Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy sử dụng năng lượng sóng biển để phát điện

• Nghiên cứu để giải quyết an ninh năng lượng là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện nay.
• Việc nghiên cứu phát triển điện hạt nhân (dự kiến năm 2020 nước ta sẽ có nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Bình Thuận) cần phải cân nhắc kỹ lưỡng.
• Các nước trên thế giới chỉ phát triển điện hạt nhân khi họ không thể tìm được nguồn năng lượng nào khác, trong khi đó nước ta nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào nên rất thuận lợi cho việc phát triễn năng lượng sóng biển

  Biến đổi năng lượng sóng thành điện

  Ngày  nay hơn 80% sx điện trên thế giới là các nhà máy điện hoá thạch,do nhu cầu điện ngày càng tăng nên phải tìm các nguồn năng lượng khác để tạo ra điện và cũng là mục tiêu hang đầu của các nước trên thế giới.từ nghị định Kyoto-1997 cả Châu Âu và Mỹ đặt ra mục tiêu giảm khí thải nhà kính trong tương lai, vì vậy tìm ra nguồn năng lượng sạch là cần thiết, năng lượng sóng biển được xem như nguồn năng lượng sạch cho thế giới trong tương lai.

  Các nước có năng lượng song biển phát triển là: Đan Mạch,ấn  Độ, Nhật, Nauy, Bồ Đào Nha, Mỹ, Hà Lan,…

  Máy phát điện tuyến tính là loại chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện nhờ vào sự di chuyển lên xuống của phao.

  Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý của định luật cảm ứng faraday, định luật chuyển động của Newton và lực đẩy Archimed, kết hợp với các kỹ thuật về vật liệu.các phao nổi sẽ hấp thụ năng lượng để tạo ra chuyển động lên xuống của roto bên trong stator để phát điện.

  Thiết bị bao gồm 1 phao được kết nối trực tiếp với roto của một máy  phát điện tuyến tính bắng 1 sợi dây thừng, sợi dây này được kéo căng bởi 1 lò xo bên dưới roto, roto sẽ di chuyển lên xuống với một biền độ bằng biên độ của sóng. Hệ thống này có thể tạo ra điện  ở biên độ sóng thấp và tốc độ sóng chậm.năng lượng sóng đựơc chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện bởi 1 máy phát điện tuyến tính gồm dây dẫn cách điện, nam châm vĩnh cửu, thép mạ điện, thép xây dựng,…thiết bị khi hoạt động được mô phỏng như hình sau:

  Phao là phần chủ yếu tạo ra chuyển động cho máy phát điện có thể làm từ các vật liệu khác nhau, với các hình dạng khác nhau,tuy nhiên phao dạng trụ là thích hợp nhất cho chuyển động thẳng của roto.

  Khi chiều cao sóng tăng thì phao sẽ kéo roto lên, khi chiều cao song giảm thì lò xo sẽ kéo roto xuồng với 1 năng lượng đã được tích trữ từ trước => máy phát điện=> cho phép phát điện cả hai chiều lên và xuống của roto.

  Khi roto di chuyển lên xuống nó sẽ tạo ra sự cảm ứng điện từ trong stato của máy phát.quá trình phát điện sẽ phụ thuộc vào các thống số như hình dạng máy phát, hình dạng sóng, độ lớn phao, trọng lượng tải roto, độ cứng lò xo,…thì sẽ  phát sinh ra các điện áp khác nhau với tần số khác nhau trong cuộn dây stato.

  Khi phao ở vị trí thấp nhất, hiệu điện thế bắt đầu tại vị trí số o, khi phao lên cao thì hiệu điện thế tăng dần đến max, sau đó giảm dần về o khi phao ở vị trí cao nhất.

  Đối với phao có đường kính 3-5m sẽ cho công suất 10-20kw tuỳ vào điều kiện khí hậu. Phao có trọng lượng từ vài trăm tới vài tấn tuỳ theo kích thướt và vật liệu. Phao được nối với máy phát =  dây thừng có độ bền rất cao ( thường làm bằng polyethylene). Máy phát được làm bằng vật liệu không rỉ và đảm bảo không thấm nước vào bên trong. Bên dưới máy phát là dàn móng vững chắc, có trọng lượng khoảng 10-30 tấn.

  Lượng điện phát ra từ thiết bị sẽ tỉ lệ thuận với tốc độ tương đối của stato và roto.

