Nghiên cứu máy phát điện bằng dòng chảy tự nhiên ở hạ lưu thủy điện Trị An
Đó là hướng đi đúng để giảm dần với các nguồn điện từ than hay từ thủy điện. Vì điện có nguồn từ than đã tạo ra ô nhiểm trái đất còn điện có nguồn từ thủy điện như đập Tam Hiệp, hay các đập trên sông Mê Kong , sông Hồng… đã làm thay đổi môi trường sống của con người. Khi môi trường sống của con người thay đổi, có nghĩa cái ăn, nước uống, không khí thay đổi … dẩn theo bệnh tật… không lường hết được. Các loại điện tái tạo như điện gió, điện mặt trời và điện sinh khối hiện có giá thành cao, chưa kể những đặc tính hạn chế của chính nó. Như điện mặt trời sẽ che phủ hệ thảm thực vật phía dưới nó. Điện gió chiếm diện tích cư trú của con người nếu làm trên đất liền. Chưa kể đến chi phí môi trường khi chế tạo và chi phí sử lý chúng khi hết tuổi thọ hoạt động. Mọi sự việc đều có hai mặt của nó và con người luôn chấp nhận và tìm cách sử dụng mặt thuận và hạn chế mặt trái. Đó là con đường đi đến sự văn minh.
Tôi tin rằng, con người nên cần ưu tiên trí tuệ và tài chính dành cho nguồn điện từ các dòng chảy tự nhiên trên trái đất. Các dòng chảy tự nhiên trên trái đất như dòng sông, thủy triều, hải lưu, dòng chảy sau đuôi các thủy điện…là những nguồn năng lượng xuất hiện nhiều nơi trên trái đất và khi sử dụng rất ít ảnh hưởng đến môi trường nên cần sớm được khai thác để phục vụ cho con người.
Nhân đây tôi xin nhắc lại để các nhà quản lý đất nước biết rằng : Do nhiều đặc điểm địa lý hội tụ tại Việt Nam, bờ miển miền Trung Việt Nam là nơi tập trung nguồn động năng dòng hải lưu rất thuận lợi cho khai thác công nghiệp.
Nhưng bằng cách nào để sử dụng nguồn năng lượng trên ?
Ngày 13/9/2019, tại Hội thảo “Phát triển bền vững kinh tế biển ở các tỉnh, thành duyên hải miến Trung và phía Nam dựa trên lợi thế so sánh ” tổ chức tại Trung tâm Hội nghị của thành phố Phan Thiết- Bình Thuận do Tạp chí Cộng sản và Tỉnh ủy tỉnh Bình Thuận tố chức, tác giả đã trình bày những nguyên lý cơ bản sử dụng nguồn năng lượng dòng chảy tự nhiên.
Ngày 4/10/2019 , Viện Nghiên cứu biển và hải đảo (Vietnam Institute of Seas and Islands) tô chức tọa đàm về thực trạng và chính sách về Năng lượng tái tạo và Năng lượng dòng chảy. Tác giả được mời trình bày điện năng từ dòng chảy tự nhiên đã thu hút được sự quan tâm của giới khoa học trẻ.
Hôm nay tác giả muốn chuyển đến bạn đọc những thông tin tổng quan và tiến độ phát triển.
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu nguồn năng lượng từ dòng chảy tự nhiên. Nhưng tất cả các nghiên cứu trên đều sử dụng tua-bin truyền thống, có nghĩa là cánh quạt có trục ngang hoặc trục đứng quay trong nước.
Các hình H1 ( trục ngang ), H2 ( trục đứng ), H3 ( trục ngang ) là loại hình cách quạt có trục ngang hoặc trục đứng đặt trong nước theo truyền thống và chúng có trọng lượng do sức hút của trái đất.
Các loại cánh quạt truyền thống đều có trọng lượng của chính nó. Đây là nhược điểm chính của các giải pháp truyền thống.
