Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện

1

Chƣơng 1
GIỚI THIỆU

1.1. Giới thiệu
Năng lượng nói chung và lượng điện nói riêng là trong những yếu tố cần thiết
phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của nhân loại. Điều này củng có nghĩa
rằng khi mức sống của con người và nhu cầu sản xuất được tăng cao thì nhu cầu về
năng lượng điện cũng tăng theo để đáp ứng. Đây chính là thách lớn đối với hầu hết
các quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt nam trong 20 năm
trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12 – 13 % năm, tức là gần gấp đôi tốc độ tăng
trưởng cao để thực hiện “ dân giàu, nước mạnh” và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn
tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng vách và thách thức to lớn trong những
thập niên tới. Để hoàn thành được trọng trách này , ngành điện phải có khả năng
dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát
triển năng lực cung ứng của mình.
Nếu tốc độ phát triển nhu cầu về điện tiếp tục duy trì ở mức rất cao 14 – 15%
năm như mấy năm trở lại đây thì đến năm 2010 cầu về điện sẽ đạt mức 90.000
GWh, gấp đôi mức cầu của năm 2005. Theo dự báo của Tập đoàn điện lực Việt
Nam, nếu tốc tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/ năm
thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh,
vào năm 2030 là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các
nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức
tương ứng là 165.000 GWh ( năm 2020) và 208.000 GWh ( năm 2030 ). Điều này
có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu
hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm. Nếu dự báo này của Tập đoàn Điện lực trỡ
thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2 – 3 lần

2
so với giá sản xuất trong nước. Hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi
vào trì trệ và đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Không phải đến những năm 2015 hay 2020, ngay thời điểm hiện tại chúng ta
cũng đã đối mặt với tình trạng thiếu điện. Năm 2005, lần đầu tiên sau nhiều năm
trở lại đây, người dân ở hai trung tâm chính trị và kinh tế của đát nước chịu cảnh
cắt điện luôn gây nhiều khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống
kinh tế.
Ngoài ra, Việt Nam vẫn còn khoảng 4,5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu,
vùng xa và hải đảo vẫn chưa có điện. Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện
thì dự kiến đến năm 2020, vẫn còn trên 1000 xã ( trong tổng số hơn 9000 xã ) đại
diện cho 500.000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện
quốc gia.
Đồng bào dân tộc thiểu số ở Tây Nguyên, những nơi chưa có điện luới quốc
gia, bài toán bơm nước tưới cây hay phục vụ nhu cầu cuộc sống của bà con là một
bài toán khó.
Những đồn biên phòng xa xôi trên những mõm núi chót vót của vùng Tây bắc
tổ quốc, những chiến sĩ ngoài đảo xa, nhà dàn, những ghe tàu đánh cá ngoài biển
khơi cũng cần có điện để phục vụ tốt cho sinh hoạt và cho công tác an ninh quốc
phòng.
Thêm vào đó , theo dự báo của một số khoa học, trữ lượng than và dầu khí mà
đang được con người sử dụng sẽ cạn kiệt trong 30 năm tới. Chính vì lý do này, hầu
hết các quốc gia trên thế giới đang nổ lực nghiên cứu, khai thác và phát triển các
nguồn năng lượng tái tạo nhằm mục đính thay thế phần nào nguồn năng hóa thạch
đang được khai thác và có xu hướng cạn dần.
Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên
tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử
dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng các quy trình diễn biến liên

tục trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là
từ mặt trời. Năng lượng tái tạo cũng có thể được hiểu là những nguồn năng lượng


3
hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của
con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa : Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều
đến mức mà khong thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người hoặc là năng
lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục.
Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi thì đất nước Việt Nam được xem là một
trong những nước có nguồn tài nguyên năng nượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng
gồm : Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh
học, địa nhiệt Các nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng
sinh thái.
Trước nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm
khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần giảm
gánh nặng về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền thống đang
dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát truyển
bền vững.
Nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện
nay. Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào ở nước ta. Việt
Nam là một trong các quốc gia có bờ biển rất dài, dài đến hơn 3200 km. Quanh
năm sóng biển vỗ bờ. Bên cạnh đó, nước ta cũng có nhiều hải đảo. Quanh đảo là
biển, vì vậy năng lượng của sóng biển ven bờ biển của nước ta là rất lớn. Do đó,
việc nghiên cứu chuyển đổi năng lượng của sóng biển thành năng lượng điện là
cần thiết mà có thể góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện của
nước ta hiện nay và tương lại.
So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, thì năng lượng sóng biển có mức
đầu tư ít hơn, tính an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn,
không cần một bộ máy điều hành lớn và phức tạp, mứ độ ảnh hưởng đến cảnh quan

môi trường không cao. Tuy nhiên, trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang
được nghiên cứu và khai thác tại Việt Nam thì năng lượng sóng biển chưa nhận
được nhiều quan tâm nghiên cứu và khai thác. Mặc dù, được biết rằng hiệu suất
chuyển đổi thành năng lượng điện của nguồn năng lượng này là khá cao.


