1
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu
Năng lượng nói chung và lượng điện nói riêng là trong những yếu tố cần thiết
phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của nhân loại. Điều này củng có nghĩa
rằng khi mức sống của con người và nhu cầu sản xuất được tăng cao thì nhu cầu về
năng lượng điện cũng tăng theo để đáp ứng. Đây chính là thách lớn đối với hầu hết
các quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt nam trong 20 năm
trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12 – 13 % năm, tức là gần gấp đôi tốc độ tăng
trưởng cao để thực hiện “ dân giàu, nước mạnh” và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn
tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng vách và thách thức to lớn trong những
thập niên tới. Để hoàn thành được trọng trách này , ngành điện phải có khả năng
dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát
triển năng lực cung ứng của mình.
Nếu tốc độ phát triển nhu cầu về điện tiếp tục duy trì ở mức rất cao 14 – 15%
năm như mấy năm trở lại đây thì đến năm 2010 cầu về điện sẽ đạt mức 90.000
GWh, gấp đôi mức cầu của năm 2005. Theo dự báo của Tập đoàn điện lực Việt
Nam, nếu tốc tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/ năm
thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh,
vào năm 2030 là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các
nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức
tương ứng là 165.000 GWh ( năm 2020) và 208.000 GWh ( năm 2030 ). Điều này
có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu
hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm. Nếu dự báo này của Tập đoàn Điện lực trỡ
thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2 – 3 lần
tục trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là
từ mặt trời. Năng lượng tái tạo cũng có thể được hiểu là những nguồn năng lượng 3
hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của
con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa : Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều
đến mức mà khong thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người hoặc là năng
lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục.
Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi thì đất nước Việt Nam được xem là một
trong những nước có nguồn tài nguyên năng nượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng
gồm : Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh
học, địa nhiệt Các nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng
sinh thái.
Trước nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm
khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần giảm
gánh nặng về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền thống đang
dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát truyển
bền vững.
Nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện
nay. Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào ở nước ta. Việt
Nam là một trong các quốc gia có bờ biển rất dài, dài đến hơn 3200 km. Quanh
năm sóng biển vỗ bờ. Bên cạnh đó, nước ta cũng có nhiều hải đảo. Quanh đảo là
biển, vì vậy năng lượng của sóng biển ven bờ biển của nước ta là rất lớn. Do đó,
việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng của sóng biển thành năng lượng điện là
cần thiết mà có thể góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện của
nước ta hiện nay và tương lại.
So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, thì năng lượng sóng biển có mức
đầu tư ít hơn, tính an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn,
không cần một bộ máy điều hành lớn và phức tạp, mứ độ ảnh hưởng đến cảnh quan
tính của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu cho một hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng
lượng điện độc lập và phụ tải trở không đổi. 5
- Nghiên cứu giả thiết bỏ qua các ảnh hưởng của các yếu tố mà có thể ảnh
hưởng đến hiệu quả biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện.
1.4. Cấu trúc của luận văn
Chương 1 : Giới thiệu
Chương 2 : Tổng quan về tình hình nghiên cứu và khai thác năng
lượng sóng biển trên thế giới tại Việt Nam
Chương 3 : Năng lượng sóng biển
Chương 4 : Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu tuyến chính
được sử dụng trong các bộ biến đổi năng lượng sóng biển
Chương 5 : Mô phỏng phân tích máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu tuyến tính được sử dụng trong các bộ biến đổi năng lượng
sống biển
Chương 6 : Kết thúc và hướng phát triển tương lai
6
Chương 2
TỔNG QUAN
công bố là đạt được một số bước tiến gần với thực hiện, cho thấy hiện nay nước
Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng.
Theo Tân Hoa xã, các nhà khoa học Trung Quốc vừa xây dựng thử nghiệm
một nhà máy điện sóng biển có thể chịu được những cơn bão. Y. Yage phụ trách
nhóm các nhà khoa học thuộc Viện khoa học Trung Quốc tại Quảng Châu cho biết,
nhà máy điện mới đạt hiệu quả hơn, chi phí thấp hơn và chịu được những cơn bão.
Nhà máy điện công suất 6 kW đã được thử nghiệm và hoạt động tốt sau hơn 20
cơn bão. Theo các nhà khoa học, việc thử nghiệm cho thấy thiết bị này có thể sử
dụng để thắp sáng đèn, máy tính máy điều hòa khử muối khỏi nước biển. Y. Yage
và các cộng sự đã chế tạo thành công nhà máy điện sóng đặt tại thành phố
Shanwei, miền nam Trung Quốc, thuộc tỉnh Quảng Đông.