Ks Doãn Mạnh Dũng là người đầu tiên đề xuất loại tua-bin mới, khác biệt về nguyên lý truyền thống nhưng đạt hiệu quả tối ưu.
Ta biết, mọi vật dù ở trong không khí hay trong nước đều có trọng lượng. Trọng lượng đó bị sức đẩy Ac-si-mét nâng lên bằng trọng lượng không khí hay nước mà vật đó chiếm chổ. Trọng lượng nước nặng gấp 830 lần không khí. Một vật chuyển động trong nước vừa phải thực hiện nhiệm vụ của mình là kéo máy phát điện vừa phải khắc phục trọng lượng của chính mình, thì rõ rằng hiệu năng của máy sẽ thấp. Vì vậy khi khử được trọng lượng của vật, thì hiệu suất của máy sẽ được tăng cao. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa tua-bin truyền thống và tua-bin do người Việt Nam phát minh.
Từ nguyên lý trên, giải pháp tua-bin mới với cánh quạt nhận năng lượng là những cái trống có độ rổng thích hợp ở bên trong, để chúng lơ lững trong nước và quay khi có dòng chảy tác động. Cánh quạt trên được gọi là “Doan Blade” để tri ân dòng họ Doãn đã dạy dổ tác giả nên người và đồng thời khẵng định người Việt Nam đã tìm ra tua-bin mới này. Dòng chảy tác động vào trống và tạo ra mô-men quay. Phương pháp quay cánh quạt bằng mô-men giúp hệ thống máy phát điện về lý thuyết có thể hoạt động với mọi tốc độ của dòng chảy.
Trong thực tiển, dòng chảy luôn luôn có rác hoặc các sinh vật lớn nhỏ. Vì vậy mô hình máy phát điện cho dòng chảy tự nhiên buộc phải có khả năng chống sự phá hoại của rác hay sinh vật, vừa bảo vệ máy vừa bảo vệ môi trường. Tác giả đưa ra mô hình máy phát điện bằng dòng chảy tự nhiên như sau.
Mô hình tua-bin mới sử dụng cánh quạt họ Doãn ( Doan blade ) như sau :
Kích thước của khung và trống quay của máy thí nghiệm đã được chọn cho giải phải tối ưu khi vận chuyển với giá thành thấp nhất.
Trống có kích đường kính 2 m và sâu 2 m. Khung máy có kích thước chiều dài L = 5700 mm và chiều rộng B = 2260 mm, chiều cao H = 2100 mm.
Với kích thước trên, khung và trống có thể đặt trong container 20′ để di chuyển từ nơi chế tạo đến nơi lắp đặt.
Mô hình thí nghiệm đầu tiên dự kiến sẽ đặt tại hạ lưu của thủy điện Trị An hoặc ở hạ lưu một thủy điện nào đó.
Trong mô hình thí nghiệm bao gồm 3 giai đoạn.
Giai đoạn 1 gồm 1 cặp tua-bin với vùng mặt nước có kích thước ngang và dọc theo dòng chảy B x L =24 m x 28 m = 672 m2.
Vùng nước sử dụng được chia thành các ô vuông và kết nối với nhau bằng các cọc cách nhau 4 m x 4m.
Hệ thống cọc chia đều lực dẩy của nước và giữ hệ thống tua-bin cố định với giá đỡ.
Mặt bàng bố trị 1 cặp tua-bin trong giai đoạn 1 :
Giai đoạn 2, cũng sử dụng vùng mặt nước của giai đoạn 1, lắp thêm 2 cặp tua-bin như hình sau.
Vùng nước thí nghiệm cần có tốc độ tối thiểu 1m/s, độ sâu 2,5- 3,5 m và đáy có thể đóng cọc. Tốc độ dòng chảy càng cao, lượng điện có công suất càng lớn.
Mặt bằng bố trí 3 cặp tua-bin trong giai đoạn 2 :
Mô hình 3 D của 3 cặp tua-bin
Công suât dự kiến của máy thí nghiệm có hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 70 %.