  Dùng bộ chỉnh lưu để biến thành dòng điện một chiều.

  Hiệu suất chuyển đỗi năng lượng điện khá cao(85%)

  Điện được chuyển đổi thành điện Ac vời tần sô 50-60Hz để cung cấp cho các hộ dân trên  đất liền.

    

   Khuyết điểm của một số nguồn năng lượng tạo ra điện năng:

  1  Nhiệt điện:

  • + Đốt cháy nguyên liệu trong quá trình sản xuất (dầu, than, khí từ mỏ dầu...) do đó phụ thuộc vào nguồn cung các nguyện liệu này. Tạo ra khí thải làm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu ứng nhà kính. Trong tình hình nguồn nguyên liệu ngày càng cạn kiệt, giá thành cao sẽ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nhà máy (than đá, dầu mỏ sắp hết trong khoảng vài chục năm nữa). Nguyên liệu bị đốt cháy sẽ mất đi không thể tái sinh như nước của thủy điện.
    + Do sử dụng nguyên liệu nên giá thành sản xuất địên năng lớn hơn thủy điện (khoãng 8 - 10 cent/kWh)
    + Không linh hoạt trong chế độ vận hành. Khi cần thiết nâng công suất vào giờ cao điểm phải mất hàng giờ trong khi thủy điện chỉ mất khoảng 7 - 10 s.

  2. Thủy điện

  • Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ thỉnh thoảng khá phức tạp bởi vì yêu cầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất. Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng. Nếu yêu cầu về mức nước bổ sung tối thiểu không đủ, có thể gây ra giảm hiệu suấtvà việc lắp đặt một turbine nhỏ cho dòng chảy đó là không kinh tế.
  • Những nhà môi trường đã bày tỏ lo ngại rằng các dự án nhà máy thuỷ điện lớn có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh
  • Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của dòng sông bên dưới. Thứ nhất, nước sau khi ra khỏi turbine thường chứa rất ít cặn lơ lửng, có thể gây ra tình trạng xối sạch lòng sông và làm sạt lở bờ sông. Thứ hai, vì các turbine thường mở không liên tục, có thể quan sát thấy sự thay đổi nhanh chóng và bất thường của dòng chảy

  3. Điện hạt nhân:

  • - Chất thải phóng xạ vẫn còn là một vấn đề chưa được giải quyết. Chất thải từ năng lượng hạt nhân cực kỳ nguy hiểm và phải được bảo quản cẩn thận trong hàng ngàn năm (10.000 năm theo các tiêu chuẩn của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ).
  • - Rủi ro cao: Mặc dù có một tiêu chuẩn an toàn cao nói chung, nhưng các tai nạn vẫn có thể xảy ra. Việc xây dựng một nhà máy với độ an toàn 100% là không thể. Luôn luôn có một xác suất nhỏ sẽ xảy ra sự cố. Hậu quả của một tai nạn là có sức tàn phá tuyệt đối tới cả con người lẫn tự nhiên. Các nhà máy điện hạt nhân (và các hầm lưu trữ chất thải hạt nhân) càng được xây dựng nhiều, thì xác suất xảy ra các sự cố thảm khốc đâu đó trên thế giới càng cao.
  • - Nguồn nguyên liệu cho năng lượng hạt nhân là Uranium. Uranium là một nguồn tài nguyên khan hiếm, dự trữ Uranium ước tính chỉ đủ cho từ 30 đến 60 năm tới tùy thuộc vào nhu cầu thực tế.
  • - Khung thời gian cần thiết cho các thủ tục, lên kế hoạch và xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới là trong khoảng từ 20 – 30 năm tại các nền dân chủ phương Tây. Nói cách khác : Việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân mới trong một thời gian ngắn là một ảo tưởng.
  • - Các nhà máy điện hạt nhân cũng như chất thải hạt nhân có thể là mục tiêu hàng đầu của các cuộc tấn công khủng bố. Không có nhà máy điện nguyên tử nào trên thế giới có thể trụ lại được với một cuộc tấn công tương tự như hôm 9/11 ở New York. Một hành động khủng bố như vậy có thể đem lại những tác động thảm khốc cho toàn thế giới.
  • - Trong quá trình vận hành các nhà máy điện hạt nhân, chúng thải ra một lượng chất thải phóng xạ, rồi lần lượt có thể được sử dụng cho sản xuất vũ khí hạt nhân. Ngoài ra, bí quyết tương tự thường được dùng để thiết kế các nhà máy điện hạt nhân có thể dùng 

  4. Năng lượng gió

  • - Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá cơ bản. Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào. Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liêu khác.
    - Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn luôn có khi cần có điện. Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải tất cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện.
    - Những nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí xa xôi cách thành phố nhưng những nơi đó lại cần điện.

