Luận án: Thiết bị Biến đổi Năng lượng Sóng thành Điện cho Khai thác Biển Việt Nam

Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng (NL) cũng ngày càng cao. Thế giới đang phải đối đầu với cuộc khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng nhất trong lịch sử nhân loại, an ninh năng lượng được các quốc gia đặt lên hàng đầu. Trong khi đó, các nguồn NL truyền thống trên thế giới như dầu mỏ, than đá, thủy điện, hạt nhân đang ngày một cạn kiệt tuy nhiên nhu cầu sử dụng NL đang tăng cao. Thêm vào đó, việc sử dụng các nguồn NL hóa thạch đang gây ra những tác động xấu đến môi trường và là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí hậu dẫn đến những thảm họa tự nhiên đe dọa đến sự sống của con người.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang hướng đến những nguồn năng lượng mới, tái tạo, trong đó có năng lượng sóng biển. Từ vài năm nay, giá dầu mỏ tăng và triển vọng các nguồn năng lượng cổ truyền bị cạn kiệt đã tạo ra một đà tiến mới cho các dự án khai thác năng lượng biển. Năng lượng biển có hai đặc tính đáng chú ý, thu hút các chuyên gia nghiên cứu khai thác nó, đó là khả năng tái sinh và không gây ô nhiễm môi trường. Có nghĩa là, đây là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt và là nguồn năng lượng sạch.

Ưu thế này khác hẳn các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang được sử dụng từ trước tới nay. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng năng lượng biển cũng đặt ra những vấn đề rất phức tạp. Cũng giống như các nguồn năng lượng khác của môi trường, năng lượng Mặt Trời hay địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng biển phân tán trên bề mặt Trái Đất, đồng thời mật độ năng lượng không ổn định theo không gian và thời gian. Việc khai thác nó thường gặp rất nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật và triển vọng về hiệu quả kinh tế vẫn còn chưa thật chắc chắn.

Dù vậy, hiện nay nhiều dự án sử dụng năng lượng biển vẫn đang được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Phần lớn đang nằm trong giai đoạn thăm dò. Tuy nhiên cũng có những dự án đã được thực hiện dẫn tới việc khai thác có lợi nguồn năng lượng này. Mục tiêu nghiên cứu a) Về cơ sở khoa học 1 Luận án nghiên cứu tổng hợp các thông tin về năng lượng sóng biển ở Việt Nam để định hướng nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng phù hợp với từng vùng.

Tìm hiểu phân tích nguyên lý hoạt động và cấu tạo của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới để đề xuất ứng dụng mô hình phù hợp với vùng biển tiềm năng tại Việt Nam. Nghiên cứu phát triển sơ đồ cấu tạo, mô hình mô phỏng và tiến hành tính toán xác định khả năng hoạt động của thiết bị. Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị để kiểm tra nguyên lý hoạt động của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển động thẳng. b) Về thực tiễn Cung cấp cơ sở khoa học trong công tác nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển ứng với từng mức năng lượng sóng biển của vùng biển phù hợp với đặc điểm sóng tại Việt Nam.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu của luận án: Đối tượng nghiên cứu của luận án là năng lượng sóng biển và các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới dạng chuyển động tịnh tiến. + Phạm vi nghiên cứu: Luận án đề cập đến các thiết chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng chuyển đổi trực tiếp sử dụng khai thác nguồn năng sóng biển tại vùng biển Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu tiềm năng năng lượng sóng biển của Việt Nam. Luận án nghiên cứu tính chọn tính toán thiết kế thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển ứng dụng vào vùng biển ngoài khơi Nam Trung Bộ.

Thiết bị nghiên cứu có nguyên lý dạng chuyển động tịnh tiến biến đổi trực tiếp thành điện. Ý nghĩa khoa học của luận án Nội dung của luận án “ Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng - điện ứng dụng cho khai thác năng lượng sóng tại vùng biển Việt Nam ” có ý nghĩa to lớn về mặt lý thuyết và thực tiễn. Kết quả của luận án nhằm nâng cao chất lượng nghiên cứu và những hiểu biết về các đặc trưng kỹ thuật về NLSB Viêt Nam, phát triển các phương pháp tính toán thiết kế thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng. Góp phần nghiên 2 cứu, phát triển và áp dụng các vấn đề khoa học về tương tác sóng lên công trình, tính toán mô phỏng, thiết kế chế tạo các thiết bị chuyển đổi NLSB.

Nội dung nghiên cứu của đề tài đáp ứng được các yêu cầu về ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính cấp thiết đối với luận án tiến sỹ. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án được nghiên cứu trên cơ sở kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu lý thuyết sóng biển, lý thuyết thiết bị chuyển đổi năng lượng và phương pháp mô phỏng số kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu. Điểm mới của luận án Luận án đóng góp cho chuyên ngành những điểm mới như sau: + Luận án đã tổng hợp thông tin về tiềm năng NLSB tại việt nam đồng thời phân tích các nguyên lý làm việc thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển để làm định hướng cho lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển áp dụng vào khai thác tại Việt Nam. Đồng thời thiết lập hệ phương trình (3.13) mô tả chuyển động giữa thiết bị chuyển đổi và sóng biển.

