Việt Nam sẽ thừa điện nếu dùng động năng dòng hải lưu Biển Đông và công nghệ Việt Nam. KS Doãn Mạnh Dũng
- Phương pháp tư duy để sử dụng tối ưu nguồn năng lượng từ nước.
Loài người có truyền thống xây các hồ chứa nước trên cao, máy phát điện đặt phía dưới mặt nước của hồ. Nước từ trên cao chảy xuống máy phát điện, động năng dòng chảy làm quay máy phát điện. Giải pháp trên gọi là dùng thế năng.
Nguồn năng lượng của nước từ các hồ được xác định bằng công thức :
E = mgh (1)
Trong đó :
E là Nguồn năng lượng dưới dạng thế năng của nước đang được tích trong các hồ thủy điện.
m : Khối lượng của nước tác động vào cánh quạt.
h : Cao độ từ mặt nước của hồ chứa nước đến cánh quạt nhận năng lượng
g : Gia tốc trọng trường.
Trong Công thức (1), ta thấy hàm E là hàm phụ thuộc 2 biến m và h.
Nếu sử dụng nhiều m thì hồ có nguy cơ không đủ nước hay phải mở rộng mặt nước và độ sâu của hồ.
Như vậy tăng m sẽ tăng công suất nhưng làm tăng biến động đối với môi trường.
Nếu tăng h sẽ tăng công suất nhưng tăng nhanh chi phí đầu tư và tăng rủi ro khi vỡ đập.
Trên thế giới, con người đã tăng m và h để được tối đa công suất phát điện như nhà máy thủy điện Tam Hiệp – Trung Quốc với công suất 22 500 MW. Điều đó làm thay đổi rất lớn đến môi trường sống và rất nhiều rủi ro khi có thiên tai như bão, lũ, động đất… và nhất là khi có chiến tranh.
Trách nhiệm của các nhà khoa học là tìm giải pháp để có nhà máy phát điện bằng dòng chảy tự nhiên có công suất lớn như nhà máy thủy điện Tam Hiệp nhưng không tác động xấu đến môi trường, giảm chi phí đầu tư và giảm cả rũi ro !
Trên trái đất rất phổ biến những dòng chảy tự nhiên 1 chiều ổn định như dòng sông, dòng hải lưu hoặc dòng chảy 2 chiều như thủy triều.
Nguồn năng lượng trong các dòng chảy tự nhiên trên được xác định bằng công thức :
E = 0.5 m v v
Trong đó :
E : Nguồn năng lượng ở trạng thái động năng của dòng chảy khi di chuyển.
m: Trọng lượng của nước di chuyển.
v : Tốc độ của dòng chảy.
Vì trọng lượng riêng của nước biển lớn gấp 830 lần không khí nên động năng dòng hải lưu rất lớn dù tốc độ dòng chảy thấp.
Vấn đề đặt ra là làm sao có thể lấy được nhiều nhất động năng của khối nước đang di chuyển. Khối nước có chiều sâu và chiều rộng.Tốc độ dòng chảy trên cùng là cao nhất, tốc độ dòng chảy tầng đáy là thấp nhất. Dòng chảy tự nhiên khi đổi chiều thì mất rất nhiều năng lượng.
Công nghệ truyền thống hiện nay trên thế giới là đưa cánh quạt nhận năng lượng xuống nước. Cánh quạt chỉ lấy được động năng của dòng chảy khi di chuyển qua vùng hoạt động của cánh quạt. Vì vậy giải pháp công nghệ truyền thống như trên là không có hiệu quả khi chuyển đổi động năng dòng chảy tự nhiện thành điện năng.
Giải pháp chúng tôi đưa ra là cánh quạt hình trống, quay xung quanh trục hình trụ và gọi là “ Trống quay”.