4
Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn
chưa đạt được các kết quả khả quan. Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển
và thế giới đang phải đối mặt với những hậu quả nghiêm trọng do vấn đề biến đổi
khí hậu gây ra thì các nhà khoa học tin tưởng rằng có thể chuyển hóa năng lượng
của sóng biển thành năng lượng điện nhờ các bộ chuyển đổi năng lượng.
Năm 1799, Girardson, France là người đầu tiên được cấp bằng phát minh về
việc khám phá nguồn năng lượng sóng biển. Năm 1960. Masuda, Japan đã thiết kế,
chế tạo và thương mại tiếp thị chuyển đổi năng lượng sống biển đầu tiên. Đó là
chiếc phao nhẹ trôi trên biển và tự nạp điện.
1.2 Mục tiêu của luận văn
Với các phân tích và đánh giá mà đã được trình bày ở phần trên, các mục tiêu
chính cần được nghiên cứu và thực hiện của luận văn này bao gồm :
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn điện năng lượng
tái tạo, trong đó có nguồn điện năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành năng
lượng điện.
- Nghiên cứu và phân tích cho một vài bộ biến đổi năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu và phân tích máy phát điện đồng bộ năm châm vĩnh cửu tuyến
tính được sử dụng trong các bộ biến đổi năng lượng sóng biển
- Mô phỏng máy phát điện đồng bộ nam trâm vĩnh cửu tuyến tính của các bộ
biến đổi năng lượng sóng biển bằng phần mềm Simulink/ Matlab.
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu và phân tích máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuyến

tính của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu cho một hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng
lượng điện độc lập và phụ tải trở không đổi.


5
- Nghiên cứu giả thiết bỏ qua các ảnh hưởng của các yếu tố mà có thể ảnh
hưởng đến hiệu quả biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện.
1.4. Cấu trúc của luận văn
 Chương 1 : Giới thiệu
 Chương 2 : Tổng quan về tình hình nghiên cứu và khai thác năng
lượng sóng biển trên thế giới tại Việt Nam
 Chương 3 : Năng lượng sóng biển
 Chương 4 : Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu tuyến chính
được sử dụng trong các bộ biến đổi năng lượng sóng biển
 Chương 5 : Mô phỏng phân tích máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu tuyến tính được sử dụng trong các bộ biến đổi năng lượng
sống biển
 Chương 6 : Kết thúc và hướng phát triển tương lai






6

Chương 2
TỔNG QUAN

2.1 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lƣợng sóng biển trên thế giới
Từ những năm 70 của thế 20 , các nước có vùng biển rộng và khoa học tiên
tiến như Na Uy, Thụy Điển, Mỹ, Pháp và Nhật Bản đã có các chương trình nghiên
cứu về năng lượng sóng. Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây dựng ở Na
Uy năm 1984 và hoàn thành vào năm 1986.
Châu Âu là khu vực đứng đầu trong việc áp dụng năng lượng sóng. Hiện nay
đã có 4 dự án khai thác thương mại năng lượng sóng. Giá thành điện năng từ gió
hiện nay đã giảm 80% trong vòng 20 năm vừa qua nhờ có các tiến bộ và thiết bị
và tối ưu trong kết cấu. Với giá cả ban đầu khoảng ½ giá ban đầu của năng lượng
gió và ¼ giá hiện thời của năng lượng bin mặt trời, năng lượng sóng có tiền năng
rất lớn để trở thành năng lượng có rẻ nhất trong tương lai.
Năm 2004, nghiên cứu khải thi của EPRI cho thấy tiền năng của năng lượng
sóng tại khu vực Bắc Mỹ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng thủy triều. Kết luận
của nghiên cứu này là giá thương mại hiện nay của điện năng từ sóng biển tại một
số khu vực triển vọng trong khoảng 11-13 cent/kWh nhưng giá này sẽ giảm mạnh
do có nhiều cải tiến trong công nghệ và kỹ thuật.
Hiện nay, mới có một số ít MW điện năng khai thác được từ sóng biển. Nhà
máy điện thương mại từ sóng biển đầu tiên với công suất 30 MW được xây dựng ở
Bồ Đào Nha. Tại Mỹ, mới có phao năng lượng sóng đầu tiên với công suất 40 kW
tại căn cứ biển ở Kanvohe Hawaii. Bản quyền ứng dụng nhà máy điện phục vụ dân
sinh cỡ thực tế đầu tiên được thực hiện tháng 11/2006 với công suất 1 MW tại vịnh
Makah, Washington, Mỹ.


7
Nước Anh đã chi 2,3 triệu bản Anh hỗ trợ Wavegen tiến hành các thử nghiệm
các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển tại vùng biển phía tây Isles năm 2002.
Nguồn kinh phí này dùng sử dụng để thử nghiệm 3 thiết bị năng lượng sóng ven bờ
dựa trên nguyên lý dao động cột nước. Một dự án với kinh phí 3,7 triệu bảng Anh
có mục tiệu tập hợp các thiết bị khai thác năng lượng sóng cho khu vực tây Isles đã

