Điện năng từ nguồn hải lưu ở Việt Nam – KS Doãn Mạnh Dũng
Hình1 : Dòng chảy là khối nước di chuyển có hướng với chiều rộng và chiều sâu. Tốc độ trên mặt là cao nhất.
- Động năng của vật di chuyển
E= 0.5 mv2
Bất cứ một vật rắn hay lõng di chuyển đều mang theo một nguồn năng lượng. Nguồn năng lượng đó gọi là động năng.
Động năng được tính toán bằng công thức :
E= 0.5 m v2
Trong đó :
E : năng lượng của vật khi di chuyển.
m : khối lượng của vật.
v : tốc độ của vật
Vì nước biển có tỷ trọng nặng hơn không khí 830 lần nên dòng chảy tự nhiên có nguồn năng lượng rất lớn dù tốc độ thấp.
Với dòng chảy của nước, khối nước di chuyển có chiều sâu và chiều ngang. Trên thực tế dòng tầng mặt luôn luôn cao hơn dòng phía dưới.
- Động năng nước và gió là tài nguyên đặc biệt của Việt Nam
Nước và gió di chuyển vì có hiện tượng chênh lệch nhiệt. Việt Nam có vị trí địa lý kéo dài theo kinh tuyến và có bờ biển nên Việt Nam sở hữu rất lớn tài nguyên động năng nước và gió.
- Dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam
- Dòng hải lưu tầng mặt ở miền Trung Việt Nam
Gió mùa Đông Bắc hình thành trong 8 tháng /năm. Gió mùa Đông Bắc đã tạo ra dòng chảy mặt theo hướng Bắc-Nam dọc theo bờ biển Đông Việt Nam.
- Dòng hải lưu tầng đáy ở miền Trung Việt Nam
3.2.1 Do chênh lệch nhiệt giữa Xích Đạo và Bắc Cực nên hình thành dòng hải lưu tầng đáy trong 365 ngày/năm theo hướng Bắc-Nam từ Bắc Cực về Xích Đạo.
3.2.2 Do trái đất quay từ Tây sang Đông nên dòng hải lưu tầng đáy vừa di chuyển theo hướng Bắc-Nam theo mục 3.2.1 vừa di chuyển theo hướng từ Đông sang Tây.
Ở Bắc bán cầu, chỉ có bờ Tây của đại đương mới hình thành dòng hải lưu tầng đáy. Vì vậy bờ biển Châu Âu không có dòng hải lưu tầng đáy.
3.2.3 Do bờ biển Tây Thái Bình ở Bắc bán cầu lệch dần về hướng Tây khi tiến về Xích đạo nên dòng hải lưu tầng đáy tích tụ được năng lượng và đem đến miền Trung Việt Nam. Còn bờ biển Florida của Mỹ bị bán đảo Florida ngăn chặn nên nguồn năng lượng dòng hải lưu tầng đáy phía Đông nước Mỹ đã tạo ra những hiện tượng bí hiểm ở Tam giác quỷ Béc-mu-đa.
3.2.4 Do trái đất hình tròn, bán kính trái đất tăng khi gần Xích đạo nên dòng chảy theo hướng Bắc- Nam tăng tốc độ khi tiến gần về Xích đạo.
3.3 Sự cộng hường dòng tầng mặt và dòng tầng đáy
Sự cộng hưởng dòng tầng mặt và dòng tầng đáy đã tạo ra dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam với động năng dòng hải lưu mạnh nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương có 6 đặc tính cơ bản thuận lợi cho khai thác công nghiệp :
1/ Gần bờ.
2/ Vùng nước nông.
3/ Hướng dòng khá ổn định theo hướng Bắc-Nam . Dòng tầng mặt 8 tháng /năm. Dòng tầng đáy 365 ngày/năm.
4/ Tốc độ dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam là cao nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương.
5/ Độ rộng của dòng rất lớn. Tại cửa sông Gianh đạt đến 20 km.
6/ Độ dài dòng hải lưu đạt đến 1000 km từ Hòn La – Quảng Bình đến Mũi Né – Bình Thuận.
Ở Cà Mau có thể khai thác động năng dòng hải lưu ở Hòn Khoai và phía Bắc mũi Cà Mau vừa cung ứng điện, vừa bảo vệ bờ biển Đông tỉnh Cà Mau.
