Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị sản xuất điện năng từ năng lượng sóng biển theo nguyên lý máy phát điện tuyến tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
——————

HÀ PHƯƠNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG TỪ
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THEO NGUN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN
TUYẾN TÍNH

Chun ngành: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số: 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

----------------------------------------

--------------------------------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên:

Hà Phương

Ngày tháng năm sinh:

09/08/1985

Phái: Nam
Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

Chun ngành: Cơng nghệ chế tạo máy

MSHV: 11040397

Khóa: 2011
1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ SẢN XUẤT ĐIỆN
NĂNG TỪ NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THEO NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN
TUYẾN TÍNH.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Tìm hiểu tổng u n v thiết
 Tìm hiểu và h n tích năng
 Ph n tích, ự chọn thiết

hát iện t s ng iển.
ng s ng, iên

s ng

các v ng iển

hát iện t s ng iển h h

VIỆT NAM

v i tình hình thực tế

v ng

iển Việt N m.
 Thiết kế, chế tạo mơ hình máy hát iện tuyến tính d ng năng

ng s ng iển v i cơng

suất 10W.
 Kiểm tr , ánh giá các thông số kỹ thuật củ hệ thống thí nghiệm mơ hình chế tạo so
sánh v i ý thuyết thiết kế.
3-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 – 01 - 2013
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21 -06- 2013
5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Trần Doãn Sơn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

Tp. HCM, ngày ….. tháng ….. năm 2013
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS Trần Dỗn Sơn
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TPHCM.
Cán
h ng dẫn kho học: PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN. ...............................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Cán
chấm nhận xét 1:....................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Cán
chấm nhận xét 2: ...................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Luận văn
c ảo vệ tại tr ờng Đại học Bách Kho -ĐHQG TP.HCM
ngày......tháng…...năm 2013.
Thành hần h i ồng ánh giá uận văn thạc sĩ gồm:
1. ..................................................................................
2. ..................................................................................
3. ..................................................................................
4. ..................................................................................

5. ..................................................................................
Xác nhận củ chủ t ch h i ồng ánh giá uận văn và tr ng kho uản ý chuyên
nghành s u khi uận văn ã
c chỉnh sử (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Mục lục
Mục lục ...................................................................................................................... 1
Danh sách các hình ảnh .............................................................................................. 4
Danh sách các bảng biểu ............................................................................................ 7
Lời nói đầu ................................................................................................................. 8
Abstracts .................................................................................................................... 9
Lời cảm ơn ............................................................................................................... 10
Chương 1: Tổng quan .............................................................................................. 11
1.1 Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới ..................................................... 11
1.1.1

Tổng quan về các nguồn năng lượng thế giới đang sử dụng .................. 12

1.1.2

Tổng quan về các nguồn năng lượng Việt Nam đang sử dụng .............. 21

1.1.2.1

Những khó khăn của các ngành năng lượng điện nước ta ............... 21

1.1.2.2 Tiềm năng trong tương lai ................................................................... 22
1.2 Tổng quan về công nghệ sản xuất điện từ năng lượng sóng biển tr n thế giới .. 23
1.2.1 Chính sách năng lượng đại dương thế giới ............................................... 24
1.2.2 Các nguồn năng lượng có thể khai thác từ nước biển ............................... 25
1.2.3 Tìm hiểu về Sóng biển ............................................................................. 26
1.2.3.1Các thơng số cơ bản của sóng .............................................................. 27
1.2.3.2 Các dạng sóng..................................................................................... 28
1.2.3.3 Phân loại sóng..................................................................................... 28
1.2.3.4 Năng lượng sóng................................................................................. 30
1.2.3.5 Thơng lượng năng lượng sóng ............................................................ 31
1.2.4 Phân loại các thiết bị phát điện sóng biển .................................................. 34
1.2.4.1 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý sóng tắt dần ................................... 34
1.2.4.2 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý hấp thu điểm .................................. 35
1.2.4.3 Thiết bị hoạt động theo nguyên lý sóng tràn........................................ 39
1.2.4.4 Thiết bị hoạt động theo nguy n lý dao động cột nước ......................... 43
1
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Dỗn Sơn