  5. Năng lượng mặt trời.

  • Chi phí lắp đặt ban đầu của các tế bào năng lượng mặt trời là khá cao. Tuy nhiên, một nhu cầu để đầu tư chỉ trong cài đặt và sau đó điện là miễn phí.
  • Năng lượng mặt trời có thể không hiệu quả làm việc ở nước lạnh do sự khan hiếm của ánh sáng mặt trời. Also, nó ít hiệu quả trong mùa mưa và thời tiết l�Ngoài ra. Also, năng lượng mặt trời chỉ có thể được sản xuất trong ngày, và không vào ban đêm.
  • Đối với các ứng dụng quy mô lớn, diện tích lớn hơn và cao hơn đầu tư là cần thiết, mà có thể không được đáp ứng một cách dễ dàng.

  Năng lượng sóng biển:

  Đại dương có thể cung cấp năng lượng đủ thắp sáng cho tất cả các thành phố trên hành tinh. Có điều các nhà khoa học chưa tìm ra cách khai thác nguồn năng lượng này. Hiện nay công nghệ khai thác năng lượng sóng biển, nhằm góp phần hạn chế tối đa sự phát thải khí CO2 vào môi trường sống. Nhiều quốc gia đã có nhà máy điện dùng năng lượng sóng biển. Việc này có thể áp dụng tốt ở vùng biển nước ta, theo số liệu khảo sát của Viện Năng lượng, Viện Khoa hoc, công nghệ Việt Nam. Các kết quả tính toán cho thấy năng lượng sóng dọc dải ven bờ của nước ta rất phong phú. Dòng năng lượng trung bình yếu nhất đạt 15kW/m; mạnh nhất 30kW/m. Cụ thể vịnh Hạ Long, Quảng Ninh, vịnh Gành Rái, Bà Rịa - Vũng Tàu hội tụ đủ ba yếu tố: Mật độ năng lượng GWh/km2; tiềm năng GWh; hiệu suất GWh/km. Đủ điều kiện để xây dựng nhà máy thủy điện thủy triều. 
  Hiện nay đã có nhiều nước trên thế giới đang khai thác nguồn năng lượng sạch này góp phần tích cực, mục đích giảm phát thải CO2.

  Nước ta có trên 3.000 km bờ biển quanh năm sóng vỗ. Nếu tận thu được nguồn năng lượng dồi dào từ sóng biển sẽ đem lại hiệu quả kinh tế không nhỏ. Năng lượng sóng biển còn dồi dào hơn năng lượng gió vì gió thì có lúc lặng nhưng sóng biển thì không lúc nào ngưng. Năng lượng sóng tuy phân tán nhưng ổn định hơn năng lượng mặt trời vì năng lượng mặt trời chỉ thu được khi có nắng.

  a. Nguồn gốc và tiềm năng của sóng biển:

  -    Gió thổi trên bề mặt đại dương truyền một phần năng lượng cho đại dương tạo ra sóng biển.

  -    Sóng biển hoạt động không ngừng nghỉ bất kể mưa, nắng, gió, bão, ngày đêm.

  -    Nếu sóng có độ cao 1 mét, ở độ dài khoảng 1,8 km bờ biển thì có thể tạo ra được một nguồn năng lượng bằng 35.000 mã lực; khi sóng cao 3 mét thì có thể tạo ra áp lực khoảng 29 tấn/m2 mặt biển (PGS TSKH Nguyễn Tác An).

