Công nghệ máy phát điện mới của Viet Nam bằng dòng hải lưu và dòng chảy đuôi đập thủy điện
1.Đặc tính của dòng hải lưu
Dòng chảy ở biển được gọi là dòng hải lưu. Dòng hải lưu hình thành từ nhiều nguyên nhân,nguyên nhân chính là từ sức hút của mặt trăng đã tạo nên thủy triều, từ gió mùa , từ hiện tượng hoàn lưu do chênh lệnh áp suất trong quá trình hấp thụ nhiệt của mặt trời.
Dòng hải lưu là một khối nước có chiều sâu và chiều rộng di chuyển theo hướng song song với mặt nước. Tốc độ của dòng hải lưu gần mặt nước là cao nhất và giảm dần khi đến đáy.
Cần 6 yếu tố để có hiệu quả cao trong quá trình khai thác động năng dòng hải lưu:
1/ Gần bờ biển : Thuận lợi đưa điện cung cấp cho dân cư.
2.Vùng nước nông : Giảm chi phí khi phải khai thác ở vùng nước quá sâu.
3/ Dòng hải lưu có tốc độ cao : Máy chuyển từ động năng thành điện năng sẽ có hiệu suất cao.
4/ Dòng hải lưu có hướng ổn định: Giải pháp công nghệ có chi phí thấp.
5/ Dòng hải lưu rộng : Thuận lợi cho khai thác công nghiệp.
6/ Dòng hải lưu dài : Thuận cho việc hình thành nhiều trung tâm khai thác công nghiệp.
Các dòng chảy tự nhiên khác trên trái đất như dòng sông, dòng thủy triều, dòng đuôi của các đập thủy điện có đặc tính tương tự của dòng hải lưu.
Hình 1 : Dòng hải lưu màu xanh có chiều rộng , chiều sâu và tốc độ dòng trên cùng cao nhất và giảm dần theo chiều sâu
2.Công nghệ khai thác động năng dòng hải lưu trên thế giới
Nguồn năng lượng của dòng hải lưu được xác định bằng công thức tính động năng của một vật di chuyển.
E= 0.5 mvv
Với công thức trên, nguồn năng lượng tăng theo lủy thừa bậc hai của tốc độ.
Nếu tốc độ của dòng nước từ 1m/s tăng lên 2m/s thì nguồn năng lượng tăng lên gấp 4 lần.
Khai thác điện gió cũng căn cứ công thức trên. Vì nước có tỷ trọng m hơn gió 830 lần nên dù tốc độ dòng nước nhỏ cũng tạo ra một nguồn năng lượng lớn.
Với dòng chảy trên sông, 1 m3 nước sông khi di chuyển với tốc độ 1m/s đem theo nguồn năng lượng là :
E= 0.5 x 1000 kg x 9,8 N x 1m/s x 1m/s = 4900 W
Một lao động có công suất 100 W, như vậy nguồn năng lượng của 1 m3 nước với tốc độ 1m/s có sức mạnh tương đương 49 người.
Vấn đề nan giải với con người là bằng công nghệ nào để chuyển đổi động năng của dòng chảy thành điện năng với hiệu quả tối ưu ?
Thế giới hiện đại hôm nay vẩn sử dụng hệ thống cánh quạt truyền thống đặt trong nước để lấy năng lượng. Cách làm này có 4 nhược điểm chính :
1/ Chỉ lấy được năng lượng của dòng chảy di chuyển qua quỹ tích hoạt động của cánh quạt.
2/ Cánh quạt nào cũng có trọng lượng nên máy càng lớn, trọng lượng cánh quạt làm hiệu suất của máy giảm.
3/ Vì trọng lượng của cánh quạt nên máy bị giới hạn bởi tốc độ tối thiểu của dòng chảy.
4/ Khi máy chuyển đổi từ động năng thành điện năng đặt trong nước thì cần kín nước nên giá thành cao.
.
Hình 2 : Cánh quạt đang sử dụng trên thế giới để chuyển đổi động năng dòng hải lưu thành điện năng.