1.3 Tình hình nghiên cứu và khả năng ứng dụng công nghệ phát điện từ sóng biển
tại ở Việt Nam ...................................................................................................... 46
1.3.1 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ phát điện từ sóng biển tại ở Việt Nam .... 46

1.3.2 Các máy phát điện từ sóng biển ở Việt Nam ............................................. 47
1.3.3 Khả năng ứng dụng cơng nghệ phát điện từ sóng biển tại ở Việt Nam ... 52
Chương 2. T m hiểu và ph n tích năng lượng sóng, kết quả quan trắc sóng ở một số
v ng biển ở V T N
........................................................................................... 53
2.1 Năng lượng sóng ở các vùng biển Việt Nam ................................................... 53
2.2 Kết quả quan trắc sóng ở một số v ng biển ở V T N

............................... 57

2.2.1 Vùng biển Gị Cơng Đơng Tiền Giang ...................................................... 57
2.2.2 Vùng biển Bạc Liêu .................................................................................. 86
2.2.3 Một số vùng biển khác ở Việt Nam ........................................................... 91
Chương 3. Thiết kế nguy n lý, và chế tạo mơ h nh máy phát điện tuyến tính d ng
năng lượng sóng biển. .............................................................................................. 96
3.1 Lựa chọn thiết bị phát điện từ sóng biển ph hợp với t nh h nh thực tế ở v ng
biển Việt Nam ....................................................................................................... 96
3.2 Thiết kế và chế tạo máy phát điện tuyến tính d ng năng lượng sóng biển ...... 97
3.2.1

Hiện tượng cảm ứng điện từ ................................................................. 98

3.2.1.1 Từ trường là gì? .................................................................................. 98
3.2.1.2 Từ trường nam châm và hiện tượng cảm ứng điện từ ......................... 99
3.2.1.2.1 Từ trường nam châm .................................................................... 99
3.2.1.2.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ....................................................... 100
3.2.1.3 Nam ch m vĩnh cửu ......................................................................... 104
3.2.1.3.1 Các đặc trưng.............................................................................. 104
3.2.1.3.2 Phân loại nam ch m vĩnh cửu theo vật liệu ................................. 107
3.2.2 Lựa chọn nam ch m d ng cho mơ h nh máy phát điện tuyến tính .......... 108

3.2.2.1 Sơ lược về nam ch m đất hiếm ........................................................ 108
3.2.2.2 Nam ch m đất hiếm dùng cho mơ hình ............................................ 113
3.2.3 Thiết kế và Tính tốn số vịng dây quấn cho stator .................................. 115
3.2.3.1 Thiết kế stator ................................................................................... 116
2
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Dỗn Sơn

3.2.3.2 Tính tốn số vòng dây quấn cho stator .............................................. 117
3.2.4 Thiết kế lị xo nén ................................................................................... 117
3.2.5 Tính tốn cho phao nổi............................................................................ 119
3.2.6 Tính tốn để nhấn chìm máy phát xuống đáy hồ..................................... 124
3.3

Thiết kế, chế tạo cụm tạo sóng đơn giản .................................................... 127

3.3.1 Tính tốn động học cho cụm tạo sóng ..................................................... 127
3.3.2 Chọn động cơ cho cụm tạo sóng.............................................................. 130
3.3.3 Chọn biến tần cho cụm tạo sóng............................................................. 130
3.4 Chỉnh lưu cho dịng điện của máy phát điện tuyến tính ................................. 131
Chương 4 Kiểm tra, đánh giá các thông số kỹ thuật của hệ thống thí nghiệm mơ hình
chế tạo so sánh với lý thuyết thiết kế ...................................................................... 133
Chương 5 Kết luận và hướng phát triển .................................................................. 134
Tài liệu tham khảo:................................................................................................. 135

