là bước ngoặt trong sản xuất năng lượng sạch, không ô nhiễm môi 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 năng lượng được tạo ra từ những cánh quạt quay nhờ dòng nước biển. Người ta dự tính đến cuối những năm đầu của thế kỷ 21, họ sẽ hoàn thành xây dựng 20 nhà máy tiếp theo. Nhà máy điện của Na Uy có ưu điểm mà không nguồn năng lượng tái tạo nào có được đó là hoàn toàn không lệ thuộc vào thời tiết. Bất chấp hoàn cảnh, có gió hay lặng gió, trời nắng hay mưa... dòng thuỷ triều vẫn không bị ảnh hưởng và dòng điện phát ra vẫn có công suất không đổi. Người Anh cũng có kế hoạch đầu tư tương tự. Dẫu ý tưởng xây dựng nhà máy điện thuỷ triều không phải là mới, song phương thức khai thác của người Na Uy rất sáng tạo. Thiết bị công nghệ loại này đầu tiên trên thế giới được Pháp chế tạo và lắp đặt ở cửa sông từ năm 1967. Công trình đó đến nayvẫn còn hoạt động và có công suất 240 MW. Những nhà máy điện cùng loại thí điểm cũng xuất hiện ở Trung Quốc, Ấn Độ, Canađa và LB Nga.

Nguyên lý hoạt động của những nhà máy điện sử dụng năng lượng nước biển đã khai thác cũng giống như nhà máy thuỷ điện truyền thống: Thoạt đầu dòng nước chảy đầy những "thùng chứa" đặc biệt, làm quay tuabin phát điện, sau đó nước từ thùng chứa thoát ra trở lại đại dương. Trên H.1 là hệ thống Pelamis thu năng lượng từ sóng biển.

Bên cạnh những mặt mạnh là không gây ô nhiễm môi trường, nhà máy điện sử dung năng lượng nước biển vẫn không tránh khỏi một số khiếm khuyết. Tương tự trường hợp đập nước trên sông, nhà máy điện kiểu này cũng gây rào cản không thể vượt qua đối với hải sản và gây khó khăn cho giao thông đường thuỷ. Chính vì lý do như vậy, Chính phủ Pháp đã tạm dừng kế hoạch triển khai xây dựng 20 công trình tiếp theo. Theo tính toán của giới phản đối việc xây dựng, thí dụ - chỉ một đập nước trên sông Ranh cũng làm đảo lộn môi trường biển trong bán kính 500 km.

Mãi đến những năm 90 thế kỷ trước, người ta mới nghĩ ra phương pháp tận dụng năng lượng thuỷ triều một cách sạch nhất, đó là các “cối xay" dưới nước. Chúng quay nhờ dòng nước biển chuyển động. Tua bin thí nghiệm đầu tiên được lắp đặt tại khu vực Loch Lihne, ở Xcốtlen, năm 1995. Nó được cột vào mỏ neo nằm dưới đáy biển và chỉ tạo nguồn năng lượng công suất 15 kw.

Gần đây, tuabin có công suất lớn hơn nhiều (300 kw) lần đầu tiên được nối vào mạng điện quốc gia. Cánh quạt ngầm dưới đáy nước được gắn cố định xuống đáy biển. Công trình hoạt động tại eo biển Kvalsund, gần thành phố biển Na Uy Hammerfest. Thiết bị có trọng tải ngót 200 tấn. Na Uy dự định sẽ lắp đặt 20 tuabin như thế, đảm bảo cung cấp điện cho thị trấn 1,1 ngàn dân. Chi phí công trình khoảng 50 triệu curon Na Uy (20 triệu USD).

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 mức giá sản phẩm điện đắt hơn 3 lần so với nguồn điện truyền thống. Việc xây dựng ở Na Uy triển khai được chủ yếu nhờ tiền của các doanh nghiệp và trợ giủp của Chính phủ.

Ngoài Na Uy, người Anh cũng tích cực xúc tiến chương trình xây dựng nhà máy điện dưới biển. Gần đây họ đã đưa vào khai thác công trình tương tự như Na Uy (công suất 250 kw). Sự khác biệt độc nhất là tuabin của Anh lắp đặt trên thân cột mà một phần cánh quạt nhô lên mặt nước. Cho dù giải pháp này gây cản trở hoạt động giao thông hàng hải, nhưng lại tiết kiệm được đáng kể chi phí dịch vụ để kéo thiết bị lên khỏi mặt nước khi cần thiết mà không cần thợ lặn. Hãng Marine Current Turbines, đơn vị thực hiện dự án đã có kế hoạch lắp đặt hàng trăm tuabin tiếp theo dọc bờ biển phía Tây nước Anh. Họ cũng đang thiết kế tuabin kép, công suất 1,2 MW. Lãnh đạo của hãng khẳng định rằng, việc xây dựng vài ngàn máy phát điện dưới biển dọc bờ biển phía Tây nước Anh và xứ Uên sẽ cho nguồn năng lượng tương đương 50% sản lượng điện các nhà máy điện hạt nhân hiện đang hoạt động.