  -    Sóng có thể đẩy những viên đá nặng 2-3 nghìn tấn trên bờ biển di chuyển mấy chục mét, đập vỡ được những tảng đá có trọng lượng 60-70 kg, văng cao đến 20-30 mét  (PGS TSKH Nguyễn Tác An).

  b. Cần sử dụng và phát triển nguồn năng lượng sóng biển ở Việt Nam vì:

  • Năng lượng sóng biển là nguồn năng lượng sạch, không ảnh hưởng đáng kể tới môi trường.
  • Năng lượng sóng biển hiệu suất chuyển hoá của nó thành điện là cao nhất ( có thể đạt 99%)
  • Các nguồn năng lượng khác như nhiệt điện, thủy điện, năng lượng hạt nhân…ảnh hưởng rất lớn tới môi trường như trình bày ở trên.
  • Việt Nam có bờ biển dài hơn 3.444km,có nhiều đảo và quần đảo, diện tích mặt nước biển rất rộng lớn( hơn 1triệu km2)
  • Lượng gió và năng lượng Mặt trời đều bị hạn chế ,vì lúc có lúc không.còn năng lượng sóng biển, thì luôn luôn hoạt bất kể điều kiện thời tiết, ngày đêm.

  c. Phát triển khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sóng biển sẽ:

  • Giải quyết vấn đề nhiên liệu ngày càng khan hiến hiện nay.
  • Giảm bớt các tác nhân gây hại cho môi trường(biến đổi sinh thái, hiệu ứng nhà kính).
  • Sử dụng hiệu quả vùng chủ quyền biển đảo của quốc gia.
  • Đem ánh sáng điện tới các vùng hải đảo xa xôi của tổ quốc.
  • Mang lại lợi ích kinh tế cho đất nước.

  Từ đó ta thấy:

1. 1. 2. Thuộc chương trình: ????

       

      3. Lý do đề xuất Đề tài :

      Ngày  nay hơn 80% sx điện trên thế giới là các nhà máy điện hoá thạch, nhưng các nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt do nhu cầu điện ngày càng tăng. Nên phải tìm các nguồn năng lượng khác để tạo ra điện và cũng là mục tiêu hàng đầu của các nước trên thế giới nói chung, Việt Nam nói riêng.

      Các nguồn năng lượng tạo ra điện năng ngày càng ảnh hưởng không tốt đến môi trường, cụ thể như sau:

      a. Nhiệt điện:

      • + Đốt cháy nguyên liệu trong quá trình sản xuất (dầu, than, khí từ mỏ dầu...) do đó phụ thuộc vào nguồn cung các nguyện liệu này. Tạo ra khí thải làm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu ứng nhà kính. Trong tình hình nguồn nguyên liệu ngày càng cạn kiệt, giá thành cao sẽ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nhà máy (than đá, dầu mỏ sắp hết trong khoảng vài chục năm nữa). Nguyên liệu bị đốt cháy sẽ mất đi không thể tái sinh.

      b. Thủy điện

      • Việc sử dụng nước tích trữ thỉnh thoảng khá phức tạp bởi vì yêu cầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức cao nhất. Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng.
      • Những nhà môi trường đã bày tỏ lo ngại rằng các dự án nhà máy thuỷ điện lớn có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh
      • Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường của dòng sông bên dưới. Thứ nhất, nước sau khi ra khỏi turbine thường chứa cặn lơ lửng, có thể gây ra tình trạng xối sạch lòng sông và làm sạt lở bờ sông.

      c. Điện hạt nhân:

      • Chất thải phóng xạ vẫn còn là một vấn đề chưa được giải quyết. Chất thải từ năng lượng hạt nhân cực kỳ nguy hiểm và phải được bảo quản cẩn thận trong hàng ngàn năm (10.000 năm theo các tiêu chuẩn của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ).
      • Rủi ro cao: Mặc dù có một tiêu chuẩn an toàn cao nói chung, nhưng các tai nạn vẫn có thể xảy ra. Việc xây dựng một nhà máy với độ an toàn 100% là không thể. Luôn luôn có một xác suất nhỏ sẽ xảy ra sự cố. Hậu quả của một tai nạn là có sức tàn phá tuyệt đối tới cả con người lẫn tự nhiên. Các nhà máy điện hạt nhân (và các hầm lưu trữ chất thải hạt nhân) càng được xây dựng nhiều, thì xác suất xảy ra các sự cố thảm khốc đâu đó trên thế giới càng cao.
      • Nguồn nguyên liệu cho năng lượng hạt nhân là Uranium. Uranium là một nguồn tài nguyên khan hiếm, dự trữ Uranium ước tính chỉ đủ cho từ 30 đến 60 năm tới tùy thuộc vào nhu cầu thực tế.
      • Khung thời gian cần thiết cho các thủ tục, lên kế hoạch và xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới là trong khoảng từ 20 – 30 năm tại các nền dân chủ phương Tây. Nói cách khác : Việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân mới trong một thời gian ngắn là một ảo tưởng.
      • Các nhà máy điện hạt nhân cũng như chất thải hạt nhân có thể là mục tiêu hàng đầu của các cuộc tấn công khủng bố. Không có nhà máy điện nguyên tử nào trên thế giới có thể trụ lại được với một cuộc tấn công tương tự như hôm 9/11 ở New York. Một hành động khủng bố như vậy có thể đem lại những tác động thảm khốc cho toàn thế giới.
      • Trong quá trình vận hành các nhà máy điện hạt nhân, chúng thải ra một lượng chất thải phóng xạ, rồi lần lượt có thể được sử dụng cho sản xuất vũ khí hạt nhân.

