Năng lượng đại dương - nguồn năng lượng sạch

Ho¹t ®éng nghiªn cøu khoa häc

NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG - NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH
GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn - Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
Abstract
The ocean is wide.The convertion of the wave Energy into electrical energy will suplly for the World a big amount of
clean energy. This article deal with the 2 approachs to generate electrical energy from ocean wave: Generation
electrical energy direct from wave ocean and the applicatuion of oscillating water columns(OWC).
1. Mở đầu
ại dương là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận cho
việc chế tạo điện năng sử dụng cho thế giới. Tổng
quát, về lý thuyết đánh giá thế năng của đại dương có thể
đạt 100000 TWh/năm (trong khi đó tiêu thụ năng lượng
điện của thế giới là 16 000 TWh/năm). Trong những năm
gần đây thế giới đã quan tâm rộng rãi tới năng lượng của
sóng biển. Khai thác đại dương để sản xuất điện từ nguồn
sóng biển mênh mông trong các đại dương của thế giới là
một phần lời giải cho vấn đề năng lượng của chúng ta. Sự
chuyển đổi chỉ riêng tài nguyên sóng biển có thể cung cấp
một phần rất lớn yêu cầu về điện năng của nhiều nước ở
châu âu như Bắc Ai len, Đan mạch , Bồ đào nha, Tây ban
nha và các nước khác. Viện nghiên cứu năng lượng điện
của Mỹ đã có tính toán về năng lượng điện sóng biển dọc
theo bờ biển của U.S. có thể sản xuất ra khoảng
2100TWh/năm. Sản lượng đó chiếm một nửa yêu cầu sử
dụng điện của nước Mỹ. Ở nước Anh, giới chuyên gia
ước tính rằng, nước biển có thể đảm bảo cho họ tới 25%
nhu cầu năng lượng cần thiết.
Việc phát triển các dự án năng lượng sóng biển được
thực hiện ở châu Âu và châu Mỹ. Ở châu Âu các thiết bị điện
sóng biển đã được thử nghiệm từ năm 60 của thế kỷ trước. Ở

Tây ban nha trong các năm 2011-2020 Viện Kế hoạch Năng
lượng Tái tạo đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phát triển
tương đối mạnh năng lượng sóng biển, đã thực hiện nhiều
dự án. Người ta tính toán rằng ở Tây Ban Nha có thể đảm
bảo 42.3% năng lương điện tiêu thụ là năng lượng tái tạo
vào năm 2020. Hiện có nhiều công nghệ để biến năng lượng
sóng biển vào điện năng và ngày nay vẫn còn chưa biết
được công nghệ nào sẽ được ứng dụng vào thực tiễn. Dưới
đây trình bày 2 phương pháp tạo điện năng từ đại dương.
2. Tạo năng lượng điện trực tiếp từ sóng biển và
thủy triều
Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin
phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp
cho các thiết bị đang vận hành trên biển như hải đăng,
phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường v.v…

Đ

Tận dụng nguồn năng lượng thủy triều thực sự là bước
ngoặt trong sản xuất năng lượng sạch, không ô nhiễm môi
trường. Người Na Uy đã kết nối vào mạng lưới điện quốc
gia của họ dòng điện phát ra từ tua bin nước đầu tiên mà
năng lượng được tạo ra từ những cánh quạt quay nhờ dòng
nước biển. Người ta dự tính đến cuối những năm đầu của
thế kỷ 21, họ sẽ hoàn thành xây dựng 20 nhà máy tiếp theo.
Nhà máy điện của Na Uy có ưu điểm mà không nguồn năng
lượng tái tạo nào có được đó là hoàn toàn không lệ thuộc
vào thời tiết. Bất chấp hoàn cảnh, có gió hay lặng gió, trời
nắng hay mưa... dòng thuỷ triều vẫn không bị ảnh hưởng và
dòng điện phát ra vẫn có công suất không đổi. Người Anh