công bố là đạt được một số bước tiến gần với thực hiện, cho thấy hiện nay nước
Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng.
Theo Tân Hoa xã, các nhà khoa học Trung Quốc vừa xây dựng thử nghiệm
một nhà máy điện sóng biển có thể chịu được những cơn bão. Y. Yage phụ trách
nhóm các nhà khoa học thuộc Viện khoa học Trung Quốc tại Quảng Châu cho biết,
nhà máy điện mới đạt hiệu quả hơn, chi phí thấp hơn và chịu được những cơn bão.
Nhà máy điện công suất 6 kW đã được thử nghiệm và hoạt động tốt sau hơn 20
cơn bão. Theo các nhà khoa học, việc thử nghiệm cho thấy thiết bị này có thể sử
dụng để thắp sáng đèn, máy tính máy điều hòa khử muối khỏi nước biển. Y. Yage
và các cộng sự đã chế tạo thành công nhà máy điện sóng đặt tại thành phố
Shanwei, miền nam Trung Quốc, thuộc tỉnh Quảng Đông.
Tập bản đồ năng lượng tái tạo trên biển của Liên hiệp Anh là một nguồn
thông tin để phục vụ cho việc quy hoạch khai thác các nguồn năng lượng biển nói
chung và năng lượng sóng nói riêng. Tập bản đồ sóng là phương tiện để xác định
các phân bố về năng lượng sóng theo các thời gian khác nhau trong năm và các
khu vực biển khác nhau tại khu vực biển ven bờ và ngoài khơi Liên hiệp Anh. Dự
án xây dựng tập bản đồ này được Bộ Công thương Anh tài trợ.
Nguồn số liệu chính cho cả trường gió synnop và trường sóng để xây dựng
tập bản đồ năng lượng sóng được thu thập từ các mô hình dự báo nghiệp vụ của
Anh hiện nay đã bao phủ trên diện tích tích toàn cầu, khu vực Châu Âu và vùng
biển Liên hiệp Anh với các lưới tưng ứng là 60; 35 và 12km. Mô hình tính sóng
được sử dụng là mô hình tính sóng tương thích với nguồn số liệu gió. Các kết quả
được đưa ra 3 giờ một lần bao gồm các kết quả định lượng về độ cao sóng hữu
hiệu, chu kỳ sóng đi qua điểm trung bình và hướng sóng trung bình.


8
Mô hình tính sóng sử dụng là mô hình tính sóng thế hệ hai với các chu kỳ
sóng tính toán dao động trong dải 3 giây đến 25 giây và với bước sóng trong
khoảng từ 15m đến 975m. Số liệu gió đưa vào là số liệu gió tại tầng 10m trên mặt

biển nhận được từ cơ quan Khí tượng Anh. Số liệu gió này đồng hóa từ các số liệu
gió thu được từ vệ tinh, số liệu gió quan trắc trên tàu biển và các số liệu gió từ các
hệ thống phao đo đạt trên mặt biển. Tốc độ gió, thời gian gió thổi và hướng gió
được xác định theo các khoảng chu kỳ và hướng để tạo ra năng lượng sóng trong
mô hình tính sóng thông qua cơ chế truyền năng lượng của gió cho sóng trong
sóng gió. Các thành phần phổ sóng được tham số hóa theo các đỉnh phổ và dựa vào
đó để lựa chọn các phổ JONSWAP tương ứng, mô phỏng sự phát triển của sóng
gió.
Để có được chế độ sóng, các nhà khoa học đã sử dụng số liệu trường gió và
sóng khôi phục trong thời gian từ 6/2000 đến 9/2003. Các số liệu nhận được của
mô hình tính sóng cho toàn Châu Âu.
Tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp Anh bao gồm các thông tin về
tường sóng:
 Độ cao sóng hựu hiệu,
 Chu kỳ sóng trung bình,
 Hướng truyền năng lượng sóng.
Hình 2.1 đưa ra bản đồ trung bình năm độ cao sóng cho khu vực vùng biển Liên
hiệp Anh.


9

Hình 2.1 Bản đồ trung bình năm của độ cao song cho khu vực vùng biển
liên hiệp Anh
Độ cao sóng rất lớn tại các vùng biển lớn thoáng trực tiếp với khu vực Đại
Tây Dương. Như vậy, khu vực có tiềm năng năng lượng sóng lớn nhất và có khả
năng xây dựng các nhà máy khai thác năng lương sóng là khu vực bờ tây của
Scotland, Tây nam xứ Wale và Cornmwall. Trong tập bản đồ năng lượng sóng của
Liên hiệp Anh, năng lượng sóng được tính toán dựa trên biểu thức:
P

W
= 0.0623ρgH
s
C
g

( 2.1 )
Trong đó:
P
W
: là năng lượng song cho một mét đỉnh song
ρ : là mật độ nước (1025 kg/m
3
)
g : là gia tốc trọng trường (m/s
2
)
H
s
: là độ cao song hữu hiệu (m)
C
g
: là tốc độ nhóm song (m/s)



10
Tiềm năng năng lượng sóng được tính toán và xây dựng bản đồ năng lượng
sóng cho các vùng biển Liên hiệp Anh gồm:
- Atlat năng lượng sóng trung bình năm.

- Atlat năng lượng sóng theo mùa ( bốn mùa )

* Mùa đùa ( tháng 12, tháng 1 và tháng 2 )
* Mùa xuân ( tháng 3, tháng 4 và tháng 5 )
* Mùa hè ( tháng 6, tháng 7 và tháng 8 )
* Mùa thu ( Tháng 9, tháng 10 và tháng 11 )
- Atlat năng lượng sóng theo tháng.
Trên hình 2.2 giới thiệu bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực
vùng biển Liên Hiệp Anh.



