Ebook năng lượng sóng biển khu vực biển đông và vùng biển việt nam phần 2 NXB khoa học tự nhiên và công nghệ

119

Chương III
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI
NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG

Chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng được thực hiện nhờ các thiết bị
như động cơ, máy phát - các thiết bị này chuyển đổi một phần chuyển động quỹ
đạo hình tròn của hạt nước trong sóng. Người lướt ván vùng sóng đổ cũng đóng
vai trò chuyển đổi năng lượng sóng bao gồm cả thế năng và động năng của
trường sóng khi sóng chuyển động vào bờ.
Năng lượng sóng có thể được tách ra từ 3 vectơ chuyển động thành phần của
trường sóng:
1. Thành phần chuyển động lên xuống;
2. Thành phần chuyển động ngang;
3. Thành phần chuyển động quay.
Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng được thiết kế để chuyển đổi một
hoặc nhiều các vectơ chuyển động thành phần nêu trên. Một vài loại thiết bị được
thiết kế để chuyển đổi thành phần chuyển động quay, chuyển động lên xuống hay
chuyển động ngang. Có loại thiết bị được thiết kế để chuyển đổi cùng một lúc hai
hay cả ba dạng chuyển động thành phần nêu trên.
Trong thực tế, trạng thái mặt biển bao gồm tổng hợp của sóng gió và sóng
lừng, tạo ra một trường sóng phức tạp bao gồm cả tương tác giữa sóng và gió,
sóng gió hiện tại và sóng lừng từ xa truyền đến, do vậy việc tạo ra các thiết bị
chuyển đổi năng lượng với trạng thái mặt biển hiện thực là một vấn đề rất phức
tạp về công nghệ.


Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

120

III.1. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
SÓNG
Theo đánh giá của Trung tâm Năng lượng Tái tạo trên biển Châu Âu, hiện nay
có khoảng 51 loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng [18]. Mặc dù vậy, số
lượng thiết bị này có thể ít hơn hiện thực nhiều vì tác giả đã không thống kê hết
các dạng thiết bị. Tuy chưa có được một tiêu chuẩn phân loại thống nhất, tất cả
các dạng thiết bị này có thể được phân loại theo 3 tiêu chí:
1. Theo tiêu chí về vị trí lắp đặt thiết bị;
2. Theo tiêu chí về độ sâu lắp đặt thiết bị;
3. Theo tiêu chí về nguyên lý vật lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng.
Ngoài ra cũng có các phân loại khác, ví dụ như loại thiết bị sử dụng cơ chế dao
động cột nước trong sóng và thiết bị sử dụng nguyên lý tràn nước trong sóng đôi
khi được gọi là thiết bị “ngăn chặn” sóng vì các thiết bị này dựa trên nguyên lý
chặn sóng để tạo ra năng lượng, trong khi đó các loại thiết bị dựa trên cơ chế
trường sóng tắt dần và cơ chế hấp thụ điểm có thể được phân loại dưới dạng thiết
bị “lựa theo chiều sóng”.
Trên bảng III.1 thống kê các dạng thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng theo 3
tiêu chí: tiêu chí vị trí lắp đặt thiết bị, tiêu chí độ sâu và tiêu chí về nguyên lý vật
lý và công nghệ chuyển đổi năng lượng.
Bảng III.1. Phân loại các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng [16]
Vị trí

Trên bờ

Gần bờ

Xa bờ

Độ sâu [m]

0

1 - 25

>25

Nguyên lý vật lý

Nhà thiết kế

Tên thiết bị

Dao động cột nước
trong sóng

Nhà máy PICO,
Azores

Sóng tràn

Tapchan, Na Uy

Dao động cột nước
trong sóng

Oceanlinx

Oceanlinx

Nước dâng do sóng

Aquamarine

Oyster

Sóng tràn/chặn sóng

Wavedragon

Wavedragon

Sóng tắt dần

Pelamis
WavePower

Pelamis

Sóng tắt dần

C-wave

C-wave

Sóng tắt dần

Raft design

Matifer

Hấp thụ điểm

Ocean Power
Technology

PowerbuOY


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

Hấp thụ điểm

AWS II

AWS II

Hấp thụ điểm

Finavera
Renewable

AquaBuOY

Hấp thụ điểm

Wavebob

Wavebob

Hấp thụ điểm

Camegie Corp.

CETO II

Hấp thụ điểm

WET-NZ

WaveWobbler

121

III.2. CƠ SỞ CÁC NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN
ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG THÀNH ĐIỆN NĂNG
III.2.1. Nguyên lý sử dụng dao động của sóng biển để tạo ra dao động
của hệ phao nổi, biến chuyển động sóng thành sự thay đổi của
áp suất không khí trong phao nổi
Dựa trên nguyên lý này có thể có phương pháp tạo ra điện năng trên cơ
sở biến dao động của phao để chạy máy phát điện. Trên hình III.1 vẽ sơ đồ
hoạt động của phương pháp này. Phao nổi có đường kính r chuyển động lên
xuống dọc theo một trục dẫn hướng (1) nhờ sóng biển. Trục dẫn hướng này
được cố định với đáy biển bằng một khớp cầu đặc biệt gọi là hỗn hợp khớp
nối (4). Trong phao nổi (2) được đặt một máy nén khí, máy nén chuyển động
được nhờ dao động lên xuống của phao nổi dưới tác động của sóng. Khí nén
tạo ra được điều chỉnh để chạy tuốc bin không khí cũng nằm trong phao nổi
(2) và tạo ra điện năng. Dọc theo trục dẫn hướng (1), phao nổi được giữ bằng
một hệ thống cáp kiểu lò xo có thể di động được (3) để điều chỉnh độ cao
thấp của phao theo mức nước hoặc theo thuỷ triều. Hộp khớp nối (4) nối với

