Điện hải lưu- Mô hình thí nghiệm ngoài tự nhiên và khai thác . KS. Doãn Mạnh Dũng
Hình 1 : Dòng chảy tự nhiên là khối nước di chuyển liên tục có chiều sâu và chiều rộng với dòng trên cùng là mạnh nhất.
Tài nguyên động năng dòng hải lưu ở Biển Đông và Công nghệ mới khai thác động năng dòng hải lưu của Việt Nam là những vấn đề còn rất xa lạ với giới trí thức Việt Nam nói riêng và cách tư duy của các nhà chuyên môn trên thế giới hiện nay.
Tư duy mới này hướng Việt Nam có thể tự lực về năng lượng điện và xuất khẩu điện.
Tư duy mới này cũng hướng nhân loại quan tâm đến việc khai thác động năng dòng chảy tự nhiên và hạn chế việc xây dựng các đập thủy điện sử dụng thế năng vừa gây tác động xấu đến môi trường và tăng hiểm nguy với tính mạng của con người.
Trái đất ấm dần do hiệu ứng khí thải nhà kính. Việt Nam cam kết sẽ đưa chất thải ròng về zero vào 2050 tại Cop26. Vì vậy việc giảm sử dụng than, dầu là bắt buộc và phải sử dụng nguồn năng lượng mới. Điện mặt trời, điện gió … có giá thành cao và trong quá trình tạo ra pin mặt trời hay máy điện gió cũng sinh ra nhiều chất thải. Nhiên liệu trong tương lai sẽ là hydro xanh. Chữ “ xanh” mang nghĩa: quá trình sản xuất ra hydro lõng nhưng ít thải ra khí C02. Hydro lõng dùng cho nhiệt điện, động cơ đốt trong, công nghiệp…
Tài nguyên
Trong quá trình nghiên cứu cảng ở Biển Đông, Ks. Doãn Mạnh Dũng đã phát hiện dòng hải lưu ở Biển Đông – khu vực miền Trung Việt Nam gồm tổng hợp 2 dòng :
Dòng tầng mặt hình thành do gió Đông Bắc trong 8 tháng.
Dòng tầng đáy hình thành do chênh lệch nhiệt giữa Xích đạo và Bắc cực . Vì trái đất quay từ Tây sang Đông nên dòng tầng đáy vừa di chuyển từ Bắc xuống Nam vừa di chuyển từ Đông sang Tây do lực quán tính Coriolic.Vì không có vật cản và địa hình bờ Tây Thái Bình Dương, nên dòng tầng đáy mạnh nhất trên trái đất khi đến miền Trung Việt Nam
Hai dòng tầng mặt và tầng đáy đã cộng hưởng tại bờ biển miền Trung Việt Nam với 6 đặc điểm : Gần bờ, vùng nước nông, hướng dòng ổn định Bắc-Nam, tốc độ rất cao, độ rộng dòng đến 24 km tại cửa Gianh, độ dài dòng hải lưu đến 1.000 km từ Hòn La -Quảng Bình đến mũi Kê Gà – Bình Thuận.
Mỹ và Đài Loan đã dùng vệ tinh xác định có 12 điểm với dòng hải lưu mạnh nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương, trong đó có 7 điểm tốt nhất tập trung tại miền Trung Việt Nam. Còn lại có 3 điểm tại Nhật, 1 điểm tại Đài Loan,và 1 điểm tại Philippine. Trong 7 điểm tại miền Trung, vận tốc đều hơn 1m/s và cách xa bờ khoãng 40 km. Theo lý thuyết và thực tiển, dòng hải lưu gần bờ tốc độ luôn cao hơn khi ở xa bờ.
Hình 2.1 : Mười hai điểm có dòng hải lưu mạnh tại bờ Tây Thái Bình Dương
Hình 2.2 : Bản đồ 7 điểm có dòng hải lưu mạnh tại miền Trung Việt Nam
Hình 2.3 : Bản đồ 5 điểm có dòng hải lưu mạnh tại Nhật, Đài Loan và Philippine
Công nghệ hiện nay của thế giới
Hình 3 : Các mô hình cách quạt hiện nay trên thế giới
Thế giới hiện nay sử dụng cánh quạt truyền thống thả xuống nước để lấy năng lượng. Cách làm trên, chỉ lấy năng lượng của dòng chảy đi qua cánh quạt. Cánh quạt lại có trọng lượng nên hiệu suất kém. Khi sử dụng trục ngang, máy phát điện phải đặt trong nước nên cần kín nước nên giá thành cao. Các yếu tố trên đã làm giải pháp phát điện truyền thống không hiệu quả.