Hình 2-1 : Cánh quạt khổng lồ khai thác dòng hải lưu trên thế giới. Cách quạt có trọng lượng và chỉ nhận được năng lượng di chuyển qua vùng cánh quạt hoạt động.
Những nhược điểm trên đã ngăn cản loài người phát triển điện hải lưu.
3.Tài nguyên động năng dòng hải lưu ở Việt Nam
3.1 Dòng hải lưu tầng mặt ven biển miền Trung Việt Nam.
Trong cuốn “Tình hình một số yếu tố Khí tượng – Hải Dương vùng biển Việt Nam và lân cận ” của Bộ Tư lệnh Hải quân – năm 1985 có mô tả đầy đủ hiện tượng vật được thả trôi dọc theo bờ biển miền Trung Việt Nam với vệt di chuyển và tốc độ di chuyển từ trang 62 đến trang 76. Ta thấy các vệt trên di chuyển sát bờ biển miền Trung theo hướng Bắc-Nam trong thời gian 8 tháng, gồm tháng 1, 2, 3, 8,9,10,11,12. Đó là thời gian có gió mùa Đông Bắc.
Trong hàng hải, người đi biển đều biết khi chạy tàu từ Bắc xuống Nam thì chạy sát bờ để sử dụng dòng hải lưu để tăng tốc độ con tàu. Còn khi hành trình từ Nam ra Bắc thì cần chạy xa bờ để tránh dòng hải lưu tầng mặt Bắc-Nam.
3.2 Dòng hải lưu tầng đáy Bắc-Nam
Trong quá trình nghiên cứu hệ thống cảng ở bờ biển Đông, tác giả đã phát hiện sự tồn tại dòng hải lưu tầng đáy Bắc-Nam. Khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống mặt biển ở Xích đạo, vùng nước tầng mặt nở ra, vùng nước tầng đáy trồi lên trên. Vùng nước phía trên mặt chảy về phía Bắc Cực còn nước tầng đáy ở Bắc Cực di chuyển về Xích Đạo. Vì trái đất quay từ Tây sang Đông nên dòng dòng hải lưu tầng đáy có hướng từ Đông Bắc xuống Tây Nam, còn dòng hải lưu tầng mặt có hướng Tây Nam- Đông Bắc.
Khi mùa Đông, sự cộng hưởng dòng tầng mặt và dòng tầng đáy đã tạo ra dòng hải lưu Bắc -Nam khá mạnh, thích hợp cho khai thác công nghiệp.
3.3 Dãy Trường Sơn che gió Tây Nam
Nhờ dãy Trường Sơn che chắn nên dòng hải lưu chạy sát bờ biển miền Trung rất ít ảnh hưởng gió Tây Nam và có chiều chính là Bắc -Nam.
3.4 Sự tích lũy động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam
Dòng chảy do gió sinh ra hay do hiện tượng hoàn lưu di chuyển từ phía Bắc Cực đến Xích đạo. Trong quá trình di chuyển trên, bán kính trái đất tăng dần khi tiến về Xích Đạo,năng lượng được tích lũy và tốc độ dài tăng lên ứng với tốc độ dài của vị trí có vĩ tuyến mà dòng hải lưu di chuyển đến. Nhờ bờ biển lục địa phía Đông Châu Á lệnh dần về hướng Tây khi tiến về Xích Đạo nên dòng hải lưu tầng mặt và tầng đáy tích tụ lớn năng lượng khi đến bờ biển miền Trung Việt Nam. Đây là đặc điểm đặc biệt của thiên nhiên đã dành riêng cho đất nước Việt Nam trên trái đất này. Nước Mỹ vì có bán đảo Florida chặn sự di chuyển dòng hải lưu, nên dòng hải lưu ở bờ Đông nước Mỹ bị biến dạng và mất năng lượng.
Với phân tích trên, năng lượng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam là năng lượng vũ trụ, tích lũy được nhờ gió, ánh sáng mặt trời và trạng thái địa lý của bờ biển phía Đông lục địa châu Á.