một hệ thống gồm đường cáp nổi phụ (5), phao trợ giúp (9) và dây neo (8)
được giữ bằng hệ thống neo rùa. Hệ thống phụ trợ này sẽ làm tăng độ ổn
định vị trí cho phao nổi trên trục dẫn hướng. Toàn bộ hệ trục dẫn hướng,
phao nổi được gắn với trụ giữ phao (6) và móng đế (7). Móng đế này được
kết cấu bằng hệ neo cọc xuống đáy biển.
Tuốc bin khí này có thể chạy với tốc độ 3.000 vòng phút với hiệu suất
biến đổi năng lượng 45-60%. Trong thực tế với loại thiết bị biến đổi năng
lượng sóng kiểu này có thể tạo ra dòng điện có công suất từ vài W đến vài
ngàn kW.


122

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

Hình III.1. Nguyên lý sử dụng dao động của phao để tạo ra điện năng [15]

III.2.2. Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng
Có hai dạng thiết bị để biến đổi năng lượng sóng thành điện năng làm việc
theo nguyên lý này (xem hình III.2):
- Máy phát cảm ứng ở dạng phao dao động theo sóng (nam châm vĩnh cửu
dao động lên xuống, cuộn dây được cố định xuống đáy biển - hình 2a).
- Máy phát gắn với hệ thống phao cố định có gắn nam châm cố định với máy
phát cảm ứng (hình 2b).

Hình III.2. Nguyên lý biến đổi điện để tạo ra điện năng [15]


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

123

III.2.3. Nguyên lý sử dụng phương pháp dao động thuỷ lực để biến đổi
điện năng bằng cách tạo áp suất không khí
Thiết bị này dựa trên nguyên lý bơm (xem hình III.3). Ngoại lực tác động là áp
suất của sóng biển. Thiết bị bao gồm một ống biến đổi năng lượng (1), ống này
có thể gọi là vỏ máy, sẽ được gắn với phao nổi. Trong ống đặt một máy phát (2)
gắn với tuốc bin không khí phát điện (4). Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết
bị chuyển đổi năng lượng này như sau:

Hình III.3. Sử dụng dao động thủy lực để biến đổi năng lượng sóng
sang điện năng [15]


124

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

Cột sóng chuyển động nâng lên (đỉnh sóng) sẽ làm chuyển động cột nước
trong ống như một pistông, làm không khí có sẵn trong ống (1) coi như là xilanh,
tăng áp suất. Không khí trong ống bị nén tăng áp suất, khi đạt tới giá trị cực đại
(hình trái) sẽ làm mở các van dẫn không khí đã được tăng tốc qua các cánh
hướng dòng làm quay hệ thống cánh tuốc bin không khí (4), máy phát (2) sẽ làm
việc. Đó là chu trình tạo điện năng khi phao ở trên đỉnh sóng. Mô hình được mô
tả trên hình III.3. Khi sóng chuyển sang chu trình xuống (pha từ đỉnh sóng đến
bụng sóng) không khí từ phía ngoài sẽ được hút vào phần ống trên của phao nhờ
khi sóng hạ thấp vùng ống xi lanh dưới áp suất giảm (tạo chân không). Không
khí được hút vào khoang phao qua bộ cánh hướng dòng và sẽ làm quay tuốc bin
được kết cấu theo cánh hướng dòng. Các cánh hướng dòng được kết cấu sao cho
tuốc bin có chiều quay trùng với chiều quay trong trường hợp phao lên đỉnh

sóng. Tốc độ vòng quay của tuốc bin không khí sẽ được tính toán dựa vào bộ
cánh điều chỉnh hướng của tuốc bin gió và sự điều tiết lượng gió phù hợp với chu
kỳ và độ cao của sóng. Nếu thiết bị được sử dụng chỉ để tích điện ở điện áp thấp
(không cần điện áp ổn định) thì thiết bị này sẽ đạt hiệu quả biến đổi năng lượng
cao đối với mọi loại sóng. Ở Nhật đã sử dụng phương pháp này để tạo ra công
suất 2MW trên một trạm nổi ngoài biển từ năm 1979 đến nay.