3

HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Danh sách các hình ảnh
Hình 1.1 Tình hình nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới .................. 11
Hình 1.2 Nhiên liệu hóa thạch than đá ..................................................................... 12
H nh 1.3 Nhà máy điện hạt nhân ............................................................................. 13
H nh 1.4 Công vi n quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức .................................... 14
Hình 1.5 Tuốc bin gió ở Tây Ban Nha. ..................................................................... 15
Hình 1.6 Chi tiết các bộ phận của một turbin gió. .................................................... 16
Hình 1.7 Turbin máy phát điện ................................................................................. 17
H nh 1.8 Đập thủy điện. ........................................................................................... 18
H nh 1.9 Nhà máy điện địa nhiệt Nesjavellir ở Iceland . ........................................ 19
Hình 1.10 Mơ hình Biodiesel.................................................................................... 20
Hình 1.11 Biểu đồ cơ cấu điện năng Việt Nam đến 2020, với tổng công suất các nhà
máy điện 75.000 MW ............................................................................................... 21
Hình 1.12 Số nước d ng năng lượng đại dương tính đến năm 2009 tr n thế giới ...... 25
Hình 1.13 Một con sóng .......................................................................................... 26
Hình 1.14 Các thơng số cơ bản của sóng. ................................................................. 27
Hình1.15 Dạng sóng hình sin ................................................................................... 28
H nh 1.16 Sơ đồ phân bố năng lượng sóng .............................................................. 31
Hình 1.17 Hệ thống pelamis ..................................................................................... 34
Hình 1.18 Rắn cao su Anaconda .............................................................................. 35
Hình 1.19 Hệ thống CETO ....................................................................................... 36
Hình 1.20 Thiết bị AquaBuoy ................................................................................. 36
Hình 1.21 Hệ thống Fraunhofer ................................................................................ 37

Hình 1.22 Tuabin diều dưới nước ............................................................................. 38
Hình1.23 Hệ thống Limpet ....................................................................................... 39
Hình 1.24 Oyster ...................................................................................................... 40
Hình 1.25: Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Wave Dragon ................................ 40
Hình 1.26 Ngun lý thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng Wave Dragon ................ 41
Hình 1.27 Thiết bị chuyển đổi năng lượng McCabe Wave Pump.............................. 42
Hình 1.28 Oscillating Water Column ....................................................................... 43
Hình 1.29 Archimedes Waveswing: ........................................................................ 44
Hình 1.30 Hệ thống phao phát điện tuyến tính dạng nổi ........................................... 45
Hình 1.31 Hệ thống phao phát điện tuyến tính dạng chìm......................................... 46
H nh 1.32 nh L Thanh B nh và máy phát điện do anh sáng chế ........................... 47
Hình 1.33 Anh Tống Văn Dũng giới thiệu mơ h nh máy phát điện kết hợp năng lượng
sóng – gió tại Chợ Cơng nghệ và thiết bị Hà Nội 2008 ............................................. 48
4
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Dỗn Sơn

Hình 1.34 Các khớp nối của Pelamis ........................................................................ 49
Hình 1.35 Nguyên tắc hoạt động của pelamis ........................................................... 50
H nh 1.36 Sơ đồnguyên lý hoạt động của máy phát điện cánh ngầm của anhTrương
Văn Dũng ................................................................................................................. 51
H nh 2.1 Năng lượng sóng trung bình tháng 12 ........................................................ 54
H nh 2.2 Năng lượng sóng trung b nh m a gió đơng bắc .......................................... 55
H nh 2.3 Năng lượng sóng trung bình mùa gió tây nam ............................................ 56
Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo sóng và dịng chảy ven bờ ...................................... 59
Hình 2.5 Thao tác thả máy đo sóng trạm Vàm Láng ................................................. 60