11

Hình 2.2, giới thiệu bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực
vùng biển Liên Hiệp Anh
2.2 Tình hình nghiên cứu và khai thác năng lƣợng sóng biển tại Việt Nam
Việt nam là một quốc gia ven biển nằm bên bờ Tây của Biển Đông, giữ vị trí
chiến lược về địa lý, chính trị và kinh tế không phải quốc gia nào củng có. Với bờ
biển dài hơn 3260 km trải dài từ Bắc tới Nam, đứng thứ 27 trong số 157 quốc gia
ven biển, đảo trên thế giới.
Vùng biển nước ta có khoảng 3000 đảo lớn nhỏ và quần đảo xa bờ là Hoàng
Sa và Trường Sa được phân bố khá đều theo chiều dài bờ biển của đất nước. Một
số đảo ven bờ còn có vị trí quan trọng được sử dụng làm các điểm mốc quốc gia
trên biển để thiết lập đường cơ sở ven bờ lục địa Việt Nam, từ đó xác định vùng
nội thủy, lãnh hải, vùng tiếp giáp lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa,
làm cơ sở pháp lý để bảo vệ chủ quyền quốc gia trên các vùng biển.
Biển Đông là vùng nhộn nhịp thứ hai trên thế giới sau Địa Trung Hải, chiếm
khoảng ¼ lưu lượng tàu hoạt động trên các vùng biển toàn cầu. Là tuyến hàng hải
huyết mạch mang tính chiến lược của nhiều nước trên thế giới và khu vực, nối liền

Thái Bình Dương với Ấn Độ Dương, Châu Âu, Trung Đông với Châu Á và giữa
các nước Châu Á với nhau.
Cùng với đất liền, vùng biển nước ta là một khu vực giàu tài nguyên thiên
nhiên, là ngư trường giàu có nuôi sống hàng triệu ngư dân và gia đình từ bao đời


12
qua, là một vùng kinh tế nhiều thập kỷ phát triển năng động, là nơi hấp dẫn của các
nhà đầu tư và thị trường thế giới đến khảo sát và nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác
nhau trong đó nghiên cứu năng lượng sóng biển chuyển thành năng lượng điện
được các nước đầu tư nghiên cứu trong đó có Việt Nam.
Do đặc điểm phức tạp về thiết kế và chế tạo các thiết bị biến đổi năng lượng
sóng biển thành các nguồn năng lượng khác nói chung và năng lượng điện năng
nói riêng nên việc sử dụng và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo trên biển vào
thực tế tại Việt Nam vẫn còn đang ở giai đoạn nghiên cứu và đánh giá tiềm năng.
Năm 2000, cục Hàng hải đã đặt mua một máy phát điện bằng năng lượng
sóng ( Model TGW – 3A – Wave Activeted Generator ) với giá 2917 USD của
Nhật Bản và lắp đặt thiết bị này để chạy đèn tín hiệu báo luồng ra vào cảng tại
phao số “0” tại cảng Cửa Lò. Cho đến nay, thiết bị này đang hoạt động tốt, đạt
hiệu quả rất cao trong các điều kiện thời tiết nguy hiểm.
Nguyên nhân chính của việc sử dụng hạn chế các các nguồn năng lượng sóng
biển so với các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống khác như năng lượng mặt
trời là vì việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị này phức tạp hơn nhiều
lần và điều này dẫn đến giá thành các hệ thống phát điện này cao hơn nhiều lần
(giá một hệ thống biến đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện cao hơn 5 lần
so với giá giàn pin năng lượng mặt trời trang bị cho các phao tiêu).
Tuy nhiên, từ thực tế sử dụng cho thấy các điều kiện thời tiết gió mùa đông
bắc, có sương mù các giàn pin năng lượng mặt trời thường làm việc kém hiệu quả.
Trong khi đó, các động cơ phát điện bằng năng lượng sóng biển lại có thể làm việc
suốt ngày đêm trong mọi điều kiện về thời tiết.

Một trong các kết quả nghiên cứu khoa học về sử dụng năng lượng sóng biển
ở nước ta là đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “ Nghiên cứu sử dụng năng lượng
sóng biển làm nguồn chiếu sáng phao tín hiệu hoạt động ngoài khơi biển Việt
Nam”. Đề tài được thực hiện trong năm 2000, 2001 do bộ giao thông vận tải là cơ
quan chủ quản và Viện khoa học công nghệ Giao Thông vận tải làm cơ quan chủ