III.2.4. Nguyên lý sử dụng phương pháp lắc có công suất lớn để biến
đổi năng lượng sóng sang cơ - điện năng

Hình III.4. Phương pháp lắc có công suất lớn để tạo điện năng từ năng lượng sóng [15]

Nguyên lý làm việc của thiết bị này như sau: bộ phao “con vịt” có phần phao
đối xứng được nối ghép với bộ truyền cơ năng và xoay dập dình quanh trục trụ
(2) (hình III. 4). Sóng biển với độ cao khác nhau sẽ tạo ra dao động cho phao và
tạo ra mô men đối với trục trụ và làm quay hệ cơ chứa trong trục trụ. Phần phao
đối xứng tạo ra cho phao dao động liên tục dập dình theo các pha lên xuống của


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

125

sóng. Với phương pháp này có thể biến đổi tới 80% năng lượng sóng ra cơ năng
và xấp xỉ 60-70% ra điện năng.

III.2.5. Nguyên lý tạo điện năng từ sóng với công suất nhỏ thông qua
tuốc bin thuỷ lực
Đây là phương pháp tạo ra điện năng khá đơn giản xong hiệu suất thấp và chỉ
ở phạm vi công suất nhỏ. Nguyên lý này được mô tả trên hình III.5 với quy trình

làm việc như sau:
Thiết bị tạo điện năng gồm một phao nổi có hình trụ hoặc hình cầu được định vị
và dẫn hướng theo trục định vị (4). Phần dưới đáy phao được lắp ghép một hệ máy
tuốc bin thuỷ lực tốc độ chậm và hệ biến đổi điện năng công suất nhỏ (thường dùng
bộ tích điện có công suất nhỏ). Khi phao chuyển động lên xuống theo sóng sẽ làm cho
tuốc bin thuỷ lực quay và như vậy tạo ra cơ năng để chuyển sang điện năng nhờ bộ
truyền và máy phát chứa trong phao nổi (3).

Hình III.5. Máy phát điện bằng tuốc bin thuỷ lực [15]

III.2.6. Nguyên lý tạo điện năng bằng guồng quay
Phương pháp này dựa trên nguyên lý tác động của sóng lên guồng quay làm
quay máy phát điện. Thiết bị gồm một phao nổi trên đó có đặt tuốc bin thuỷ lực và


126

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

máy phát điện. Nguyên lý làm việc của hệ thống phát điện theo nguyên lý guồng
quay được vẽ trên hình III.6. Thiết bị làm việc theo nguyên lý này thường được sử
dụng tại các vùng ven bờ có sóng thường xuyên với độ cao từ 0.5m trở lên.

Hình III.6. Phương pháp tạo điện năng từ sóng biển bằng guồng quay [15]

III.2.7. Phương pháp tích tụ năng lượng sóng biển để chuyển sang điện
năng với công suất lớn
Do trường sóng thực tế trên biển là một quá trình xác suất ngẫu nhiên nên tất
cả các loại thiết bị làm việc dựa theo 6 nguyên lý tạo ra điện năng nêu trên đều
gặp phải khó khăn là làm việc không đều, phụ thuộc trực tiếp vào độ cao và chu

kỳ của từng sóng riêng biệt. Các nhà kỹ thuật đã nghiên cứu nhiều giải pháp để
tập trung, tích trữ năng lượng sóng (giống như gương hội tụ ánh sáng mặt trời
trong công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời).
Một trong số các giải pháp tích tụ năng lượng sóng biển gọi là “Phương pháp
nắn chỉnh PACCELA” được trình bày dưới đây:
Sơ đồ làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA gồm (hình III.7):
- Máy phát điện (1),
- Tuốc bin thuỷ lực (2),
- Bể chứa nước (3),
- Hệ thống van lấy nước từ biển dưới tác dụng của sóng.


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

127

III.3. CÁC LOẠI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
THÀNH ĐIỆN NĂNG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ
GIỚI
Dựa trên các nguyên lý chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng, hiện nay
trên thế giới có một loạt các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng. Trên hình
III.8 đưa ra một số phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng
thường được sử dụng tại các trạm phát điện từ năng lượng sóng trong thực tế.
Bảng III.2 và hình III.9 – III.40 đưa ra các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng
thành điện năng hiện đang được nghiên cứu và thử nghiệm áp dụng trong thực tế
hoặc đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển.

Hình III.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống nắn chỉnh PACCELA [15]

Hình III.8. Một số phương pháp chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

phổ biến đang sử dụng trong thực tế [3]


128

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

129


130

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

131


132

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

133


134

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

135


136

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

137


138

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

Hình III.9. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Wave Dragon

Hình III.10. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Pelamis

Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

Hình III.11. Thiết bị chuyển đổi năng lượng McCabe Wave Pump

Hình III.12. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Archimedes Wave Swing

139


140

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

Hình III.13. Thiết bị chuyển đổi năng lượng AquaBuoy

Hình III.14. Thiết bị chuyển đổi năng lượng PSP


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

Hình III.15. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Floating platform

Hình III.16. Thiết bị chuyển đổi năng lượng PowerBuoy

141


142

Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác

Hình III.17. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Floating – buoy design

Hình III.18. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Parabolic Wall & Denniss-Auld Turbine


Chương III. Các phương pháp và thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

Hình III.19. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Wavebob

Hình III.20. Thiết bị chuyển đổi năng lượng Sper buoy

143