Công nghệ mới của Việt Nam
Giải pháp công nghệ mới của Việt Nam do Ks Doãn Mạnh Dũng và Doãn Thanh Tùng đề xuất như sau :
Dùng trống có gờ ở võ trống để nhận lực. Ruột trống có độ rổng để trống nổi lơ lững trong nước theo hướng trục hình trụ.
Hình 4 : Trống quay là một hình trụ võ có gờ đặt lực, có độ rổng bên trong, nổi trong nước và quay quanh trục của hình trụ
Trống được đặt trong khung như hình vẽ và có thể lấy hết động năng theo chiều sâu.
Trống quay được đặt tên là “ Doan blade” để tri ân dòng họ Doãn.
Hình 5 : Máy thí nghiệm thứ nhất
Hình 6 : Máy thí nghiệm thứ hai
Hình 7 : Khung cho dòng chảy 2 chiều như dòng thủy triều.
Hình 8 : Khung cho dòng chảy 1 chiều như dòng sông, dòng hải lưu
Hình 9 : Để lấy hết động năng theo chiều ngang, khung được xếp thành 2 hàng nhưng so le.
Khi dòng chảy có v>o thì trống quay, kéo theo trục trống. Trục trống kéo máy phát điện trên mặt nước.
Một mô-đun cơ bản gồm 2 trống. Trống được thiết kế theo tiêu chuẩn với đường kính 2 m và cao 2 m để có thể đưa vào công-ten-nơ di chuyển.
Hình 10 : Sơ đồ tính toán động năng với lượng nước (m) tác động vào cánh quạt trong 1 giây
Nguồn động năng của dòng chảy được xác định :
E= 0.5 m v v
Trong đó E là nguồn năng lượng của vật di chuyển.
m là khối lượng vật di chuyển.
v là tốc độ vật di chuyển.
Vì giả thiết v= 1m/s nên trong 1 giây có 2 m3 nước tác động vào trống để tạo thành mô-ment quay. Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, động năng dòng chảy sẽ chuyển thành mô-ment quay. Với nguyên lý này, máy có thể vận hành trong mọi tốc độ của dòng chảy.
Để dự án có tính khả thi, khi tính toán đã bõ qua dòng chảy tác động vào thành hướng dòng, sau đó đổi hướng và tác động vào trống.
Trong 1 giây, 1 trống nhận được nguồn năng lượng :
En = 0.5 mv2 = 0.5 x 2000 kg x (1 m/ s )2= 1000 kg x 9.8 N = 9800 N/s =9800 w.
Giả thiết hiệu suất 70%, công suất 1 mô- đun nhỏ với 2 trống :
Pn/s = 7000 w x 2 = 14 Kw/s
Công suất 1 mô -đun nhỏ trong 1 giờ :
Pn/h = 14 Kw/s x 3600 s = 50 400 Kw/h = 50.4 Mw/h
Tích hợp 7 cặp trống với 5 tầng trống để khai thác độ sâu 10 m ta có một mô-đun lớn bằng bê tông cốt thép. Hàng thứ nhất có 4 cặp trống. Hàng thứ 2 có 3 cặp trống.
Một mô-đun lớn có 7 x 5 = 35 mô-đun nhỏ đem lại công suất :
P= 0.49 MW/s.
Hình 11 : Khu tiếp nhận năng lượng ở tầng 2 , nó gồm 5 lớp trống với độ cao 10m nước, 4 cặp ở hàng 1 và 3 cặp ở hàng thứ 2.
Hình 12 -1 : Mô-đun lớn gồm 4 tầng, bằng bê tông cốt thép rộng 39.4 m, dài 26 m, cao 22.4 m, khai thác độ sâu 10 m cho công suất P= 0.49 MW/s.
Hình 12-2 : Kết nối 10 mô-đun lớn
Công suất trong 1 giờ :
E = 0.49 MW x 3600 s = 1 764 MW/h = 1 764 000 kW / h
Tầng đáy cao 1.5 m cho phép sa bồi di chuyển qua.
Tầng 2 là tầng tiếp nhận năng lượng và cho phép thủy sinh và rác di chuyển qua.
Tầng 3 là tầng thủy triều tùy theo nơi đặt máy.
Tầng 4 là tầng đặt máy móc, điều hành, vật tự.
Một nhà máy kết nối 52 mô-đun bê-tông dài 2.048 m rộng 26 m cao 22.4 m có công suất :
52 x 1 764 MW/h = 91728 MW/h
Nhà máy điện thủy điện Tam Hiệp -Trung Quốc có công suất 22 500 MW.
Như vậy nhà máy với 52 mô-đun gấp 4.08 lần nhà máy thủy điện Tam Hiệp
91 728 MW : 22 500 MW = 4,08
Sản lượng nhà máy với 52 mô-đun lớn trong 1 năm :
E = 1764 000 kwh x 24 x 365 x 52 = 803 537 280 000 kwh tương đương 803.5 tỷ KWh
Sản lượng điện của Việt Nam phát và mua trong năm 2023 : 280.6 tỷ KWh.