cũng có kế hoạch đầu tư tương tự. Dẫu ý tưởng xây dựng
nhà máy điện thuỷ triều không phải là mới, song phương
thức khai thác của người Na Uy rất sáng tạo. Thiết bị công
nghệ loại này đầu tiên trên thế giới được Pháp chế tạo và lắp
đặt ở cửa sông từ năm 1967. Công trình đó đến nay vẫn còn
hoạt động và có công suất 240 MW. Những nhà máy điện
cùng loại thí điểm cũng xuất hiện ở Trung Quốc, Ấn Độ,
Canađa và Liên bang Nga.
Nguyên lý hoạt động của những nhà máy điện sử
dụng năng lượng nước biển đã khai thác cũng giống như
nhà máy thuỷ điện truyền thống: Thoạt đầu dòng nước
chảy đầy những "thùng chứa" đặc biệt, làm quay tuabin
phát điện, sau đó nước từ thùng chứa thoát ra trở lại đại
dương. Trên H.1 là hệ thống Pelamis thu năng lượng từ
sóng biển.
Bên cạnh những mặt mạnh là không gây ô nhiễm môi
trường, nhà máy điện sử dung năng lượng nước biển vẫn
không tránh khỏi một số khiếm khuyết. Tương tự trường
hợp đập nước trên sông, nhà máy điện kiểu này cũng gây
rào cản không thể vượt qua đối với hải sản và gây khó
khăn cho giao thông đường thuỷ. Chính vì lý do như vậy,
Chính phủ Pháp đã tạm dừng kế hoạch triển khai xây
dựng 20 công trình tiếp theo. Theo tính toán của giới
phản đối việc xây dựng, thí dụ - chỉ một đập nước trên
sông Ranh cũng làm đảo lộn môi trường biển trong bán
kính 500 km.

11

Hoạt động nghiên cứu khoa học
Mói n nhng nm 90 th k trc, ngi ta mi ngh
ra phng phỏp tn dng nng lng thu triu mt cỏch
sch nht, ú l cỏc ci xay" di nc. Chỳng quay nh
dũng nc bin chuyn ng. Tua bin thớ nghim u tiờn
c lp t ti khu vc Loch Lihne, Xctlen, nm
1995. Nú c ct vo m neo nm di ỏy bin v ch
to ngun nng lng cụng sut 15 kw.
Gn õy, tuabin cú cụng sut ln hn nhiu (300 kw)
ln u tiờn c ni vo mng in quc gia. Cỏnh qut
ngm di ỏy nc c gn c nh xung ỏy bin.
Cụng trỡnh hot ng ti eo bin Kvalsund, gn thnh ph
bin Na Uy Hammerfest. Thit b cú trng ti ngút 200
tn. Na Uy d nh s lp t 20 tuabin nh th, m bo
cung cp in cho th trn 1,1 ngn dõn. Chi phớ cụng trỡnh
khong 50 triu curon Na Uy (20 triu USD). Mói n
nhng nm 90 th k trc, ngi ta mi ngh ra phng
phỏp tn dng nng lng thu triu mt cỏch sch nht,
ú l cỏc ci xay" di nc. Chỳng quay nh dũng
nc bin chuyn ng. Tuabin thớ nghim u tiờn c
lp t ti khu vc Loch Lihne, Xctlen, nm 1995. Nú
c ct vo m neo nm di ỏy bin v ch to ngun
nng lng cụng sut 15 kw.
Gn õy, tuabin cú cụng sut ln hn nhiu (300 kw)
ln u tiờn c ni vo mng in quc gia. Cỏnh qut
ngm di ỏy nc c gn c nh xung ỏy bin.
Cụng trỡnh hot ng ti eo bin Kvalsund, gn thnh ph
bin Na Uy Hammerfest. Thit b cú trng ti ngút 200
tn. Na Uy d nh s lp t 20 tuabin nh th, m bo
cung cp in cho th trn 1,1 ngn dõn. Chi phớ cụng trỡnh

khong 50 triu curon Na Uy (20 triu USD).