Hình 2.6 Kiểm tra độ s u trước khi thả máy đo sóng ............................................... 60
H nh 2.7 Phao đo sóng ............................................................................................. 61
H nh 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tuyến tính ................................................ 97
Hình 3.2 Từ trường của nam ch m vĩnh cửu hình trụ ............................................... 99
Hình 3.3 Từ thơng .................................................................................................. 100
H nh 3.4 Sơ đồ thí nghiệm Faraday ........................................................................ 101
H nh 3.5 Định luật Lenz ......................................................................................... 103
Hình 3.6 Từ thơng gửi qua vịng d y đỏ thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường.
............................................................................................................................... 103
H nh 3.7 Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ, vật liệu từ cứng và vật liệu từ
mềm, và các thông số của vật liệu được xác định tr n đường cong từ trễ ................ 105
Hình 3.8 Phân bố thị trường nam ch m vĩnh cửu trên thế giới năm 1999. .............. 109
Nam châm NdFeB chiếm 37% thị phần .................................................................. 109
Hình 3.9 Ơ ngun tố trong cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất SmCo5 ..................... 110
H nh 3.10 Nam ch m đất hiếm dùm cho mơ hình. .................................................. 113
H nh 3.11 Đo từ tính của nam ch m d ng cho mơ h nh máy phát điện tuyến tính .. 114
Hình 3.12 Cảm ứng từ xung quanh nam châm hình trụ ........................................... 114
Hình 3.13 Nguyên lý Faraday ................................................................................ 115
Hình 3.14 Vỏ bên ngồi của máy phát điện tuyến tính ............................................ 116
Hình 3.15 Stator ..................................................................................................... 117
Hình 3.16 Lị xo nén............................................................................................... 118
H nh 3.17 Sơ đồ phân tích lực ................................................................................ 120
Hình 3.18 Phao nổi và các kích thướt ..................................................................... 121
H nh 3.19 áy phát điện tuyến tính ...................................................................... 122
H nh 3.20 ô h nh máy phát điiện sau khi được chế tạo hồn tất. ......................... 123
Hình 3.21 Bắn silicon chóng thấm nước cho thiết bị............................................... 123
Hình 3.22 Gắn máy phát vào một khung bằng inox ................................................ 125
Hình 3.23 Bể nước để khảo nghiệm máy phát ........................................................ 126
5
HVTH: Hà Phương

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

H nh 3.24 áy phát được gắn vào khung inox và dìm xuống bể nước.................... 126
H nh 3.25 Cơ cấu tạo sóng ..................................................................................... 127
H nh 3.26 Đặt cơ cấu trong hệ tọa độ thực và ảo .................................................... 128
Hình 3.27 Máy tạo sóng sau khi chế tạo ................................................................. 130
H nh 3.28 Động cơ giảm tốc................................................................................... 130
Hình 3.29 Biến tần Rich Electric ............................................................................ 131
Hình 3.30 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn điện vào đất liền có .................................. 131
H nh 3.31 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tồn sóng ............................................................ 132
Hình 3.32 Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu .................................................................... 132
H nh 4.1 Sơ đồ khảo nghiệm thiết bị ...................................................................... 133

6
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Danh sách các bảng biểu
Bảng 1.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân, hiện tượng.

29

Bảng 1.2 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền, phát sinh .............................. 29
Bảng 2.1 Số liệu các thông số sóng trạm Vàm Láng. ............................................ 63
Bảng 2.2 Số liệu các thơng số sóng trạm Tân Thành............................................. 75
Bảng 2.3 Tên và vị trí các trạm đo hải văn. .......................................................... 86
Bảng 2.4 Biểu ghi quan trắc sóng. ........................................................................ 87
Bảng 2.5 Bảng thơng số sóng ở các trạm tiêu biểu. .............................................. 91
Bảng 3.1 Các tham số từ của nhóm hợp chất NdFeB. ........................................... 111
Bảng 3.2 Thông sô kỹ thuật của nam châm NdFeB. ............................................. 113

7
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Dỗn Sơn

Lời nói đầu
Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới nói chung, và của Việt Nam
nói ri ng ngày càng tăng.