13
trì với sự hợp tác của Khoa môi trường, Đại học quốc gia Hà Nội và Cục Hàng Hải
Việt Nam.
Đề tài cấp viện Khoa học và công nghệ Việt Nam “ đánh giá tiềm năng năng
lượng biển Việt Nam” do PGS.TS. Đỗ Ngọc Huỳnh, Viện cơ học chủ trì đã được
tiến hành trong các năm 2002 – 2003 kết quả chính của đề tài là đã đưa ra được
bức tranh tổng hợp của tiềm năng năng lượng thủy triều, sóng và dòng chảy ở vùng
biển Việt Nam. Kết quả nghiên cứu tính toán năng lượng sóng biển cho dải ven
biển Việt Nam của đề tài được báo cáo tại Hội nghị Khoa học toàn quốc “ Năng
lượng biển Việt Nam – Tiềm năng công nghệ và chính sách” với các nội dung
chính như sau :
Dòng năng lượng sóng được tính theo phổ sóng của Davidan. Đã xây dựng
chương trình tính dòng năng lượng sóng theo các công thức tính năng lượng sóng
số liệu đưa vào là các kết quả tính toán chế độ trường sóng ven bờ phục vụ xây
dựng công trình biển của đề tài Cấp Nhà nước KHCN – 06 – 10 “ Cơ sở khoa học
và các đặc trưng kĩ thuật đới bờ phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ” bao
gồm phân bố độ cao và chu kỳ sóng.
Đã tính toán theo phương pháp thống kê chế độ với tất cả các tổ hợp độ cao
và chu kỳ sóng lớn hơn 0,5m và 5s. Sau đó, tính tổng năng lượng sóng cho các tổ
hợp nêu trên với tần suất xuất hiện của từng tổ hợp kết quả đã tính toán năng
lượng sóng cho 83 điểm dọc bờ biển Việt Nam. Các kết quả tính toán là dòng năng
lượng sóng KW/m cho từng tháng và trung bình năm tại các điểm tính cho mỗi
mét chiều dài bờ biển vuông góc với đường bộ.

Một số các nghiên cứu tính toán khác với các kết quả đạt được cho thấy tiềm
năng lượng sóng dọc dài ven biển nước ta tương đối phong phú và phụ thuộc trực
tiếp vào hai mùa gió đông bắc và tây nam. ở các vùng thoáng, có đà sóng lớn theo
các hướng Đông Bắc, Tây Nam và Nam đều nhận được dòng năng lượng sóng khá
lớn. Dựa theo các kết quả tính toán đã tiến hành phân vùng tiềm năng năng lượng
sóng dọc dải ven biển Việt Nam, theo đó được phân thành 6 vùng với các đặc
trưng năng lượng sóng như sau :


14

Hình 2.3 Sơ đồ các điểm tính dòng năng lượng sóng và phân vùng tiềm năng năng
lượng sống biển dải ven biển Việt Nam



15
- Vùng 1 : Bắc vịnh Bắc Bộ từ móng Cái đến Thanh Hóa: tại vùng này, do đặc
điểm rất thoáng đối với sóng từ phía Nam – là trường sóng chiếm ưu thế trong gió
mùa tây nam tại khu vực Vinh Bắc Bộ nên năng lượng sóng chiếm ưu thể vào các
tháng 6 – 7 – 8 với giá trị từ 16 kW/m trở lên vào thời gian này. Vào mùa đông bắc
trường sóng tại khu vực này bị giới hạn bởi đà sóng ngắn trên năng lượng sóng
không lớn. Tại các trạm phía nam của vùng này ( từ trạm 7- 11 ) năng lượng sóng
khá đều quanh năm đạt từ 15 kW/m trở lên. Dòng năng lượng sóng trung bình năm
của vùng này đạt khoảng 15 kW/m.
- Vùng 2 : Từ Thanh Hóa – Quãng Bình là vùng phía nam vinh Bắc Bộ với đặc
điểm là dòng năng lượng sóng trong gió mùa đông bắc chiếm ưu thế. Tại vùng này,
từ tháng 10 năm trước đến tháng 2 năm sau, dòng năng lượng sóng đạt giá trị 30
kW/m trở lên trong mùa gió mùa tây nam, vào các tháng mùa hè, năng lượng sóng
tại khu vực này nhỏ hơn 20 kW/m. Dòng năng lượng sóng trung bình của khu vực

này đạt khoảng 25 kW/m.
- Vùng 3 : Quảng Bình đến Quãng Nam là khu vực Bắc Miền Trung. Đây là khu
vực có dòng năng lượng khá nhỏ quanh năm vì nguồn gió mùa đông bắc trường
sóng bị đảo Hải Nam che chắn trong khi đó trong mùa gió tay nam thì gió thường
thổi từ trong bờ ra. Tuy nhiên, vào mùa đông, dòng năng lượng sóng tại vùng biển
này khá mạnh. Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng này đạt khoảng 10
kW/m.
- Vùng 4 : Từ Quãng Ngãi đến Ninh Thuận – khu vực nam trung bộ. Đây là vùng
có dòng năng lượng sóng mạnh nhất trên toàn dải ven bờ Việt Nam vì là vùng tiếp
xúc trực tiếp với biển khoáng và có đà sóng gần như không bị giới hạn, trong cả
hai mùa gió thịnh hành. Trong gió mùa đông bắc, năng lượng sóng tại vùng này đạt
khoảng 30 kW/m trở lên. Đặc biệt, tại các vùng ven bờ Phú Yên, Ninh Thuận,
dòng năng lượng sóng đạt xấp xỉ 100 kW/m. Dòng năng lượng sóng trung bình
năm của vùng này đạt khoảng 18 kW/m.
- Vùng 5 : Từ Bình Thuận đến Mũi Cà Mau – khu vực đồng bằng nam bộ. Dòng
năng lượng sóng tại vùng này không lớn. Vì ở đây tác động của trường sóng trong