3. Tạo năng lượng điện từ sóng biển bằng cột nước dao động(OWC).

Dưới đây trình bày một phương pháp khác tạo điện năng từ sóng biển gọi là phương pháp cột nước dao động OWC(oscillating water columns).

Năng lượng mặt trời tạo ra gió, gió thổi khắp đại dương biến năng lượng gió  vào năng lượng sóng. Sóng di chuyển hàng nghìn hải lý trên đại dương sẽ bị tổn thất 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.

Hình 2: Sơ đồ OWC

Trong OWC này sóng chuyển động tạo ra một lưồng không khí 2 chiều được biến đổi vào cơ năng và truyền cho trục máy phát điện bằng một loại tuyếc bin đặc biệt gọi là Wells turbin(Turbin phun), tuyếc bin đó cung cấp một hướng chuyển động duy nhất của dòng không khí này [3], [4]. Tính chất của Wells turbine được giới hạn bởi một loạt hiện tượng dừng ở cánh turbin. Vì vậy cần một chiến thuật điều khiển hệ thống.  Chiến thuật điều khiển cơ bản hoặc là tổ hợp của chúng có thể thực hiện như sau:  điều khiển phản ứng; điều khiển tốc độ quay của máy phát điện hoặc điều khiển van không khí hay điều khiển dòng không khí (airflow control).

Trong hệ thống này chiến thuật điều khiển hệ thống là điều chỉnh tốc độ quay của máy phát điện. Máy phát điện dùng trong hệ thống là loại máy phát điện dị bộ nạp điện từ 2 phía. [5].

Việc sử dụng máy phát dị bộ nạp 2 phía (DFIG) là một khả năng to lớn  trong việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo [6], [7]. DFIG là một máy điện dị bộ có rô to quấn dây nên cho phép bơm dòng điện vào mạch rô to qua bộ biến đổi công suất. Bằng việc thay đổi pha và tần số của dòng kích từ rô to ta có thể tạo được sự tối ưu về biến đổi năng lượng [8]. Bộ biến tần chỉ gia công một phần nhỏ hơn 30% công suất định mức của máy phát. Điều đó đã giảm tải cho bộ biến tần do đó đã giảm giá thành bộ biến tần. Để đạt được công suất ra mong muốn  người ta điều tốc độ của.

Hiện nay công nghệ tạo điện năng từ nước biển này  được coi là công nghệ tốt nhất để biến sóng biển vào điện năng. Nhiều nước đang áp dụng công nghệ này, điển hình là Tây Ban nha.

Ở Tây ban nha đã thực hiện một dự án ở Mutriku (thuộc Xứ Basque Tây ban nha), được trợ giúp bởi Basque Energy Board (EVE), một nhà máy phát điện dựa vào sự dao động của sóng biển đã tích hợp 16 tuyếc bin có công suất 18.5-kW và khánh thành vào tháng 7 năm 2011 [2], [3].

4. Kết luận

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 bước đầu, tuy nhiên có nhiều triển vọng, và không xa nữa chúng ta sẽ được hưởng một năng lượng sạch, tái tạo từ các đại dương  mênh công của chúng ta.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Decoding the World’s Best Energy Policies, Jul. 2008.

[2] H. Polinder and M. Scuotto, “Wave energy converters and their impact

on power systems,” in Proc. Int. Conf. Future Power Syst., Amsterdam,The etherlands, Nov. 2005, pp. 62–70.The Netherlands, Nov. 2005, pp. 62–70.

 [3] H. Li,M.-Y. Chow, and Z. Sun, “EDA-based speed control of a networked DC motor system with time delays and packet losses,” IEEE Trans. Ind.Electron., vol. 56, no. 5, pp. 1727–1735, May 2009.

[4] J. T. Bialasiewicz and J. Balcells, “Special section on renewable energy and distributed generation systems—Part 1: Renewable energy generation and storage systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 4, pp. 998– 1001, Aug. 2006.

[5] J. Balcells and J. T. Bialasiewicz, “Special section on renewable energy and distributed generation systems—Part 2: Renewable energy generation and storage systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 5, pp. 1394–1397, Oct. 2006.

 [6] J. Hu, Y. He, L. Xu, and B. W. Williams, “Improved control of DFIG systems during network unbalance using PI–R current regulators,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 2, pp. 439–451, Feb. 2009.

[15] B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 2001.

 [7] J. Arbi, M. J. B. Ghorbal, I. Slama-Belkhodja, and L. Charaabi, “Direct virtual torque control for doubly fed induction generator grid connection,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 10, pp. 4163–4173, Oct. 2009.

[8] W. Qiao, G. K. Venayagamoorthy, and R. G. Harley, “Real-time implementation of a STATCOM on a wind farm equipped with doubly fed induction generators,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 45, no. 1, pp. 98–107,Jan./Feb. 2009.

Nội dung đính kèm: Nang-luong-dai-duong-nguon-nang-luong-sach