Các trống hoạt động độc lập lới nhau. Với tốc độ dòng chảy 1m/s, mỗi trống có một dynamo phát điện với công suất 7 KW. Như vậy máy phát điện với cặp trống đầu tiên có công suất 2 x 7 KW = 14 KW.
Sau khi các máy hoạt động ổn định là giai đoạn 2 lắp đầy đũ 3 cặp trống, thì tổng công suất của máy phát điện là : 3 cặp x 2 trống x 7 = 42 KW.
Giai đoạn 3 : Trong điều kiện nền móng địa chất tốt, máy thí nghiệm có thể nâng lên 5 cặp trống quay theo mô hình như sau
Mô hình 3D của hệ thống 5 cặp máy phát điện như sau :
Như vậy hệ thống máy thí nghiệm có thể đạt được công suất lớn nhất là :
5 cặp x 2 trống x 7KW = 70 KW
Với công suất 70 KW, hệ thống máy thí nghiệm chỉ chiếm diện tích 24m x 28m mặt nước với độ sâu khai thác 2 m nước và tốc độ dòng chảy 1m/s. Nếu tốc độ dòng chảy 2 m/s thì công suất tăng gấp 4 lần. Khi độ sâu tăng gấp đôi, trống quay từ 2 m thành 4m thì công suất tăng gấp đôi.
Máy phát điện sử dụng trống quay theo từng cặp, có trục đứng và nhiều máy được bố cục như ở giai đoạn 3, đã sử dụng tối ưu năng lượng của dòng chảy tự nhiên theo chiều ngang và cả theo chiều sâu. Mô hình tua-bin kiểu mới này đã vượt xa mọi kiểu tua-bin theo truyền thống về hiệu suất của cánh quạt cũng như khả năng tiếp nhận tối đa năng lượng của dòng chảy tự nhiên. Như vậy dòng chảy tự nhiên là nguồn năng lượng vô cùng lớn và có thể khai thác bằng công nghệ cơ khí đơn giản như mô hình trên.
Để máy thí nghiệm có công suất lớn hơn 70 KW, khung trống cần kéo dài với góc dẩn nước 13 độ. Khung có thể vận chuyển bằng container 40′ . Mô hình mặt bàng bố trí như sau :
Mô hình nhìn theo 3D như sau :
Tổng diện tích mặt nước cho mô hình trên là : 24 m x 32 m ( chiều rộng dòng chảy 24 m chiều dài dòng chảy 32 m, độ sâu ít nhất 2,5 m , tốc độ 1m/s. đáy có thể đóng cọc )
Hiện nay trong giai đoạn thí nghiệm nên tạm chấp nhận mỗi trống có một dynamo phát điện. Sau này sẽ sử dụng hệ thống biến thế để kết nối tất cả các dynamo phát điện thành một cụm biến thế chung và kết nối với lưới điện.
Chi phí cho máy phát điện thí nghiệm với phần lớn là dành cho hệ thống cọc. Chúng tôi đã có giải pháp để chi phí cho hệ thống cọc sao cho ít nhất những vẩn bảo đảm an toàn cho hệ thống.
Chiếc máy phát điện đầu tiên sẽ sử dụng các loại vật liệu rẽ tiền. Khi hoạt động ổn định sẽ được thay thế bằng các vật liệu cao cấp ổn định trong môi trường nước.
Để đẩy nhanh tiến độ đưa máy thí nghiệm phát điện bằng dòng chảy tự nhiên ra thực tiển, chúng tôi mong muốn Chính phủ quan tâm và cho phép được làm thí nghiệm tại hạ lưu Nhà máy thủy điện Trị An cũng như các chính sách tài chính thích hợp. Khi có vị trí cụ thể, việc nghiên cứu địa chất thực tế giúp đẩy nhanh tiến độ.
KS Doãn Mạnh Dũng