Đây là nguyên nhân giải thích vì sao ĐBSCL nhận năng lượng nhiều hơn đồng bằng Hà Lan ở châu Âu và đồng bằng Mississibi ở Bắc Mỹ.
- Thế giới nhận xét về Tài nguyên động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam
Đầu tháng 6/2016, nhóm đối tác Mỹ đã gửi đến tác giả tài liệu “Cheng re”, trong đó xác định động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam là cao nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương.
Trong 12 điểm nghiên cứu của nhóm Mỹ và Đài Loan thì Việt Nam có 7 điểm tập trung động năng dòng hải lưu với tốc độ cao như bảng sau :
Hình 2 : Khảo sát 12 điểm ở bờ Tây Thái BÌnh Dương, miền Trung Việt Nam có 7 điểm với tốc độ dòng chảy là cao nhất.
- Phương pháp truyền thống trên thế giới chuyển đổi động năng dòng chảy tự nhiên thành điện năng.
Các máy phát điện truyền thống hiện nay trên thế giới, được đặt trong dòng chảy tự nhiên đều có những cánh quạt theo mô hình như sau :
Hình 3 : Mô hình cánh quạt truyền thống lấy năng lượng dòng chảy tự nhiên trên thế giới.
Có ba nhược điểm chính của các máy phát điện sử dụng cánh quạt truyền thống trên là :
6.1 Để cánh quạt quay, dòng chảy phải tác động vào cánh quạt. Như vậy cánh quạt chỉ lấy được nguồn năng lượng di chuyển qua phạm vị hoạt động của cánh quạt.
6.2 Cánh quạt có trọng lượng vì sức hút của trái đất, như vậy năng lượng của dòng chảy đã phải cung cấp phần năng lượng không hữu ích để khắc phục trọng lượng của cánh quạt khi quay.
6.3 Máy phát điện đặt trong nước nên phải kín nước. Chi phí để cho mục tiêu giữ kín nước là rất lớn và chi phí bảo dưỡng cũng lớn.
Phương pháp “Trống quay ” của Việt Nam chuyển đổi động năng dòng chảy tự nhiên thành điện năng.
- Dòng chảy một chiều
Dòng chảy một chiều như dòng sông nơi không chịu ảnh hưởng thủy triều, dòng hải lưu, dòng đuôi của các thủy điện sử dụng thế năng hồ chứa nước.
- Dòng chảy hai chiều
Dòng chảy hai chiều như dòng thủy triều.
Ở Việt Nam thủy triều ở vịnh Bắc Bộ là nhật triều và cao nhất là 5 m. Ở bờ biển Đông Việt Nam ở Nam Bộ thủy triều là bán nhật triều cao nhất là 5 m. Ở bờ biển Tây Nam bộ thủy triều là nhật triều và cao nhất là 1.8 m
Các yếu tố trên chỉ ra nguồn động năng thủy triều ở bờ biển Việt Nam là thấp.
Nguyên lý máy phát điện bằng “Trống quay “
Cánh quạt có dạng hình trống.
Hình 4 : Cánh quạt nhận năng lượng là phao hình trụ nổi lơ lững trong nước.
Hình 5 : Trục của phao có dạng ống quay quanh một trục cố định gắn trên khung che. Khung che cho phép phao quay theo 2 chiều.
Bên trong có hệ thống khung chắc chắn để đỡ võ của trống quay.
Hình 6 : Khung của phao nổi được bọc tôn có gờ đặt lực cho dòng chảy.
Hình 7 : Gờ đặt lực ở võ trống
Hệ thống khung bên trong gồm 4 hình nón như Hình 6.
Trong các hình nón có độ rỗng để lực Ác-si-mét nâng trống nỗi lơ lững trong nước.
Võ trống là tấm tôn có gờ để nhận lực từ dòng chảy.
Hình 8 : Một mô-đun nhỏ nhận năng lượng từ dòng chảy 1 chiều gồm 2 cột trống , có thể lấy hết năng lượng theo chiều sâu.
Hình 9 : Sơ đồ cơ của máy phát điện cho dòng chảy 1 chiều
Khung trống che trống dọc theo trục với nữa hình trụ.