Mc giỏ sn phm in t hn 3 ln so vi ngun in
truyn thng. Vic xõy dng Na Uy trin khai c
ch yu nh tin ca cỏc doanh nghip v tr gip ca
Chớnh ph.
Ngoi Na Uy, ngi Anh cng tớch cc xỳc tin
chng trỡnh xõy dng nh mỏy in di bin. Gn õy
h ó a vo khai thỏc cụng trỡnh tng t nh Na Uy
(cụng sut 250 kw). S khỏc bit c nht l tuabin ca
Anh lp t trờn thõn ct m mt phn cỏnh qut nhụ lờn
mt nc. Cho dự gii phỏp ny gõy cn tr hot ng
giao thụng hng hi, nhng li tit kim c ỏng k
chi phớ dch v kộo thit b lờn khi mt nc khi cn
thit m khụng cn th ln. Hóng Marine Current
Turbines, n v thc hin d ỏn ó cú k hoch lp t
hng trm tuabin tip theo dc b bin phớa Tõy nc
Anh. H cng ang thit k tuabin kộp, cụng sut 1,2
MW. Lónh o ca hóng khng nh rng, vic xõy dng
vi ngn mỏy phỏt in di bin dc b bin phớa Tõy
nc Anh v x Uờn s cho ngun nng lng tng
ng 50% sn lng in cỏc nh mỏy in ht nhõn
hin ang hot ng.
3. To nng lng in t súng bin bng ct nc
dao ng(OWC).
Di õy trỡnh by mt phng phỏp khỏc to in
nng t súng bin gi l phng phỏp ct nc dao ng
OWC(oscillating water columns).
Nng lng mt tri to ra giú, giú thi khp i
dng bin nng lng giú vo nng lng súng. Súng

di chuyn hng nghỡn hi lý trờn i dng s b tn tht
mt ớt nng lng. bin nng lng súng bin vo
in nng ngi ta s dng mt h thng gi l ct nc
dao ng OWC. Hin nay õy l cụng ngh c coi l
cụng ngh tt nht bin súng bin vo in nng.
H thng ú c ch ra hỡnh 2. Nh thy t v mt
con ờ chn súng chc chn, ú ngi ta xõy dng mt
phũng to dao ng súng OWC.

Hỡnh1. H thng Pelamis thu nng lng t súng bin
Hin thi, cn tr duy nht m rng nh mỏy
in ngm di bin l giỏ thnh sn phm. Cho dự
khụng cn nhiờn liu, nhng chi phớ xõy dng cao ti

12

Bản tin

Khoa học - đào tạo

Hỡnh 2: S OWC


Ho¹t ®éng nghiªn cøu khoa häc
Trong OWC này sóng chuyển động tạo ra một lưồng
không khí 2 chiều được biến đổi vào cơ năng và truyền
cho trục máy phát điện bằng một loại tuyếc bin đặc biệt
gọi là Wells turbin (Turbin phun), tuyếc bin đó cung cấp
một hướng chuyển động duy nhất của dòng không khí
này [3], [4]. Tính chất của Wells turbine được giới hạn bởi