16
gió mùa đông bắc đã bị yếu đi. Dòng năng lượng sóng trung bình năm của vùng
này đạt khoảng 18 kW/m.
- Vùng 6 : Ven bờ phía tây từ Cà Mau đến Kiên Giang – khu vực biển phía tây
nam là vùng có dòng năng lượng sóng yếu nhất trong toàn dải ven biển Việt Nam
có những trạm quanh năm độ cao sóng nhỏ hơn 0,5m và chu kỳ sóng nhỏ hơn 5s.
Do đó, không tính năng lượng sóng. Dòng năng lượng sóng lớn nhất phía tây đảo
Phú Quốc với khoảng 15 kW/m và xảy ra vào thời gian tháng 8, thời gian hoạt
động mạnh của gió mùa tây nam. Dòng năng lượng sóng trung bình của vùng này
là khoảng 5-6 kW/m.
Có thể nhận thấy rằng năng lượng gió và năng lượng mặt trời đều bị hạn chế,
vì lúc có lúc không. Trong khi đó, năng lượng sóng biển thì luôn luôn tồn tại bất kể

mưa nắng, ngày đêm.
Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 – 2015 có xét đến
2025 đã được thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 18 tháng 7 năm 2007, chương
trình phát triển nguồn điện giai đoạn 2011 – 2015 đối với phương án phụ tải cơ sở
( với nhu cầu điện 190 tỷ kWh vào năm 2015 ) được xác định có xem xét tới khả
năng tham gia của năng lượng tái tạo trong hệ thống điện Việt Nam.
* Giai đoạn 2008 - 2015
Theo dự báo quy hoạch điện thì sự đóng góp của các nguồn năng lượng điện
tái tạo sẽ tăng 17% đến năm 2015 và là 1424 ; năm 2020 là 2774 MW ; năm 2025
là 3824 MW chiếm 3% trong tổng các nguồn điện của cả nước.
Để đáp ứng được tỉ lệ đóng góp cũng như giảm thiểu việc sử dụng nguồn
nhiên liệu hóa thạch và tác động xấu đến môi trường, phương án nguồn điện tái tạo
là phương án được đề xuất cao, trong đó nguồn thủy điện nhỏ chiếm gần 30% ( đối
với miền bắc ), Khoảng 80 – 90% ( đối với miền trung ), khoảng 33-36% ( đối với
miền nam). Sự đóng góp các nguồn điện tái tạo ở miền trung là lớn nhất, sau đó
đến miền Bắc và cuối cùng là miền Nam. Điều này chứng tỏ tiềm năng khai tác các
nguồn năng lượng tái tạo của miền Trung là lớn nhất.


17
Với chương trình phát triển nguồn điện tái tạo này, đến năm 2015 tổng công
suất nhà máy điện tái tạo của nước ta là 2603 MW. Trong đó, thủy điện nhỏ chiếm
76,3%; năng lượng sinh học chiếm 12,15%; năng lượng gió chiếm 8,34%; còn lại
là các nguồn năng lượng tái tạo khác.
* Giai đoạn 2016 - 2025
Đến năm 2020 tổng công suất lắp đặt của các nguồn năng lượng điện tái tạo
của nước ta là 3859,4 MW. Trong đó : thủy điện nhỏ 2684 MW ( 69,54%) ; điện
gió 484 MW ( 12,54%); năng lượng sinh học 400,7MW ( 400, 7MW ( 10,38%) ;
còn lại là các nguồn năng lượng tái tạo khác.
Với tiềm năng năng lượng sóng biển trên các vùng biển Việt Nam cũng như

các điều kiện tự nhiên ưu đãi khác, Việt Nam hoàn toàn là một quốc gia có thể lắp
đặt và khai thác một cách mạnh mẽ nguồn năng lượng tái tạo này. Tuy nhiên, trong
quá trình khai thác một số các yếu tố cũng cần phải được lưu ý như sau. Việt Nam
bao gồm các vùng biển mà thuộc 1 trong 5 ổ bão trên thế giới. Thông thường, mùa
bão và áp thấp nhiệt đới sẽ kéo dài từ tháng 5 đến tháng 12 và quy luật hoạt động
của bão khá phức tạp. Theo số liệu thống kê của khoảng 80 năm trở lại đây, hàng
năm có khoảng từ 1 – 12 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào vùng biển và ven
bờ nước ta. Vì vậy, trung bình mỗi năm có khoảng 6 cơn bão và 6 cơn áp thấp
nhiệt đới, trong đó có khoảng 25 – 30 % số cơn xuất hiện trong khu vực đông nam
Biển Đông.
Căn cứ vào các số liệu thống kê này, việc đề xuất các hệ thống khai thác
năng lượng sóng biển có khả năng chịu đựng được các cơn bão đi qua khu vực
khai thác là một trong những yêu cầu quan trọng hàng đầu.
Bên cạnh đó, cũng cần phải nhìn nhận thêm rằng mặc dù nguồn năng lượng
tái tạo nói chung và nguồn năng lượng sóng biển nói riêng có ý nghĩa rất lớn trong
việc tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Tuy nhiên,
hiện nay xét về giá cả thì các nguồn năng lượng tái tạo không thể cạnh tranh được
với các nguồn năng lượng truyền thống. Vì vậy, việc đầu tư để phát triển là thật sự
cần thiết ở Việt Nam. Để thực hiện được điều này, các cung pháp lý cần phải được


18
xây dựng đủ hấp dẫn để thu hút các doanh nghiệp, các nhà đầu tư tài chính trong
và ngoài ngoài nước tham gia khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và
nguồn năng lượng sóng biển nói riêng và cũng cần phải có một chiến lược phát
triển bền vững cho Việt nam về vấn đề năng lượng.