+ Thiết kế và chế tạo được một loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng – điện dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 50W, sử dụng nam châm không lõi sắt lần đầu tiên được nghiên cứu tại Việt Nam. Thiết bị không cố định dưới đáy biển mà dùng giải pháp hai phao chuyển động chậm pha nhau. + Luận án đã đề xuất thiết kế và khảo sát các thông số của thiết bị chuyển đổi năng lượng dạng chuyển động tịnh tiến với công suất 5kW, làm cơ sở cho các nghiên cứu để mở rộng phát triển hướng nghiên cứu trong lĩnh vực khai thác năng lượng sóng biển còn non trẻ tại Việt Nam. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, khuyến nghị nội dung của luận án bao gồm các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu.

Chương 2: Cơ sở nghiên cứu lựa chọn thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển tại Việt Nam. 3 Chương 3: Nghiên cứu động lực học thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình thử nghiệm thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển. Kết luận và kiến nghị. Sau đây là nội dung chính của luận án.

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nguồn năng lƣợng từ biển Năng lượng tái tạo (NLTT) là xu thế phát triển mang tính toàn cầu từ những năm 70, thế kỷ XX một cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến cho cả nhân loại lo lắng về sự thiếu hụt các nguồn nhiên liệu. Đó là nguyên nhân dẫn đến các nước chạy đua giữa các quốc gia trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng những nguồn năng lượng tái tạo. Trong khi đó, nguồn năng lượng truyền thống (hóa thạch, thủy năng…) vốn được coi là nguồn năng lượng chủ yếu hiện tại, và có thể sử dụng trong khoảng 4-5 thập kỷ nữa tuy nhiên nguồn NL truyền thống này đang ngày càng đắt đỏ.

Các nhà kinh tế năng lượng trên thế giới đã cảnh báo: Hành tinh của chúng ta có thể tiếp tục lâm vào khủng hoảng năng lượng có tính tàn phá ở thời điểm 2050-2060, nếu chúng ta không tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống hiện có, và nếu không phát triển sử dụng các dạng năng lượng sạch tái tạo. [1] Những nghiên cứu tận dụng các chất phế thải, thậm chí cả hoa quả để tái tạo các loại năng lượng sạch, đang trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Những nước đã thành công trong việc nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng mới phải kể đến Brazin, Mỹ, Canada, Đức, Anh, Pháp, Trung Quốc, Nhật Bản…[1] Những biện pháp khai thác nguồn năng lượng xanh sạch không gây ô nhiễm môi trưỡng sẽ được khuyến khích được áp dụng như: năng lượng gió biển, các nhà máy thủy điện lớn, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời. Các chủ trương và chính sách về năng lượng sạch được hậu thuẫn về mặt chính trị, chỉ trong vòng 1 thập niên (2001-2010), năng lượng gió đã trở thành nguồn cung cấp điện hiệu quả.

Lĩnh vực năng lượng xanh còn tạo được việc làm cho hơn 135.000 nghìn người lao động [2]. Ở nước ta, theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) thì đến năm 2020, tỷ lệ thiếu hụt năng lượng điện của quốc gia lên tới 20-30% mỗi năm [3]. Việc phát triển, sử dụng các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo càng trở nên cấp bách. Có thể nói, việc biến từ điện gió và điện mặt trời và năng lượng sóng biển sang điện lưới phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện của rất đông bộ phận người dân tại Việt Nam có ý nghĩa thực tiễn cao và phù hợp với chiến lược phát triển nguồn năng lượng sạch của đất nước.

5 Theo báo quy hoạch điện 7 có bổ sung của EVN. Dự kiến Việt Nam sẽ phấn đấu để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010, 8% vào năm 2020 và 10% vào năm 2030 [3]. Năng lƣợng sóng biển Dạng năng lượng dễ thấy nhất từ đại dương chính là năng lượng của sóng trên bề mặt đại dương, sóng đại dương mang năng lượng rất lớn. Nguồn tạo ra năng lượng sóng dựa trên 4 hiện tượng: - Vật thể di chuyển trên hoặc gần mặt nước gây ra sóng với chu kỳ nhỏ và mang năng lượng nhỏ.

- Các hoạt động địa chấn cũng là nguyên nhân gây ra sóng địa chấn biển “hay được gọi là tsunami”. - Lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời cũng là nguyên nhân gây ra các đợt sóng triều cường “tidal wave” hay gọi là sóng thủy triều. - Gió biển và các hiện tượng khí hậu là nguồn tạo ra sóng lớn nhất, gió thổi trên mặt biển tạo ra các đợt sóng khá lớn, các cơn bão có thể gây ra sóng thần và sóng lừng hai loại sóng này mang năng lượng cực kỳ lớn. Đánh giá chung công suất của chúng trong đại dương khoảng 2,5 - 3TW[4].