- Cam kết của Việt Nam
Trái đất ấm lên do hiệu ứng nhà kính từ sử dụng nhiên liệu hóa thạch như dầu, than. Việt Nam đã cam kết phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 tại Hội nghị COP26-UK. Để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0, người ta phải tìm nguồn tạo ra điện năng mới, mà quá trình tạo ra nó chỉ sinh ra chất thải ít nhất.
Hình 1: Dòng chảy tự nhiên có chiều sâu, chiều rộng. Tốc độ dòng tầng mặt là cao nhất
- Nguồn Tài nguyên dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam
3.1 Dòng hải lưu tầng mặt.
Việt Nam nằm trong khu vực gió mùa. Gió thổi tác động vào mặt biển và tạo ra dòng hải lưu tầng mặt. Gió mùa Đông Bắc tồn tại 8-9 tháng/năm nên dòng hải lưu tầng mặt cũng tồn tại trong thời gian trên. Dòng hải lưu tầng mặt có hướng Bắc-Nam chạy dọc theo bờ biển miền Trung.
3.2 Dòng hải lưu tầng đáy.
Hình _2 : Thí nghiệm để tìm dòng hải lưu tầng đáy
Dùng hai bình nước C và X có nước với màu khác nhau và mặt thoáng lớn.
Dùng 1 ống nhựa trong để nối nước tầng mặt 2 bình và ống nhựa thứ 2 nối nước tầng đáy 2 bình. Dùng bóng đèn sinh nhiệt chiếu vào mặt thoáng bình X.
Ta thấy dòng chảy tầng mặt từ X đến C và dòng chảy tầng đáy từ C đến X. Khi tăng nhiệt đèn chiếu, tốc độ dòng chảy tăng lên.
Coi C là cực Bắc và X là Xích đạo. Do chênh lệnh nhiệt nên có dòng chảy tầng đáy từ Cực về Xích đạo. Sự di chuyển này độc lập với sự di chuyển quay của trái đất nên dòng hải lưu tầng đáy vừa di chuyển theo hướng Bắc-Nam vừa di chuyển theo hướng Đông-Tây theo quán tính của lực Coriolic. Tại vùng Cực, băng tan khi nhiệt độ t > 00, nhiệt độ nước biển ở Xích đạo 270 – 290 nên tồn tại dòng hải lưu tầng đáy 365 ngày/năm. Sự chênh lệch nhiệt 270 – 290 đã tạo ra dòng hải lưu tầng đáy.
Dòng tầng đáy khi di chuyển về Xích đạo, bán kinh trái đất tăng lên nên năng lượng được tích tụ tăng lên. Do đặc điểm địa lý bờ biển Tây Thái Bình Dương, dòng hải lưu tầng đáy không bị cản trở khi di chuyển từ Cực đến Xích đạo nên bờ biển miền Trung Việt Nam đón dòng hải lưu với tốc độ cao nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương. Dòng chảy tầng đáy có xu hướng tập trung tại vùng biển gần bờ ở bờ biển miền Trung Việt Nam.
Khảo sát của Mỹ và Đài Loan đã cung cấp được số liệu thật từ ảnh vệ tinh.
Trong 12 điểm khảo sát của Mỹ và Đài Loan thì 7 vị trí có dòng hải lưu mạnh đều tập trung ở miền Trung Việt Nam.
Sự cộng hưởng dòng hải lưu tầng mặt và dòng hải lưu tầng đáy đã tạo ra dòng hải lưu có thể khai thác trong 365 ngày/năm.
3.3 Tài nguyên động năng dòng hải lưu được Mỹ, Đài Loan phát hiện bằng vệ tinh
Mỹ và Đài Loan nhận định về Điện hải lưu ở miền Trung Việt Nam
Theo báo cáo của các nhà khoa học Mỹ và Đài Loan, bờ biển miền Trung Việt Nam là nơi đầy đủ các yếu tố để phát triển điện năng tái tạo từ dòng hải lưu theo số liệu như sau :
Bảng 1: Với 7 điểm ở miền Trung Việt Nam có tốc độ dòng chảy cao ở bờ Tây Thái bình dương.