ặt khác, các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn

kiệt vì vậy chúng ta phải cần có nguồn năng lượng khác để thay thế. Các nguồn nhiên
liệu mới mà thế giới đã và đang sử dụng như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,
năng lượng nguyên tử, năng lượng sinh khối, năng lượng đại dương, năng lượng
tuyết, năng lượng địa nhiệt, năng lượng lên men sinh học,… mỗi loại năng lượng có
những ưu nhược điểm ri ng, nhưng nh n chung nó cũng đã giải quyết được phần nào
sự khủng hoảng năng lượng như hiện nay.
Việt Nam là một nước có bờ biển dài trên 3000 km với hàng ngàn đảo, điều này

rất thuận lợi cho việc khai thác năng lượng biển, góp phần vào bình ổn nhu cầu năng
lượng cho đất nước. Trên những yêu cầu về tình hình sử dụng năng lượng như hiện
nay, tác giả đề xuất đề tài chế tạo máy phát điện từ năng lượng sóng biển, máy hoạt
động theo nguyên lý của máy phát điện tuyến tính tức là dựa vào sự chuyển động
nhấp nhơ lên xuống của sóng biển làm chuyển động tuyến tính phần roto của máy
phát điện và từ đó sản sinh ra điện.
TP Hồ Chí

inh, tháng 6 năm 2013

8
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Abstracts
Today, the demand for energy of the world and Vietnam are increasing, on the
other hand, fossil fuels are running out, so we need have other sources of energy to
replace the fossil fuels. The new fuels that the world has been used as: solar energy,
wind energy, nuclear energy, biomass energy, ocean energy, snow energy, geothermal
energy, bio-fermentation energy,… Each energy type has advantages and
disadvantages, but it has been partly solved the energy crisis today.

Vietnam is a country with a coastline of over 3000 km with thousands islands.
This is very convenient for the exploitation of marine energy, contributing to stabilize
the energy needs of the country. On the requirements for the use of current energy, the
authors suggested topics made transmitter power from wave energy. The machine

works on the principle of linear generator is based on the bobbing up and down
motion of ocean waves to linear motion of the rotor and generated electricity.
Ho chi minh city, June 2013

9
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Lời cảm ơn
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn s u sắc tới Thầy PGS.TS TRẦN DOÃN
SƠN, người đã tận t nh hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn,
những hướng dẫn của thầy không những là kiến thức có ích cho q trình thực hiện
luận văn mà cịn rất có ích cho cơng việc sau này của em. Một lần nữa em xin chân
thành cảm ơn Thầy.
Bên cạnh đó em xin gửi lời cảm ơn đến:
-

-

Các thầy cơ trong khoa Cơ Khí trường ĐHBK đã tận tình dạy bảo những
kiến thức hữu ích trong khoảng thời gian học tập.
Các thầy cô trong bộ môn Cơ Lưu Chất, khoa KTXD trường ĐHBK, đặt
biệt là Thầy PGS.TS Huỳnh Cơng Hồi, và Cơ PGS.TS Nguyễn Thị Bảy đã
giúp đỡ và tạo điều kiện cho em thực hiện các thí nghiệm của luận văn.
Cảm ơn tập thể các bạn học cao học cùng lớp, đặt biệt là anh Trần Thái
Nguyên và anh Chung Trần Thế Vinh đã ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá

trình thực hiện luận văn.
TP Hồ Chí

inh, tháng 6 năm 2013

Học viên thực hiện

Hà Phương

10
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Chương 1: Tổng quan
1.1 Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới
Năng lượng đóng vai trị quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống chúng
ta. Có thể nói bất cứ hoạt động nào của con người đều cần phải có năng lượng. Năng
lượng có nguồn gốc từ hai nguồn chủ yếu tr n trái đất đó là năng lượng từ mặt trời và
năng lượng từ lòng đất.
-