3.5 Thế giới nghiên cứu dòng hải lưu ở bờ Tây của Thái Bình Dương bằng vệ tinh
Trên trang web www.elsevier.com/locate/renene ,tại trang 737 tác giả Yu-Chia Chang, Peter C. Chu, Ruo- Shan Tseng có viết vào ngày 8/1/2014 và công bố ngày 2/3/2015 :
“the waters near Vietnam is most suitable for the development of current power generation” ( Tạm dịch “Các vùng nước biển gần Việt Nam thích hợp nhất cho sự phát triển Điện hải lưu”.
Tại trang 743 công bố số liệu chi tiết 12 vị trí có dòng chảy cao nhất ở phía Tây Thái Bình Dương, trong đó Việt Nam chiếm 7 vị trí tốt nhất, sau đó mới đến Nhật có 3 vị trí, Đài Loan có 1 vị trí và Philipine có 1 vị trí.
Cả 7 vị trí của Việt Nam đều ở bờ biển miền Trung Việt Nam. Tốc độ cao nhất là 1.26 m/s, tốc độ thấp nhất 1.05 m/s.
Như vậy nghiên cứu của thế giới phù hợp với nghiên cứu của Ks Doãn Mạnh Dũng và KS Doãn Thanh Tùng hoàn thành cuối năm 2014 bằng phương pháp cơ lý thuyết.
Bảng xác định tọa độ và tốc độ dòng chảy ở bờ Tây Thái Bình Dương của các chuyên gia Mỹ và Đài Loan
Hình 2-2 : Ảnh vệ tinh – vệt màu đõ- chỉ rõ dòng hải lưu tầng mặt có tốc độ cao tập trung tại bờ biển miền Trung Việt Nam ( Nguồn : www.elsevier.com/locate/renene)
4.Công nghệ phát điện mới của Việt Nam cho dòng hải lưu
Mọi tài nguyên có thể tìm ra rất sớm. Nhưng để có thể sử dụng chúng loài người cần có công nghệ. Loài người thường sử dụng giải pháp mô phỏng theo thiên nhiên. Với công nghệ Điện hải lưu, tác giả đã phải sử dụng hoàn toàn lý thuyết và giải bài toán từng bước cũng bằng lý thuyết.
Khi nghiên cứu vật quay tối ưu trong nước thì đó là một hình trụ quay quanh trục của chính nó.
Nếu hình trụ có độ rổng bên trong để nhận lực Ác -si-mét thì hình trụ trên sẽ là con quay lý tưởng vì chúng đã được khử trọng lượng.
Hình 3 : Kết cấu của Cánh quạt họ Doãn – Doan blade
Để một hình trụ có thể quay trong nước, ta cần che nữa thân hình trụ để biến động năng của nước thành mô-men quay.
Thân hình trụ có các lưỡi nhận lực thích hợp từ dòng chảy.
Với mô hình trên, máy có trục đứng, phần cánh quạt nằm trong nước, phần phát điện nằm trên mặt nước.
Hình 4-1 Máy thí nghiệm 1 , nhìn ngang
Hình 4 : Máy thí nghiệm thứ nhất-Nhìn từ trên
Trống quay là một chiếc bánh xe đạp đã được bơm đầy không khí. Khi không có không khí, bánh không nổi, thì trống không thể quay. Hệ thống phát điện nằm trên mặt nước.
Hình 5-1 Máy thí nghiệm thứ 2 – sơ đồ bố trí trống quay với dòng chảy di chuyển giữa 2 trống
Hình 5-2 Máy thí nghiệm thứ 2 – nhìn từ phía trên
Hình 5 : Máy thí nghiệm thứ hai- ảnh chụp từ phía ngoài
Máy gồm 2 trống. Dòng nước chảy giữa 2 trống. 2 trống quay ngược chiều nhau.
Trống quay được chế tạo bằng sắt, có đường kính 27 cm, sâu 52 cm. Trống thứ 1 nặng 4,6 Kg, trống thứ 2 nặng 4,65 kg.Bên trong trống có chứa các cao su để trống nổi lơ lững trong nước. Hệ thống phát điện nằm trên mặt nước.