Nguồn từ : www.elsevier.com/locate/renene Renewable Energy 80 (2015)
Hình 3: Vị trí 7 điểm có tốc độ dòng hải lưu cao nhất bờ Tây Thái Bình Dương (V1, V, V3, V4, V5, V6, V7)
Từ các vị trí trên, những điểm có tốc độ dòng hải lưu cao nhất là đoạn bờ có hướng Bắc-Nam song song với đường kinh tuyến. Các điểm trên nằm trên đoạn bờ biển từ Quy Nhơn đến Ninh Thuận.
Về mặt lý thuyết bờ biển miền Trung 1000 km từ Sơn Dương – Hà Tỉnh đến Kê Gà – Bình Thuận đều có thể xây dựng nhà máy phát điện bằng dòng hải lưu.
3.4 Đặc điểm dòng hải lưu ở bò Biển Đông
1/ Gần bờ.
2/ Vùng nước nông,
3/ Tốc độ cao.
4/ Hướng dòng Bắc – Nam ổn định.
5/ Độ rộng dòng hải lưu rất rộng ( 24 km tại cửa Gianh) trên cơ sở vết của dòng chảy còn lại trên bản đồ
6/ Độ dài dòng hải lưu rất dài ( 1000 km từ Hòn La – Quảng Bình đến mũi Kê Gà – Bình Thuận ).
Trên phương diện lý thuyết vì trái đất quay từ Tây sang Đông, dòng tầng mặt có hướng từ Đông Bắc, dòng tầng đáy vừa di chuyển từ Bắc xuống Nam vừa di chuyển từ Đông sang Tây nên dòng hải lưu gần bờ luôn luôn có tốc độ cao hơn.
Yếu tố gần bờ giúp giảm chi phí khi đưa điện vào đất liền, vùng nước có độ sâu thích hợp cho khai thác.
Vì các yếu tố kỹ thuật, mục tiêu ở đây là khai thác dòng nước tầng đáy với độ sâu 10 m, như vậy ta cần chọn nơi có độ sâu khoãng 12-13 m tính từ điểm có thủy triều thấp nhất để đặt máy dưới đáy biển.
Tốc độ dòng hải lưu ở 7 vị trí trên đều cao hơn 1m/s. Trong tài liệu này tác giả chọn tốc độ thấp nhất v= 1m/s để tính toán. Như vậy tính hiện thực của dự án sẽ tốt hơn.
3.5 Bản chất nguồn động năng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam
Nguồn năng lượng mặt trời đã tạo ra sự chênh lệnh nhiệt giữa Cực và Xích đạo nên hình thành sự di chuyển của gió và nước.
Trạng thái quay của trái đất với hướng quay từ Tây sang Đông và địa hình địa lý đã tích hợp dòng hải lưu tập trung tại bờ biển miền Trung Việt Nam.
Vì vậy động năng dòng hải lưu ở bờ biển miền Trung Việt Nam là nguồn năng lượng mang tính vũ trụ . Nguồn động năng dòng hải lưu sẽ biến mất khi trái đất quay ngược lại từ Đông sang Tây.
Với tốc độ dòng tầng mặt trên 1m/s là số liệu khả tín. Việt Nam cần ưu tiên đo đạt các thông số dòng hải lưu ở miền Trung để thuận lợi cho việc khai thác.
- Công nghệ theo truyền thống hiện nay trên thế giới
Hình 4 : Cánh quạt truyền thống đang sử dụng.
Có 5 nhược điểm
1/ Cách quạt chỉ tiếp nhận động năng trong bán kính hoạt động của cánh quạt.
2/ Máy phát điện thường phải bố trí trong nước nên giá thành cao.
3/ Cách quạt có trọng lượng
Vì có trọng lượng nên làm tổn thất nhiều năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ động năng dòng chảy sang điện năng.