Khung được làm bằng bê tông cốt thép đặt lên đáy vùng nước.
Khung được đổ cát vào trong các thùng rỗng để tăng trọng lượng và ghim chặt với đáy vùng nước bằng hệ thống cọc.
Mỗi mô đun gồm hai cột trống và lấy hết năng lượng theo chiều sâu.
Hình 10 : Một mô-đun lớn gồm 7 mô-đun nhỏ và cho phép sinh vật biển di chuyển qua.
Hinh11 : Hình 3 D của một mô-đun lớn có kích thước B= 39,4m ,L= 26m, H=22,4 m
Tầng đáy cho sa bồi di chuyển qua.
Tầng tiếp nhận động năng ở hình trên cao 10 m
Phía trên tầng nhận động năng là tầng thủy triều lên xuống. Tùy vị trí có biên độ thủy triều khác nhau sẽ có cao độ khác nhau.
Trên cùng là tầng đặt máy phát điện, hệ thống cơ học, điều khiển.
Để kết hợp với hoạt động du lịch có thể tạo ra tầng khách sạn phía trên cùng.
Khối bê tông lớn được đúc ở ụ nỗi hay ụ chìm. Sau khi hoàn thành thả nổi lên mặt nước. Khi thi công thì kéo đến vị trí để đánh chìm.
Hệ thống trống được thả xuống khi bắt đầu khai thác.
Khi hết thời gian khai thác có thể cho nổi lên, kéo đến vị trí phá hủy.
Hình 12 : Kết cấu bên trong phòng nhận năng lượng của mô-đun lớn
Khi bố trí hai hàng mô-đun so le thì có thể lấy tối đa động năng dòng chảy theo chiều ngang.
Sinh vật biển có thể di chuyển an toàn qua các hệ thống tiếp nhận năng lượng.
Hình 13 : Sự kết hợp 10 mô-đun lớn thành 1 nhà máy với diện tích mặt nước B= 394m ,L= 26m, H=22.4 m
Trống quay có nguyên lý đối xứng hai chiều nên có thể sử dụng cho cả dòng chảy 1 chiều và 2 chiều. Với dòng hai chiều cần thiết kế gờ đặt lực của dòng chảy sao cho tối ưu.
Nguyên lý hoạt động : dòng chảy tác động vào trống tạo ra mô-men quay làm quay trống. Trục đứng của trống kéo hệ thống phát điện phía trên mặt nước để tạo ra điện.
Với nguyên lý trên, về lý thuyết trống quay có thể quay với mọi tốc độ của dòng chảy.
- Phương pháp tính toán
Chọn trống quay tiêu chuẩn có đường kính 2 m và cao 2m sẽ giúp giảm giá thành trong quá trình vận chuyển nhờ có thể đưa trống vào trong công-ten-nơ.
Diện tích mặt cắt nhận lực của 1 trống là 1m x 2 m = 2m2
Một mô-đun nhỏ gồm 2 cột trống.
Một tầng trống có độ sâu 2 m.
Khai thác độ sâu 10 m cần 5 tầng trống.
Một mô-đun lớn được bố trí 7 mô đun nhỏ và được bố trí thành 2 hàng như hình vẽ.
Một mô-đun lớn có kích thước như hình vẽ :
Chiều rộng từ bờ ra : B =39,4 m
Chiều dài theo hướng dòng chảy : L = 26 m
Chiều cao từ đáy mái che khu vẹc điều hành : H = 22,4 m
Một nhà máy như ví dụ ở đây có 10 mô đun lớn với chiều rộng 394m, chiều dài 26m, chiều cao 22,4m
Với tốc độ giả định 1m/s, mỗi giây có 2 m3 nước tác động vào trống tạo nguồn năng lượng
E= 0,5 x 2 x 9800 N = 9800 N
9800 N di chuyển trong 1 giây cho nguồn năng lượng 9800 Jun/ s = 9800 w
Hiệu suất chuyển đổi dự kiến của tuabine khoảng 71,4 %
Một trống tạo ra công suất 7000 w/s hay 7 Kw/s.
Một cặp trống tạo ra công suất 14 kw/s.