Hình 5-1 : Trống quay của máy thí nghiệm thứ hai nặng 4,65 kg nhưng quay rất tốt trong nước.
Hình 6 : Máy phát điện với 2 trống cho dòng chảy 2 chiều ( thủy triều lên và xuống)
Như vậy mỗi mô-đun có hai trống quay và có hình dáng tối ưu của một vật nằm trong nước. Mô hình trên sử dụng cho dòng hải lưu có 2 chiều ngược nhau như thủy triều. Tùy theo dòng hải lưu 1 chiều hay 2 chiều và tốc độ của dòng, cũng như sóng và gió để điều chỉnh có mô hình và kích thước tối ưu.
Mỗi mô đun có thể tiếp nhận tối ưu nguồn năng lượng theo chiều sâu.
Để có thể tiếp nhận tối ưu nguồn năng lượng theo chiều ngang , ta cần bố trí các mô đun phát điện theo hai hàng như hình sau.
Hình 7 : Với 2 hàng máy, có thể lấy tối đa năng lượng theo chiều ngang của dòng chảy
Mô hình trên với khoãng cách hợp lý giữa 2 trống sẽ không ảnh hưởng đến sự di chuyển của thủy sinh và rác thải.
5.Việt Nam sẽ đủ điện để sử dụng và xuất khẩu khi khai thác động năng dòng hải lưu ở miền Trung.
Dòng hải lưu dài 1000 km từ Hòn La – Quảng Bình đến mũi Kê Gà- Bình Thuận qua 11 tỉnh gồm : Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên -Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận.
Trên phương diện lý thuyết, máy phát điện theo công nghệ trống quay của Việt Nam sử dụng mô-men quay tác động vào một vật nổi trong nước nên máy có thể quay với mọi tốc độ của dòng chảy. Vì vậy tác giả tin rằng tất cả 11 tỉnh miền Trung đều có thể hình thành các nhà máy phát điện bằng dòng hải lưu. Khi các nhà máy trên được khai thác có hiệu quả thì chắc chắn Việt Nam hoàn toàn đủ điện dùng và có thể xuất khẩu điện năng từ dòng hải lưu qua Lào, Kampuchia và Thái Lan.
6. Nguồn tài nguyên dòng chảy đuôi của các đập thủy điện trên thế giới là thị trường hấp dẩn với công nghệ điện hải lưu của Việt Nam
Nguồn tài nguyên động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam là nguồn tài nguyên đặc biệt quý hiếm và vô cùng lớn. Việc chuyển động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam thành điện năng là mục tiêu lâu dài của người Việt Nam. Việc người Việt Nam tìm ra công nghệ “trống quay” để khai thác động năng dòng hải lưu cũng có thể được ứng dụng để khai thác động năng dòng đuôi của các đập thủy điện trên thế giới. Đó là thị trường đang mở và sẳn sàng đón nhận công nghệ của Việt Nam vì tính hiệu quả của nó và thích hợp với việc bảo vệ môi trường.
Công nghệ Điện hải lưu của Việt Nam chấp nhận cạnh tranh với mọi công nghệ khác.
7.Các bước thực hiện
Chúng tôi đã hoàn thành 2 thí nghiệm chứng minh cánh quạt bằng “Trống quay” trong Công nghệ Điện hải lưu của Việt Nam là tối ưu khi khai thác động năng dòng hải lưu.
Nay cần thực hiện tại hạ lưu thủy điện Trị An.
Mô hình máy phát điện sẽ thực hiện tại đuôi thủy điện Trị An như sau :
Hình 8 : Máy phát điện cho dòng chảy 1 chiều với 2 trống quay
Hình 8-1 Với các dòng đuôi của các thủy điện trên thế giới sẽ khai thác tối đa động năng bằng bố cục 3, 5, 7, 9 … môđun máy phát điện như hình trên.