4/ Cánh quạt bị rớt 47.7 %
Dòng nước hay gió bị rớt 47.7 % năng lượng khi chúng băng qua hệ thống cánh quạt truyền thống.
5/ Lực bị mất một phần trước khi làm cánh quạt quay.
Lực chạm vào cánh quạt, chia làm 2 phần, phần đẩy cánh quạt và phần tạo mô-men làm quay cánh quạt. Phần lực đẩy cánh quạt là phần vô ích. Vì lý do nầy, máy phát điện bằng cánh quạt có giới hạn tốc độ nhỏ nhất của dòng chảy để máy có thể hoạt động.
- Công nghệ mới của Việt Nam.
5.1 Nguyên lý “Trống quay”
Hình 5: Cánh quạt gắn với trục nhận động năng dòng chảy tự nhiên.
Cánh quạt là một hình trụ. Võ hình trụ có gờ đặt lực từ dòng chảy. Trục của hình trụ gắn kết với khung và võ. Trong hình trụ có độ rỗng để trống nổi lơ lững theo phương thẵng đứng và song song với trục. Trống quay, trục trống kéo máy phát điển đặt trên mặt nước.
Với công nghệ mới do người Việt Nam tìm ra, sử dụng mô-men lực nên cho phép khai thác động năng dòng chảy dù có tốc độ thấp.
5.2 Khung có dạng hình thoi để đón động năng dòng chảy và đặt dưới đáy biển
Hình 6: Hai trống được đặt trong khung để lấy động năng dòng chảy 2 chiều.
Khi đặt trong nước, tốc độ dòng chảy v> o thì trống quay, 2 trống sẽ quay ngược chiều và được tích hợp trên 1 trục, trục trống kéo máy phát điện đặt phía trên mặt nước.
Máy có thể chạy với dòng chảy 1 chiều ( dòng sông, dòng hải lưu) hay 2 chiều ( dòng thủy triều).
5.3 Máy được bố trí thành 2 hàng để lấy tối đa động năng theo chiều ngang
Hình 7: Bố trí máy thành hai hàng để lấy tối đa năng lượng theo chiều ngang và cho phép thủy sản di chuyển.
Việc bố trí các mô-đun nhỏ thành 2 hàng để lấy tối đa động năng theo chiều rộng của dòng chảy và cho phép sinh vật biển di chuyển qua hệ thống máy phát điện an toàn .
Giải pháp công nghệ “ Trống quay “ của Việt Nam vừa lấy tối đa động năng theo chiều sâu , vừa lấy tối đa động năng theo chiêu rộng của dòng chảy tự nhiên nên hiệu quả là tối ưu mà không ảnh hướng đến môi trường.
- Mô hình nhà máy phát điện bằng dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam
Các thông số cơ bản để tính toán
Dòng một chiều hướng Bắc-Nam, v = 1m/s
Trống quay có đường kính d=2m, cao h= 2m.
Độ sâu khai thác 10 m .
6.1 Bố trí trống và khung
Hình 8: Bố trí trống và khung cho dòng chảy 1 chiều ở miền Trung Việt Nam
6.2 Tiếp nhận động năng dòng hải lưu
 |
 |
| Hình 9 A: Mặt chiếu bằng khung và trống | Hình 9B : Dòng chảy qua trống |
Vì trống có bán kính r= 1 m và sâu h=m nên dòng chảy tác động vào trống với diện tích 2m2 .
Trong 1 giây có 2 m3 nước tác động vào cánh quạt.
Ở đây ta không quan tâm đến dòng chảy tác động vào khung, sau đó đổi hướng tác động vào trống.
6.3 Hệ thống cơ học tích hợp năng lượng của trống
Hình 10 : Sơ đồ cơ học cho máy phát điện bằng dòng chảy 1 chiều.
6.4 Mô-đun nhỏ
Mô – đun nhỏ là mô đun chỉ có 2 trống quay, mỗi bên có 1 trống.