Tập bản đồ năng lượng tái tạo trên biển của Liên hiệp Anh là một nguồn
thông tin để phục vụ cho việc quy hoạch khai thác các nguồn năng lượng biển nói
chung và năng lượng sóng nói riêng. Tập bản đồ sóng là phương tiện để xác định
các phân bố về năng lượng sóng theo các thời gian khác nhau trong năm và các
khu vực biển khác nhau tại khu vực biển ven bờ và ngoài khơi Liên hiệp Anh. Dự
án xây dựng tập bản đồ này được Bộ Công thương Anh tài trợ.
Nguồn số liệu chính cho cả trường gió synnop và trường sóng để xây dựng
tập bản đồ năng lượng sóng được thu thập từ các mô hình dự báo nghiệp vụ của
Anh hiện nay đã bao phủ trên diện tích tích toàn cầu, khu vực Châu Âu và vùng
biển Liên hiệp Anh với các lưới tưng ứng là 60; 35 và 12km. Mô hình tính sóng
được sử dụng là mô hình tính sóng tương thích với nguồn số liệu gió. Các kết quả
được đưa ra 3 giờ một lần bao gồm các kết quả định lượng về độ cao sóng hữu
hiệu, chu kỳ sóng đi qua điểm trung bình và hướng sóng trung bình. 8
Mô hình tính sóng sử dụng là mô hình tính sóng thế hệ hai với các chu kỳ
sóng tính toán dao động trong dải 3 giây đến 25 giây và với bước sóng trong
khoảng từ 15m đến 975m. Số liệu gió đưa vào là số liệu gió tại tầng 10m trên mặt
W
= 0.0623ρgH
s
C
g
( 2.1 )
Trong đó:
P
W
: là năng lượng song cho một mét đỉnh song
ρ : là mật độ nước (1025 kg/m
3
)
g : là gia tốc trọng trường (m/s
2
)
H
s
: là độ cao song hữu hiệu (m)
C
g
: là tốc độ nhóm song (m/s)
10
Tiềm năng năng lượng sóng được tính toán và xây dựng bản đồ năng lượng
sóng cho các vùng biển Liên hiệp Anh gồm:
- Atlat năng lượng sóng trung bình năm.
Thái Bình Dương với Ấn Độ Dương, Châu Âu, Trung Đông với Châu Á và giữa
các nước Châu Á với nhau.
Cùng với đất liền, vùng biển nước ta là một khu vực giàu tài nguyên thiên
nhiên, là ngư trường giàu có nuôi sống hàng triệu ngư dân và gia đình từ bao đời 12
qua, là một vùng kinh tế nhiều thập kỷ phát triển năng động, là nơi hấp dẫn của các
nhà đầu tư và thị trường thế giới đến khảo sát và nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác
nhau trong đó nghiên cứu năng lượng sóng biển chuyển thành năng lượng điện
được các nước đầu tư nghiên cứu trong đó có Việt Nam.
Do đặc điểm phức tạp về thiết kế và chế tạo các thiết bị biến đổi năng lượng
sóng biển thành các nguồn năng lượng khác nói chung và năng lượng điện năng
nói riêng nên việc sử dụng và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo trên biển vào
thực tế tại Việt Nam vẫn còn đang ở giai đoạn nghiên cứu và đánh giá tiềm năng.
Năm 2000, cục Hàng hải đã đặt mua một máy phát điện bằng năng lượng
sóng ( Model TGW – 3A – Wave Activeted Generator ) với giá 2917 USD của
Nhật Bản và lắp đặt thiết bị này để chạy đèn tín hiệu báo luồng ra vào cảng tại
phao số “0” tại cảng Cửa Lò. Cho đến nay, thiết bị này đang hoạt động tốt, đạt
hiệu quả rất cao trong các điều kiện thời tiết nguy hiểm.
Nguyên nhân chính của việc sử dụng hạn chế các các nguồn năng lượng sóng
biển so với các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống khác như năng lượng mặt
trời là vì việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị này phức tạp hơn nhiều
lần và điều này dẫn đến giá thành các hệ thống phát điện này cao hơn nhiều lần
(giá một hệ thống biến đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện cao hơn 5 lần
so với giá giàn pin năng lượng mặt trời trang bị cho các phao tiêu).
Tuy nhiên, từ thực tế sử dụng cho thấy các điều kiện thời tiết gió mùa đông
bắc, có sương mù các giàn pin năng lượng mặt trời thường làm việc kém hiệu quả.
Trong khi đó, các động cơ phát điện bằng năng lượng sóng biển lại có thể làm việc
suốt ngày đêm trong mọi điều kiện về thời tiết.