Giả thiết , chọn vùng nước sau thủy điện Trị an nơi có v=1m/s .
Trống quay có thiết kế : đường kính 2m, sâu 2m. Mặt nước sử dụng : ngang 4,2m, dài 6m.
Mô hình được tính toán với độ sâu khai thác 2m, 4m và 6 m.
Dòng chảy tác động vào trống quay gồm 2 dòng : dòng chảy thẵng vào trống quay và dòng tác động vào tường hướng dòng, sau đó đổi hướng rồi tác động vào trống quay.
Việc xây tường hướng dòng sẽ tăng chi phí đầu tư nên sẽ có sự cân nhắc giữa lợi ích và chi phí cho từng mục tiêu cụ thể. Vì vậy với mô hình nguyên lý tổng thể, tác giả bõ qua hiệu suất máy tăng lên nhờ có tường hướng dòng.
Để tính công suất đạt được của máy phát điện khi chưa chạy được mô hình trong thực tế, tác giả căn cứ nguyên lý bảo toàn năng lượng và ước tính hiệu quả hoạt động của máy phát điện. Để đơn giản trong ước tính, ta coi tốc độ dòng chảy là giống nhau v = 1m/s ở các lớp nước sâu 2m, 4m và 6m .
Với kích thước của trống quay có đường kính 2 m, cao 2m và được che như Hình 6, diện tích mặt cắt nhận động năng dòng chảy có tiết diện : 1 m x 2 m = 2 m2.
Vì tốc độ 1 m/s nên trong 1 giây có 2 m3 nước tác động vào trống tạo nên mô-men quay. Hay nói cách khác, trong 1 giây máy nhận được một nguồn năng lượng là :
E= 0.5 mvv = 0.5 ( 2 m3 x 1000 kg x 9,8 N ) x1 X 1 = 9800 N/s = 9800 Jun/ s = 9800W
Ghi chú : 1 m3 nước ngọt = 1000 kg; 1 Kg = 9,8 N
Tính công suất theo giờ ta có 1 trống quay tiếp nhận nguồn năng lượng như sau :
P = 3600 x 9800 W = 35.280.000 W/h = 35,28 Megawatt/h
Dự kiến hiệu suất của máy là 63 % ta sẽ có công suất của 1 trống là 22,2264 MW/h
So sánh với điện gió :
Một cột điện gió có công suất 4.5 MW/ h. Một mô-đun máy phát điện bằng dòng hải lưu khai thác dòng chảy có tốc độ 1m/s, chiếm diện tích mặt nước với chiều ngang 4,2m , sâu 6m, chiều dài 8 m thì có thể cung cấp nguồn năng lượng tương đương 29 cột điện gió (133,584 : 4,5 ) khi hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt 63%.
Số liệu trên báo trước một sự thay đổi ngoạn mục của Điện hải lưu đối với cuộc sống của con người.
Con đường của tương lai đang rộng mở. Tác giả vẩn thận trọng với từng bước phát triển. Bước đầu tiên cần hoàn thiện chiếc máy tại hạ lưu thủy điện Trị An. Sau đó sẽ là chiếc máy chạy ngay bờ biển Đông Việt Nam.
8.Kết luận
Mọi tính toán cũng chỉ là lý thuyết. Khi chiếc máy đã chạy ổn định thì đó mới là sự thật. Nhưng với người trí thức, bằng lô-gíc trong tư duy sẽ cho chúng ta niềm tin để có thể chạm tay đến giấc mơ và khát vọng.Mong rằng với tư duy này, người nghèo Việt Nam có thể trở thành con chim phượng hoàng ngay trên quê hướng của chính mình.
Với Hình 8, các công nhân cơ khí đều có thể chế tạo thành công máy phát điện bằng dòng chảy tự nhiên.
Một xã hội chỉ có thể phát triển khi mọi người đều có nghĩa vụ lao động nghiêm túc với công việc của chính mình. Vì vậy bản quyền trí tuệ cần được tôn trọng.
KS Doãn Mạnh Dũng & Doãn Thanh Tùng