Với mô hình mô-đun nhỏ, chúng ta có thể đưa thêm trống ở cả bên để khai thác tối đa theo độ sâu.
Công suất 1 mô-đun nhỏ
E = 0.5 mvv
E : Năng lượng nhận được
m : Khối lượng nước tác động vào cánh quạt
v : Tốc độ của dòng chảy
Dòng chảy tác động vuông góc với mặt cắt có diện tích 2 m2 , nên có 2 m3 nước tác động vào trống quay trong 1 giây.
Trong 1 giây, 1 trống nhận được nguồn năng lượng :
En = 0.5 x 2000 kg x 1 m/ s x 1m/s = 1000 kg x 9.8 N = 9800 N/s
9800 N di chuyển trong 1 giây tạo ra năng lượng là : 9800 w.
Công suất 1 mô- đun nhỏ :
Dự kiến hiệu suất của máy chuyển đổi động năng thành điện năng là 70 % thì công suất của 1mô-đun nhỏ là 7000 w :
Vì mô-đun nhỏ có 2 trống, nên công suất 1 mô-đun nhỏ là :
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
5.5 Mô-đun lớn
Mô-đun lớn là khối bê tông tích hợp 7 mô-đun nhỏ xếp thành 2 hàng với 5 tầng trống.
Việc chia thành hàng để khái thác tối đa động năng theo chiều rộng của dòng chảy và cho phép thủy sinh vận di chuyển qua. Ở đây cho phép sinh vật có chiều ngang dưới 1 m di chuyển qua máy. Nếu có sinh vật biển có đường kính lớn hơn 1m thì có thể điều chỉnh lại các hệ thống cột chống.
Với 5 hàng trống, mô-đun lớn khai thác vùng nước : 2m x 5 = 10 m.
Như vậy 1 mô-đun lớn tích hợp nguồn năng lượng : 7 x 5 = 35 mô đun nhỏ.
Trong 1 giờ, công suất 1 mô-đun lớn là :
Pl/h = 50.4 Mw x 35 mô-đun nhỏ = 1.764 Mw
Hình11: Mô-đun lớn tích hợp 7 x 5 = 35 mô đun nhỏ để khai thác dòng chảy có độ sâu 10 m
Mô-đun lớn gồm 4 tầng tính từ đáy như sau :
Tầng đáy để sa bồi di chuyển có chiều cao 1.5 m
Tầng tiếp nhận động năng cao 10 m
Độ cao tầng thủy triều tùy theo địa điểm khai thác.
Tầng trên cùng chứa máy phát điện và điều hành.
Hình 12 : Các mô-đun nhỏ xếp thành 2 hàng để lấy tối đa năng lượng theo chiều rộng và cho phép thủy sinh di chuyển
Hình 13: Khu nhận năng lượng của mô-đun lớn gồm 7 mô-đun nhỏ xếp thành 2 hàng với 5 tầng trống.
Nếu kết nối 52 mô-đun lớn thành 1 nhà máy thì nhà máy giống như một con đê chắn sóng dài 2 048.8 m, rộng 26 m, cao 22.4 m.
Nhà máy với 52 mô-đun lớn có công suất
1.764 MW x 52 = 91 728 MW
Công suất của nhà máy thủy điện Tam Hiệp -Trung quốc là 22 500 MW.
Như vậy nhà máy điện hải lưu với 52 mô-đun lớn dài 2 048.8 m có công suất lớn 4 lần nhà máy thủy điện Tam Hiệp -Trung Quốc.
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
- Sản xuất
7.1 Sản xuất trống quay
Trống quay được sản xuất ở nhà máy chuyên dụng. Sự chính xác trong cơ khí sẽ giúp máy hoạt động ổn định.Vật liệu chống rỉ, giúp máy có tuổi thọ tốt.
Trống quay có kích thước đường kính d=2 m, cao h=2 m giúp đưa vào công-ten-nơ để di chuyển với giá thành rẽ.