Một số các nghiên cứu tính toán khác với các kết quả đạt được cho thấy tiềm
năng lượng sóng dọc dài ven biển nước ta tương đối phong phú và phụ thuộc trực
tiếp vào hai mùa gió đông bắc và tây nam. ở các vùng thoáng, có đà sóng lớn theo
các hướng Đông Bắc, Tây Nam và Nam đều nhận được dòng năng lượng sóng khá
lớn. Dựa theo các kết quả tính toán đã tiến hành phân vùng tiềm năng năng lượng
sóng dọc dải ven biển Việt Nam, theo đó được phân thành 6 vùng với các đặc
trưng năng lượng sóng như sau : 14
Hình 2.3 Sơ đồ các điểm tính dòng năng lượng sóng và phân vùng tiềm năng năng
lượng sống biển dải ven biển Việt Nam
15
- Vùng 1 : Bắc vịnh Bắc Bộ từ móng Cái đến Thanh Hóa: tại vùng này, do đặc
điểm rất thoáng đối với sóng từ phía Nam – là trường sóng chiếm ưu thế trong gió
mùa tây nam tại khu vực Vinh Bắc Bộ nên năng lượng sóng chiếm ưu thể vào các
tháng 6 – 7 – 8 với giá trị từ 16 kW/m trở lên vào thời gian này. Vào mùa đông bắc
trường sóng tại khu vực này bị giới hạn bởi đà sóng ngắn trên năng lượng sóng
không lớn. Tại các trạm phía nam của vùng này ( từ trạm 7- 11 ) năng lượng sóng
khá đều quanh năm đạt từ 15 kW/m trở lên. Dòng năng lượng sóng trung bình năm
của vùng này đạt khoảng 15 kW/m.
- Vùng 2 : Từ Thanh Hóa – Quãng Bình là vùng phía nam vinh Bắc Bộ với đặc
điểm là dòng năng lượng sóng trong gió mùa đông bắc chiếm ưu thế. Tại vùng này,
từ tháng 10 năm trước đến tháng 2 năm sau, dòng năng lượng sóng đạt giá trị 30
kW/m trở lên trong mùa gió mùa tây nam, vào các tháng mùa hè, năng lượng sóng
tại khu vực này nhỏ hơn 20 kW/m. Dòng năng lượng sóng trung bình của khu vực
mưa nắng, ngày đêm.
Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 – 2015 có xét đến
2025 đã được thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 18 tháng 7 năm 2007, chương
trình phát triển nguồn điện giai đoạn 2011 – 2015 đối với phương án phụ tải cơ sở
( với nhu cầu điện 190 tỷ kWh vào năm 2015 ) được xác định có xem xét tới khả
năng tham gia của năng lượng tái tạo trong hệ thống điện Việt Nam.
* Giai đoạn 2008 - 2015
Theo dự báo quy hoạch điện thì sự đóng góp của các nguồn năng lượng điện
tái tạo sẽ tăng 17% đến năm 2015 và là 1424 ; năm 2020 là 2774 MW ; năm 2025
là 3824 MW chiếm 3% trong tổng các nguồn điện của cả nước.
Để đáp ứng được tỉ lệ đóng góp cũng như giảm thiểu việc sử dụng nguồn
nhiên liệu hóa thạch và tác động xấu đến môi trường, phương án nguồn điện tái tạo
là phương án được đề xuất cao, trong đó nguồn thủy điện nhỏ chiếm gần 30% ( đối
với miền bắc ), Khoảng 80 – 90% ( đối với miền trung ), khoảng 33-36% ( đối với
miền nam). Sự đóng góp các nguồn điện tái tạo ở miền trung là lớn nhất, sau đó
đến miền Bắc và cuối cùng là miền Nam. Điều này chứng tỏ tiềm năng khai tác các
nguồn năng lượng tái tạo của miền Trung là lớn nhất. 17
Với chương trình phát triển nguồn điện tái tạo này, đến năm 2015 tổng công
suất nhà máy điện tái tạo của nước ta là 2603 MW. Trong đó, thủy điện nhỏ chiếm
76,3%; năng lượng sinh học chiếm 12,15%; năng lượng gió chiếm 8,34%; còn lại
là các nguồn năng lượng tái tạo khác.
* Giai đoạn 2016 - 2025
Đến năm 2020 tổng công suất lắp đặt của các nguồn năng lượng điện tái tạo
của nước ta là 3859,4 MW. Trong đó : thủy điện nhỏ 2684 MW ( 69,54%) ; điện
gió 484 MW ( 12,54%); năng lượng sinh học 400,7MW ( 400, 7MW ( 10,38%) ;
còn lại là các nguồn năng lượng tái tạo khác.
Với tiềm năng năng lượng sóng biển trên các vùng biển Việt Nam cũng như
NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN
3.1 Giới thiệu
Sóng biển là quá trình thay đổi mặt nước tuần hoàn giữa các vị trí mặt nước
cao – đỉnh sóng và mặt nước thấp – bụng sóng.