một loạt hiện tượng dừng ở cánh turbin. Vì vậy cần một
chiến thuật điều khiển hệ thống. Chiến thuật điều khiển
cơ bản hoặc là tổ hợp của chúng có thể thực hiện như sau:
điều khiển phản ứng; điều khiển tốc độ quay của máy phát
điện hoặc điều khiển van không khí hay điều khiển dòng
không khí (airflow control).
Trong hệ thống này chiến thuật điều khiển hệ thống là
điều chỉnh tốc độ quay của máy phát điện. Máy phát điện
dùng trong hệ thống là loại máy phát điện dị bộ nạp điện
từ 2 phía. [5].
Việc sử dụng máy phát dị bộ nạp 2 phía (DFIG) là một
khả năng to lớn trong việc phát triển nguồn năng lượng
tái tạo [6], [7]. DFIG là một máy điện dị bộ có rô to quấn
dây nên cho phép bơm dòng điện vào mạch rô to qua bộ
biến đổi công suất. Bằng việc thay đổi pha và tần số của
dòng kích từ rô to ta có thể tạo được sự tối ưu về biến đổi
năng lượng [8]. Bộ biến tần chỉ gia công một phần nhỏ
hơn 30% công suất định mức của máy phát. Điều đó đã
giảm tải cho bộ biến tần do đó đã giảm giá thành bộ biến
tần. Để đạt được công suất ra mong muốn người ta điều
tốc độ của.
Hiện nay, công nghệ tạo điện năng từ nước biển này
được coi là công nghệ tốt nhất để biến sóng biển vào điện
năng. Nhiều nước đang áp dụng công nghệ này, điển hình
là Tây Ban nha.
Ở Tây ban nha đã thực hiện một dự án ở Mutriku
(thuộc Xứ Basque Tây ban nha), được trợ giúp bởi
Basque Energy Board (EVE), một nhà máy phát điện
dựa vào sự dao động của sóng biển đã tích hợp 16 tuyếc
bin có công suất 18.5-kW và khánh thành vào tháng 7

năm 2011 [2], [3].
4. Kết luận
Đại dương là mênh mông, năng lượng do sóng đại
dương là vô cùng lớn, nếu nó được chuyển đổi sang điện
năng một cách có hiệu quả thì trái đất sẽ tránh được
những vấn đề nan giải về năng lượng và môi trường.
Việc biến năng lượng sóng thành điện năng mới chỉ là

bước đầu, tuy nhiên có nhiều triển vọng và không xa nữa
chúng ta sẽ được hưởng một năng lượng sạch, tái tạo từ
các đại dương mênh mông của chúng ta.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Decoding the World's Best Energy Policies, Jul.
2008.
[2] H. Polinder and M. Scuotto, “Wave energy
converters and their impact
on power systems,” in Proc. Int. Conf. Future Power
Syst., Amsterdam,The etherlands, Nov. 2005, pp.
6270.The Netherlands, Nov. 2005, pp. 6270.
[3] H. Li,M.-Y. Chow, and Z. Sun, “EDA-based
speed control of a networked DC motor system with
time delays and packet losses,” IEEE Trans.
Ind.Electron., vol. 56, no. 5, pp. 17271735, May 2009.
[4] J. T. Bialasiewicz and J. Balcells, “Special section
on renewable energy and distributed generation
systemsPart 1: Renewable energy generation and
storage systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53,
no. 4, pp. 998 1001, Aug. 2006.
[5] J. Balcells and J. T. Bialasiewicz, “Special section
on renewable energy and distributed generation

systemsPart 2: Renewable energy generation and
storage systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53,
no. 5, pp. 13941397, Oct. 2006.
[6] J. Hu, Y. He, L. Xu, and B. W. Williams,
“Improved control of DFIG systems during network
unbalance using PIR current regulators,” IEEE Trans.
Ind. Electron., vol. 56, no. 2, pp. 439451, Feb. 2009.
[15] B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC
Drives. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 2001.
[7] J. Arbi, M. J. B. Ghorbal, I. Slama-Belkhodja,
and L. Charaabi, “Direct virtual torque control for
doubly fed induction generator grid connection,” IEEE
Trans. Ind. Electron., Vol. 56, no. 10, pp. 41634173, Oct.
2009.
[8] W. Qiao, G. K. Venayagamoorthy, and R. G.
Harley, “Real-time implementation of a STATCOM on a
wind farm equipped with doubly fed induction
generators,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 45, no. 1, pp.
98107,Jan./Feb. 2009.

13