19
Chƣơng 3

NĂNG LƢỢNG SÓNG BIỂN
3.1 Giới thiệu
Sóng biển là quá trình thay đổi mặt nước tuần hoàn giữa các vị trí mặt nước
cao – đỉnh sóng và mặt nước thấp – bụng sóng.
Sóng biển được đặc trưng bởi các yếu tố như sau :
- Chu kỳ sóng, T là thời gian để một đỉnh và một bụng sóng đi qua một điểm cố
định
- Tần số sóng, f là số dao động trong một giây
1
f
T


(3.1)
- Tốc độ pha, C là tốc độ chuyển động của mặt song
L
C
T


(3.2)
- Độ dài sóng, L là chiều dài hai đỉnh hoặc hai bụng sóng kế tiếp
- Độ cao sóng, H là khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp.
- Độ sâu, d là khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước trung bình
Dạng sóng biểu thị hình dạng của mặt nước khi có sóng mà sẽ phụ thuộc rất
nhiều vào các điều kiện khác nhau như: vùng nước sâu, nước nông, vùng gió
thổi, Sóng sẽ có dạng khác nhau và tính chất sóng cũng có thể khác nhau như
sóng điều hòa và không điều hòa. Dạng sóng đơn giản nhất là sóng tuyến tính với
phương trình mô tả dạng của mặt nước tự do khi có sóng là một hàm của thời gian,
t; khoảng cách, x.

2 2 2 2
cos( ) cos( ) cos( )
22
x t H x t H
a kx t
L T L T
   

     

(3.3)
Trong đó :
η : là biến đổi độ cao mặt nước so với mực nước biển trung bình khi lặng sóng


20
3.2 Phân loại sóng biển
Sóng trên biển có thể phân loại theo nguồn gốc, bản chất hiện tượng, độ cao,
độ sâu, tỷ số giữa bước sóng và độ sau, v.v
3.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tƣợng
Sóng gió là sóng chịu ảnh hưởng của gió sinh ra nó. Sóng lừng là sóng vượt
ra ngoài vùng tác động của gió, cũng tương tự như vậy có thể xác định các loại
sóng theo nguồn gốc sinh ra nó. Bảng. 3.1 là bảng phân loại sóng theo nguyên
nhân và hiện tượng.
Bảng 3.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng
Hiện tƣợng
Nguyên nhân
Chu kỳ
Sóng gió
Lục kép của gió

Đến 15 giây
Sóng lừng
Sóng gió truyền đi
Đến 30 giây
Sóng Seiche
Áp và gió
2-40 phút
Sóng Surf beat
Nhóm sóng
1-5 phút
Sóng cộng hưởng trong cảng
Tsunami, Surf beat
2-40 phút
Tsunami
Động đất
5-60 phút
Thủy triều
Lực hút của Mặt Trăng, Mặt Trời
12-24 phút
Nước dâng
Lực kéo của gió, độ giảm áp
1-30 ngày
3.2.2 Phân loại sóng theo độ cao
Theo độ cao sóng, có thể phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao và độ dài sóng
(độ dốc) và độ cao sóng với độ sâu biển.
Sóng được gọi là có độ cao vô cùng nhỏ khi độ dốc nhỉ H/L ~ 0 và tỷ số giữa
độ cao sóng và độ sâu biển nhỏ H/d ~ 0.


21

Sóng được gọi là có độ cao hữu hạn khi không thỏa mãn một trong hai điều
kiện trên.
3.2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền và phát sinh
Theo tỷ số giữa độ sâu với độ dài của sóng có thể phân ra 3 vùng sóng lan
truyền hoặc phát sinh.
Bảng 3.2 Phân loại sóng theo vùng sóng truyền và phát sinh
Phân loại
d/L
2 πd/L
Tanh (2πd/L)
Nƣớc sâu
> 1/2
> π
~ 1
Biến dạng
1/25 – 1/2
1/4 – π
Tanh (2πd/L)
Nƣớc nông
< 1/25
< 1/4
~ 2πd/L
3.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu
Số Uesel được sử dụng để phân loại sóng theo tỷ số giưa độ cao, đồ dài và độ
sâu biển:
2
3
r
HL
U

d


(3.4)
Trong đó :
U
r

= 0 : Lý thuyết sóng tuyến tính
U
r

nhỏ : Lý thuyết sóng Stokes
U
r

lớn : Lý thuyết sóng Cnoidal
Ngoài ra, có thể phân loại theo các đặc điểm của các lực tác động lên tường
sóng, theo lực tác động lên hạt nước sau khi bị nhiễu động trở về vị trí cân bằng,
theo biến động của trường sống theo thời gian , theo đặc điểm lan truyền của mặt
sóng hoặc theo dạng của mặt sóng, V.v
Các loại sóng được phân loại nêu trên có thể là :