Khi khai thác cột nước 10m thì cần 5 tầng trống. Mô đun lớn có 7 mô-đun nhỏ nên công suất của mô đun lớn là :
E = 14 x 5 x 7 = 490 KW/s hay 0,49 MW/s
Một nhà máy gồm 10 mô-đun lớn tạo ra công suất :
P = 10 x 0,49 MW/s = 4,9 MW/s
Nhà máy chiếm diện tích mặt nước :
394 m x 26 m = 10.244 m2
Công suất chia cho 1 m2 mặt biển trong 1 giây đạt :
4,9 MW/s = 4.900.000 W/s
4.900.000W/s : 1.0244 m2 = 478,32 W/s
Như vậy 1 m2 mặt nước biển trong 1 giờ cung cấp được :
478,32 W/s x3600 s = 1.721.983 W= 1.721 KWh
Hiện nay trên thế giới người ta dùng 55 KWh điện phân được 1 kg hydro lõng và khoãng 0,5 kg ô-xy lõng.
Giá hydo lõng tại thị trường Nhật : 10 USD/ 1 kg . Giá ô-xy lõng tại Việt Nam : 1 USD/ 1kg.
Như vậy với 1m2 mặt biển trong các điều kiện như trên (độ sâu khai thác là 10 m, tốc độ dòng chảy 1m/s), ta có thể sản xuất
1.721 KWh : 55KWh= 31,29 kg hydro lõng và 15,6 kg oxy lõng
có giá trị tương đương 328 USD trong 1 giờ.
Trong 1 ngày , nguồn thu tính trên 1m2 mặt nước biển là : 328 USD x 24 = 7.872 USD.
- Những thế mạnh và nhược điểm của giải pháp Trống quay.
Với mô hình khai thác như trên, nguyên liệu để tạo ra máy chuyển đổi động năng dòng chảy tự nhiên thành điện năng bao gồm khung bằng bê tông cốt thép, trống quay và các máy phát điện thông dụng được đặt trên mặt nước. Trống quay là vật liệu chính để nhận năng lượng cần chịu nước mặn, hà. Trước mắt sẽ sử dụng inox.
Với các nguyên liệu như trên nên máy phát điện dạng “Trống quay” ít ảnh hưởng đến môi trường. Hệ thống bê tông có thể đưa chúng nổi lên mặt nước và di chuyển đến nơi thanh lý khi đến hết hạn khai thác khoãng 30 năm.
Sinh vật biển có thể di chuyển qua hệ thống mô-đun lớn.
Miền Trung Việt Nam thuận lợi cung ứng các nguyên liệu để sản xuất bê tông cốt thép.
Việc sản xuất chỉ có hiệu quả khi sản xuất với số lượng lớn.
- Sản xuất hydro lõng khi lưới điện chưa đáp ứng nhu cầu tiêu thụ
Để chủ động trong sản xuất khi lưới điện chưa hoàn chỉnh, nhà đầu tư cần đưa sản sản hydro lõng vào dây chuyền sử dụng điện sản xuất được từ động năng dòng hải lưu.
Có thể bố trí thêm các kết cấu bê tông để hình thành cảng cứng nhận võ bình chứa hydro lõng để nạp và xuất khẩu theo đường biển.
- Kết luận :
Nguồn tài nguyên động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam là nguồn năng lượng từ vũ trụ : nhiệt từ mặt trời, trạng thái quay của trái đất. Phương pháp “Trống quay” của Việt Nam rất đơn giản phù hợp với năng lực tự chế tạo của người Việt Nam.
Việc thiết kế và tính toán phù hợp với các nguyên liệu đang có ở miền Trung Việt Nam như cát, đá. sỏi … sắt xây dựng và xi măng. Hệ thống trống quay có thể sản xuất trong dây chuyền tự động và thuận lợi trong vận chuyển. Các công trình vừa phát điện vừa bảo vệ xói lỡ bờ biển và bảo vệ an ninh bờ biển Đông Việt Nam.
Với tài nguyên thiên nhiên và năng lực trí tuệ, người Việt Nam sẽ tạo ra một nguồn điện năng rất lớn cho Việt Nam đáp ứng nhu cầu nền kinh tế xanh với giá thành cạnh tranh. Tác giả tin rằng hướng đi mới này sẽ giúp người miền Trung Việt Nam thêm một nghề mới với rất nhiều việc làm và con người có thể làm giàu ngay trên quê hương mình./.