      d. Năng lượng gió

      • Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá cơ bản. Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào. Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liêu khác.
      • Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn luôn có khi cần có điện. Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải tất cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện.
      • Những nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí xa xôi cách thành phố nhưng những nơi đó lại cần điện, điều này gây lãng phí điện rất cao.
      • Năng lượng gió cũng gây ô nhiễm tiếng ồn khá nhiều.

      e. Năng lượng mặt trời.

      • Chi phí lắp đặt ban đầu của các tế bào năng lượng mặt trời là khá cao.
      • Năng lượng mặt trời có thể không hiệu quả làm việc ở nước lạnh do sự khan hiếm của ánh sáng mặt trời. Nó  cũng ít hiệu quả trong mùa mưa và thời tiết lạnh. Ngoài ra năng lượng mặt trời cũng chỉ có thể được sản xuất trong ngày, và không vào ban đêm.
      • Đối với các ứng dụng quy mô lớn, diện tích lớn hơn và cao hơn đầu tư là cần thiết, mà có thể không được đáp ứng một cách dễ dàng.
      4. Giải trình về tính cấp thiết :

      Với tình hình ngày càng khan hiếm nguyên nhiên liệu để sản xuất điện như hiện nay, cùng với vấn đề ô nhiễm môi trường do sản xuất điện thì việc tìm ra những nguồn năng lượng khác để cung cấp điện nhưng lại ít ảnh hưởng đến môi trường là cấp thiết.

      Hiện nay công nghệ khai thác năng lượng sóng biển, nhằm góp phần hạn chế tối đa sự phát thải khí CO2 vào môi trường sống,  nhiều quốc gia đã có nhà máy điện dùng năng lượng sóng biển. Việc này có thể áp dụng tốt ở vùng biển nước ta, theo số liệu khảo sát của Viện Năng lượng, Viện Khoa hoc, công nghệ Việt Nam, các kết quả tính toán cho thấy năng lượng sóng dọc dải ven bờ của nước ta rất phong phú. Dòng năng lượng trung bình yếu nhất đạt 15kW/m; mạnh nhất 30kW/m. Cụ thể vịnh Hạ Long, Quảng Ninh, vịnh Gành Rái, Bà Rịa - Vũng Tàu hội tụ đủ ba yếu tố: Mật độ năng lượng; tiềm năng; hiệu suất.
      Hiện nay đã có nhiều nước trên thế giới đang khai thác nguồn năng lượng sạch này, mục đích giảm phát thải CO2.

      Nước ta có trên 3.000 km bờ biển quanh năm sóng vỗ. Nếu tận thu được nguồn năng lượng dồi dào từ sóng biển sẽ đem lại hiệu quả kinh tế không nhỏ. Năng lượng sóng biển còn dồi dào hơn năng lượng gió vì gió thì có lúc lặng nhưng sóng biển thì không lúc nào ngưng. Năng lượng sóng tuy phân tán nhưng ổn định hơn năng lượng mặt trời vì năng lượng mặt trời chỉ thu được khi có nắng.

      5. Định hướng mục tiêu:

       Dùng năng lượng sóng biển để tạo ra điện năng có thể cung cấp cho mạng lưới điên quốc gia nhằm:

      -         Giải quyết vấn đề khan hiếm các nguồn nhiên liệu hóa thạch.

      -         Giảm ô nhiễm môi trường.

      -         Giảm sự mất cân bằng sinh thái.

      -         Phát triển kinh tế đất nước.

      6. Yêu cầu về sản phẩm:

      -         Thiết bị tạo  ra điện tốt, ổn định, hiệu suất cao,

      -         Có thể áp dụng cho các vùng biển ở Việt Nam.

      7. Khả năng và địa chỉ áp dụng:

      -         Khả năng tạo ra điện tốt