22
- Sóng cưỡng bức, sóng tự do;
- Sóng mao dẫn, sóng trọng lực ;
- Sóng ổn định, sóng đang phát triển ;
- Sống tiến, sóng đứng;
- Sóng hai chiều, sóng ba chiều ;

- Sóng đều hoặc sóng không điều.
3.3 Năng lƣợng sóng và thông lƣợng năng lƣợng sóng
3.3.1 Năng lƣợng sóng
Năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng.
Trong đó :
- Động năng được gây ra bởi tốc độ quỹ đạo của hạt nước trong chuyển động sóng.
- Thế năng thể hiện ở độ cao của phần nước phía trên bụng sóng.
Theo lý thuyết sóng tuyến tính, thế năng tương ứng với mực nước trung bình
khi lặng sóng. Các sóng chuyển động theo một hướng thì các thành phần thế năng
và động năng bằng nhau. Năng lượng cho mỗi bước sóng ( độ dài sóng) trên một
đơn vị bề rộng của đỉnh sóng là :
2 2 2
16 16 8
kP
gH L gH L gH L
E E E
  
    

(3.5)
Tổng năng lượng trung bình cho một đơn vị bề mặt biển – mật độ năng lượng
sóng là :
2
8
E gH
E
L



(3.6)
3.3.2 Thông lƣợng năng lƣợng sóng
Thông lượng năng lượng sóng là năng lượng sóng truyền theo hướng truyền
sóng qua một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng tính từ mặt biển đến


23
đáy biển. Thông lượng năng lượng trung bình cho một đơn vị đỉnh sóng, truyền
qua một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng sẽ được biểu diễn như sau :
g
P EnC EC

( 3.7)
Trong đó :
P
: là thông lượng năng lượng sóng, mà còn được gọi là lực sóng
- Tại vùng nước sâu :
0
0
1
2
P E C

(3.8)
- Tại vùng nước nông :
g
P EC EC

(3.9)
Khi đỉnh sóng song song với các đường đẳng sâu, phương trình cân bằng

năng lượng sóng sẽ là :
0
00
E n C EC

(3.10)
Với
0
1
2
n 
, suy ra
0
0
1
2
E C EC

(3.11)
Khi đỉnh sóng không song song với đường đẳng sâu, ( 3.10) sẽ không đứng vì
các sóng sẽ truyền với các tốc độ khác nhau mà thông thường được gọi là hiện
tượng khúc xạ.
Tốc độ của nhóm sóng hay tốc độ truyền năng lượng sóng C
g
được xác định
bởi :


24
1 4 /

1
2 sinh(4 / )
g
L d L
C nC
T d L



  



(3.12)
Trong dó : C là tốc độ pha của sóng
 
2
tanh tanh
22
g
gL d gL
C kd
L







(3.13)
Trong đó : k là số sóng
3.4 Các hệ thống biến đổi năng lƣợng sóng biển
Sóng biển tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn. Từ hơn 100 năm trước, con
người đã dùng sóng biển để phát điện. Phương pháp tạo ra điện năng từ sóng biển
là dùng máy phát điện đặt nổi trên mặt biển, pít – tông nối liền với phao. Hẹ thống
này hoạt động dựa trên nguyên lý lên xuống, biến động lực của sóng biển thành áp
suất không khí bị nén. Không khí bị nén dưới áp suất cao làm cho tuabin của máy
phát điện hoạt động. Khi đó, năng lượng của sóng biển được chuyển thành năng
lượng điện.
Khoa học công nghệ không ngừng phát triển đã tạo tiền đề cho việc sản xuất
ra năng lượng điện từ nguồn năng lượng sóng biển. Quá trình này đã có các bước
phát triển đột phá trong việc nghiên cứu các hệ thống biến đổi năng lượng góp
phần giải quyết được nhu cầu về điện năng hiện nay và trong tương lai. Một vài hệ
thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện đã được nghiên cứu và
đưa vào ứng dụng thực tế bao gồm :
a. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
b. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
c. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda
d. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing
e. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave
Swing


25
f. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
g. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser
h. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển wave Oyster
3.5 Hệ thống biến đổi năng lƣợng sóng biển Pelamis
3.5.1 Cấu tạo của hệ thống biển đổi năng lƣợng sóng biển Pelamis

Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một hệ thống bao gồm :
- Phao là một thiết bị hình trụ sử dụng vật liệu sắt có đường kính 3,5m và
chiều dài 30m.
- Các phao được kết nối với nhau thông qua một hệ thống phao bằng khớp
nối nơi cho phép biến đổi năng lượng sống biển thành năng lượng điện.
Thiết bị phao này có đường kính 3,5m và chiều dài 5m.
Toàn bộ hệ thống Pelamis này được lắp đặt ngoài khơi tại vị trí có mực nước
sâu. Với một nữa nổi và một nữa chìm. Hệ thống Pelamis được cố định thông qua
cáp neo ở đấy biển.

30
m
3,5m

Hình 3.1 phao của hệ thống biến đổi năng lượng song biển pelamis