Bờ biển từ Hòn La – Quãng Bình đến mũi Kê Gà – Bình Thuận dài 1000 km, nếu 2 nhà máy cách nhau 10 km thì chúng ta có thể xây dựng 100 nhà máy như trên.
Khi hệ thống mạng lưới điện tiêu thụ còn khó khăn thì dùng điện để điện phân sản xuất hydro lõng đóng chai và ô-xy.
Theo công nghệ hiện nay trên thế giới, dùng 55 kwh điện phân được 1 kg hydro lõng và khoãng 0.5 kg ô-xy lõng. Giá thành hydro lõng tại Nhật 10 USD /1 kg. Tại Việt Nam giá ô-xy lõng 1USD/1 kg.
Sản xuất, khai thác, phá hủy
Trống quay được sản xuất tại nhà máy và đưa vào công-tai-nơ để vận chuyển đến nơi lắp ráp.
Khối bê tông mô-đun lớn được đúc ở ụ nổi hay ụ chìm. Sau khi đúc xong thì thả nổi trên mặt nước. Các mô-đun lớn được kéo đến nơi khai thác để đánh chìm. Mô-đun lớn được gắn với đáy biển bằng các cọc bê tông cốt thép. Trống quay được đưa xuống biển để lấy năng lượng và kéo lên để bảo dưỡng. Khối bê tông có hệ thống ống để phun áp lực làm sạch hà theo định kỳ. Hết thời gian khai thác thì nhổ cọc, hút nước, các khối bê tông nổi lên và được kéo đến nơi phá hủy.
Miền Trung của Việt Nam có các nguyên liệu để thực hiện sản xuất các thùng bê-tông cốt thép.
Trống quay được sản xuất ở nhà máy với vật liệu chịu ăn mòn của nước biển và hà.
Mô hình thí điểm và khai thác với quy mô nhỏ
Phương pháp thí nghiệm ngoài tự nhiên bằng sử dụng mô-đun di động trên hệ thống cọc.
Mỗi mô-đun có 7 cọc để gắn chặt mô-đun với đáy biển. Cọc được chọn với đường kính d= 300 mm bằng bê tông cốt thép.
Hình 13 : Khung di động cho máy thí nghiệm ngoài tự nhiên.
Hình 14 : Khung di động và cọc với máy thí nghiệm
Hình 15 : Một mô-đun của nhà máy Điện hải lưu với quy mô nhỏ.
Độ dài cọc tùy yêu cầu của vùng nước khai thác.
Chân cọc được ghim vào đáy biển.
Đầu cọc là giá đở hệ thống máy phát điện, nhà vật tư và phòng điều hành.
Có thế có các các cọc phụ ngoài các cọc xuyên qua mô-đun.
Mô-đun di động được chế tạo bằng composite hoặc bằng inox.
Khi khai thác với quy mô không lớn, có thể sử dụng hệ thống cọc .
Khi khai thác với quy mô lớn thì nên sử dụng thùng chìm băng bê tông cốt thép để thuận cho sản xuất công nghiệp và giảm chi phí đóng cọc ngoài biển.
Kết luận
Tài nguyên động năng dòng hải lưu ở bờ biển miền Trung Việt Nam là tài nguyên đặc biệt chỉ có ở Việt Nam vì hội tụ rất nhiều các yếu tố tự nhiên. Dòng hải lưu ở miền Trung mang năng lượng từ vũ trụ như ánh nắng mặt trời, trạng thái quay của trái đất. Nếu không có mặt trời hay trái đất quay ngược lại, nguồn năng lượng trên sẽ không còn ở bờ biển miền Trung Việt Nam.
Phương pháp lấy động năng dòng chảy tự nhiên bằng “ Trống quay” là cách tiếp nhận tối đa động năng của lượng nước ( m) đang di chuyển. Máy phát điện không chỉ giúp phát điện mà còn giúp chống xói lỡ bờ biển, bờ sông…
Phát điện bằng cách sử dụng sự chênh lệch cao độ giữa hồ nước và máy phát sẽ tạo ra các đập thủy điện nguy hiểm cho con người như đập Tam Hiệp ở Trung Quốc.
Với kết quả nghiên cứu trên, Việt Nam hoàn toàn đủ các yếu tố để tạo ra năng lượng điện với giá rẽ cung cấp cho nội địa và xuất khẩu.
Với phương pháp “Trống quay” loài người có thể khai thác động năng các dòng chảy tự nhiên từ nguồn, theo nhiều bậc đến khi dòng nước chảy ra biển.
Các hồ nước tập trung cho mục tiêu nông nghiệp, sử dụng cho con người và điều tiết lũ./.