Sóng biển được đặc trưng bởi các yếu tố như sau :
- Chu kỳ sóng, T là thời gian để một đỉnh và một bụng sóng đi qua một điểm cố
định
- Tần số sóng, f là số dao động trong một giây
1
f
T
(3.1)
- Tốc độ pha, C là tốc độ chuyển động của mặt song
L
C
T
(3.2)
- Độ dài sóng, L là chiều dài hai đỉnh hoặc hai bụng sóng kế tiếp
- Độ cao sóng, H là khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp.
- Độ sâu, d là khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước trung bình
Dạng sóng biểu thị hình dạng của mặt nước khi có sóng mà sẽ phụ thuộc rất
nhiều vào các điều kiện khác nhau như: vùng nước sâu, nước nông, vùng gió
thổi, Sóng sẽ có dạng khác nhau và tính chất sóng cũng có thể khác nhau như
sóng điều hòa và không điều hòa. Dạng sóng đơn giản nhất là sóng tuyến tính với
phương trình mô tả dạng của mặt nước tự do khi có sóng là một hàm của thời gian,
t; khoảng cách, x.
Đến 15 giây
Sóng lừng
Sóng gió truyền đi
Đến 30 giây
Sóng Seiche
Áp và gió
2-40 phút
Sóng Surf beat
Nhóm sóng
1-5 phút
Sóng cộng hưởng trong cảng
Tsunami, Surf beat
2-40 phút
Tsunami
Động đất
5-60 phút
Thủy triều
Lực hút của Mặt Trăng, Mặt Trời
12-24 phút
Nước dâng
Lực kéo của gió, độ giảm áp
1-30 ngày
3.2.2 Phân loại sóng theo độ cao
Theo độ cao sóng, có thể phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao và độ dài sóng
(độ dốc) và độ cao sóng với độ sâu biển.
Sóng được gọi là có độ cao vô cùng nhỏ khi độ dốc nhỉ H/L ~ 0 và tỷ số giữa
độ cao sóng và độ sâu biển nhỏ H/d ~ 0. 21
d
(3.4)
Trong đó :
U
r
= 0 : Lý thuyết sóng tuyến tính
U
r
nhỏ : Lý thuyết sóng Stokes
U
r
lớn : Lý thuyết sóng Cnoidal
Ngoài ra, có thể phân loại theo các đặc điểm của các lực tác động lên tường
sóng, theo lực tác động lên hạt nước sau khi bị nhiễu động trở về vị trí cân bằng,
theo biến động của trường sống theo thời gian , theo đặc điểm lan truyền của mặt
sóng hoặc theo dạng của mặt sóng, V.v
Các loại sóng được phân loại nêu trên có thể là : 22
- Sóng cưỡng bức, sóng tự do;
- Sóng mao dẫn, sóng trọng lực ;
- Sóng ổn định, sóng đang phát triển ;
- Sống tiến, sóng đứng;
- Sóng hai chiều, sóng ba chiều ;
(3.6)
3.3.2 Thông lƣợng năng lƣợng sóng
Thông lượng năng lượng sóng là năng lượng sóng truyền theo hướng truyền
sóng qua một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng tính từ mặt biển đến 23
đáy biển. Thông lượng năng lượng trung bình cho một đơn vị đỉnh sóng, truyền
qua một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng sẽ được biểu diễn như sau :
g
P EnC EC
( 3.7)
Trong đó :
P
: là thông lượng năng lượng sóng, mà còn được gọi là lực sóng
- Tại vùng nước sâu :
0
0
1
2
P E C
(3.8)
- Tại vùng nước nông :
g
P EC EC
(3.9)
Khi đỉnh sóng song song với các đường đẳng sâu, phương trình cân bằng
1
2 sinh(4 / )
g
L d L
C nC
T d L
(3.12)
Trong dó : C là tốc độ pha của sóng
2
tanh tanh
22
g
gL d gL
C kd
L
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một hệ thống bao gồm :
- Phao là một thiết bị hình trụ sử dụng vật liệu sắt có đường kính 3,5m và
chiều dài 30m.
- Các phao được kết nối với nhau thông qua một hệ thống phao bằng khớp
nối nơi cho phép biến đổi năng lượng sống biển thành năng lượng điện.
Thiết bị phao này có đường kính 3,5m và chiều dài 5m.
Toàn bộ hệ thống Pelamis này được lắp đặt ngoài khơi tại vị trí có mực nước
sâu. Với một nữa nổi và một nữa chìm. Hệ thống Pelamis được cố định thông qua
cáp neo ở đấy biển.
30
m
3,5m
Hình 3.1 phao của hệ thống biến đổi năng lượng song biển pelamis
Copyright: Tài liệu đại học ©