Trống quay được lắp đặt sau khi mô-đun lớn được định vị ổn định. Trống quay có thể đưa lên để bảo dưỡng.
7.2 Sản xuất mô-đun lớn
Mô-đun lớn được đúc bằng bê tông cốt thép. Khối bê tông có thể nổi trong nước và được kéo đến đánh chìm tại vị trí khai thác. Mô-đun lớn có hệ thống đường ống phun nước để làm sạch hà bám ảnh hướng đến hoạt động của trống quay.
Khối bê tông được gắn chặt dưới đáy biển để ổn định vị trí khi khai thác.
Hết thời gian khai thác, khối bê tông được cho nổi lên và kéo đến vị trí phá hủy.
7.3 Sản xuất các chi tiết máy
Các chi tiết máy phải đồng bộ chịu lực. Chúng có kích thước khác nhau tùy độ sâu khai thác 2m, 4m, 6m, 8m, 10m,12m…
7.4 Miền Trung Việt Nam có đủ vật liệu để sản xuất các khối mô-đun lớn bằng ụ chìm hay ụ nổi.
- Chủ động sản xuất hydro lõng khi lưới điện chưa đáp ứng
Hiện nay trên thế giới, khá phổ biến máy sản xuất hydro lõng từ nguồn điện có giá thành rẽ. Vì vậy để chủ động trong kinh doanh, việc sản xuất điện hải lưu cần gắn liền với việc sản xuất hydro lõng.
Hệ thống các mô-đun lớn khi kết nối với nhau như một bến tàu có thể đón được tàu biển loại lớn. Trên các mô-đun lớn có đủ diện tích và không gian để thực hiện điện phân nước và chứa các sản phẩm. Các sản phẩm là các bình thép chứa hydro lõng và ô-xy phục vụ cho vận tải và công nghiệp.
Theo số liệu trên thế giới , dùng 55 kwh điện phân được 1 kg hdro lõng và khoãng 0.5 kg ô-xy lõng. Giá thành hydro lõng tại Nhật 10 USD /1 kg. Tại Việt Nam giá oxy lõng 1USD/1 kg.
- Kết luận
Tài liệu này cung cấp cho người Việt Nam biết được nguồn tài nguyên động năng dòng hải lưu qua bờ biển miền Trung Việt Nam là mạnh nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương bằng phương pháp thí nghiệm kết hợp với phương pháp tư duy theo cơ lý thuyết. Tài liệu được Mỹ và Đài loan xác thực bằng hình ảnh vệ tinh với 7 điểm ở miền Trung có tốc độ dòng hải lưu v > 1 m/s. Việt Nam cần sớm đo đạt để biết tốc độ thật của dòng hải lưu qua bờ biển miền Trung theo thời gian, từ đó có thể thiết kế chính xác máy phát điện.
Tài liệu này cung cấp cho loài người công nghệ mới của Việt Nam chuyển đổi động năng dòng chảy tự nhiên thành điện năng với giải pháp sử dụng lực Acsimet khử trọng lượng vật quay, đưa máy phát điện lên trên mặt nước cùng với cách xếp 2 hàng hệ thống máy phát điện nên đã lấy hết động năng dòng chảy theo chiều sâu và chiều rộng. Công nghệ này hoàn toàn có thể sử dụng cho dòng đuôi của các thủy điện trên thế giới hay các dòng sông.
Máy phát điện chủ yếu là khối bê tông cốt thép – một nguyên liệu phổ biến trên thị trường ở miền Trung Việt Nam.
Máy phát điện không ảnh hưởng đến sự di chuyển của sinh vật trong biển.
Kết quả sản phẩm điện tạo ra là vô cùng lớn ngoài sự tưởng tượng của con người.
Với công nghệ mới “ Trống quay” của người Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể thực hiện cam kết của Chính phủ Việt Nam tại Cop 26-UK./.