Năng lượng mặt trời tạo tồn tại ở các dạng chính: bức xạ mặt trời, năng
lượng sinh học, năng lượng hố thạch,…
Năng lượng lịng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các các nguồn địa
nhiệt, núi lửa và năng lượng phóng xạ …

Nhu cầu năng lượng của thế giới li n tục tăng và có xu hướng ngày càng tăng
nhanh trong nhiều thập kỷ qua.

Hình 1.1 Tình hình nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng trên thế giới
Từ biểu đồ h nh 1 ta thấy năng lượng từ nhi n liệu hóa thạch là năng lượng
được ti u thụ nhiều nhất, tuy nhi n nguồn năng lượng này đang ngày càng cạn kiệt và
không thể tái tạo được, hơn nữa việc sử dụng nguồn năng lượng này sẽ phát thải khí
CO2 rất nhiều g y ô nhiễm môi trường v vậy việc t m các nguồn năng lượng khác có
11
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

thể tái tạo được và không g y ô nhiễm môi trường để thay thế nhi n liệu hóa thạch là
vấn đề hết sức cần thiết.
1.1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng thế giới đang sử dụng
a. Năng lượng hóa thạch
Nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ q trình phân hủy kỵ khí của xác các
sinh vật, bao gồm thực vật ph du và động vật phù du lắng đọng xuống đáy biển
(hồ) với số lượng lớn trong các điều kiện thiếu oxy, cách đ y hàng triệu năm. Trải
qua thời gian địa chất, các hợp chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn vùi bên
dưới các lớp trầm tích nặng. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao làm cho các vật
chất hữu cơ bị biến đổi hóa học, đầu tiên là tạo ra kerogen ở dạng sáp. Chúng được
tìm thấy trong các đá phiến sét dầu và sau đó khi bị nung ở nhiệt cao hơn sẽ tạo ra
hydrocacbon lỏng và khí bởi quá tr nh phát sinh ngược.
Các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi v trái đất mất hàng
triệu năm để tạo ra chúng và lượng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo

thành.

Hình 1.2 Nhiên liệu hóa thạch than đá
b. Năng lượng hạt nhân
Năng lượng hạt nhân là năng lượng có được từ sự tách năng lượng hữu ích từ
hạt nhân ngun tử thơng qua các lị phản ứng hạt nhân có kiểm sốt. Phương pháp

12
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

phổ biến được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nh n. Năm 2007, 14% lượng điện
trên Thế giới được sản xuất từ năng lượng hạt nhân.

Hình 1.3 Nhà máy điện hạt nhân
Năng nượng hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải
cacbon và gia tăng an ninh năng lượng. Tuy nhiên năng lượng hạt nhân là nguồn năng
lượng chứa đựng nhiều tiềm năng thảm họa nguy hiểm. Các vấn đề lưu giữ chất thải
phóng xạ gây ơ nhiễm phóng xạ rất nguy hiểm cho sinh vật.
Năm 1986, lò phản ứng số 4 của nhà máy điện nguyên tử Chernobyl phát nổ,
gây ra một loạt vụ nổ ở các lò phản ứng khác, làm tan chảy lõi lò phản ứng hạt
nh n. Đ y là sự cố hạt nhân trầm trọng nhất trong l ị ch sử. Do khơng có tường chắn
n n các đám m y bụi phóng xạ bay lên bầu trời và lan rộng ra nhiều khu vực phía tây
Liên bang Xơ Viết, một số nước Đơng Âu và T y Âu,

nh và phía đơng Hoa K .

Thảm hoạ này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp bốn trăm lần so với quả bom nguyên
tử được ném xuống Hiroshima. Sau thảm họa, hàng loạt các vấn đề về ô nhiễm môi
trường cũng như về sức khỏe đe dọa người dân.
Năm 2011, sau trận thảm họa động đất và sóng thần Sendai 2011, nhà máy điện
hạt nhân Fukushima gặp hàng loạt các vấn đề đối với các lị phản ứng và rị rỉ
phóng xạ gây ra sự cố nhà máy điện Fukushima I. Tình trạng ơ nhiễm phóng xạ
13
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

ngày càng cao. Tuy khơng có người tử vong tại chỗ, nhưng nó g y nhiều lo ngại về
sức khỏe của con người trong khu vực bị ảnh hưởng sau này. Dự kiến phải mất vài
năm để sửa chữa nhà máy và vài tháng để khử sạch phóng xạ.
c. Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi
con người từ thời cổ đại. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng
mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng
lượng tái tạo có sẵn tr n Trái Đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có
sẵn được sử dụng.
Các ứng dụng năng lượng mặt trời bao gồm: sưởi ấm không gian và làm mát thông
qua kiến trúc năng lượng mặt trời, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng
bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời.
Điện mặt trời là việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng
cách sử dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập
trung (CSP). Hệ thống CSP sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập

trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. PV chuyển đổi
ánh sáng thành dịng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện.

Hình 1.4 Công vi n quang điện Lieberose 71,8 MW tại Đức
14
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo và không bao giờ kết, nó có mặt
ở khắp nơi hồn tồn miễn phí, và khơng gây ơ nhiễm.
Nhược điểm chính của năng lượng mặt trời là chi phí ban đầu. Tấm năng lượng
mặt trời là tương đối khá đắt tiền.
Trời mây, điều kiện mưa, ban đ m .v.v…, ảnh hưởng trực tiếp tới việc khai thác
năng lượng mặt trời.
d.

Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí quyển
Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.

Hình 1.5 Tuốc bin gió ở Tây Ban Nha.
Năng lượng gió đã được sử dụng từ thời cổ đại. Con người đã d ng năng lượng
gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu , ngồi ra năng lượng gió cịn được
sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió . Trên lý thuyết chỉ có thể lấy
tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió.

15
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Ý tưởng d ng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh
ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xoay gió chỉ được biến đổi nhỏ
và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy
phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dịng chảy tiếp tục phát
triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc
biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió khơng cịn phù
hợp nữa vì chúng khơng cịn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng
dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác
được đẩy mạnh trên toàn Thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại.
Vì gió khơng thổi đều đặn n n năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ
có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp
năng lượng liên tục. Tại châu Âu , các tuốc bin gió được nối mạng tồn châu Âu, nhờ
vào đó mà việc sản xuất đi ện có thể được điều hịa một phần.

Hình 1.6 Chi tiết các bộ phận của một turbin gió.

16
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

(1) Lưỡi quạt, (2) Đầu rotor, (3) Pitch, (4) Thắng thủy lực, (5) Trục quay nhanh, (6)
Hộp điều tốc, (7) áy phát điện, (8) Bộ điều khiển, (9) Đo gió, (10) Van gió, (11)
Hộp động cơ, (12) Trục quay nhanh, (13) Yaw drive, (14) Yaw motor, (15) Cột
chống.
Người ta cịn có một cơng nghệ khác để tích trữ năng lượng gió. Cánh quạt gió sẽ
được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí. Động năng của gió được tích lũy
vào hệ thống nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân
phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió
được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (d gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn ln
được nén vào b nh, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén
từ bình phun ra, hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí lu n phi n để
đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 b nh đang xả khí
quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào)
e. Năng lượng thủy điện
Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thuỷ
điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc
bin nước và máy phát điện.

Hình 1.7 Turbin máy phát điện
17
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Năng lượng này phụ thuộc khơng chỉ vào thể tích mà cả vào sự khác biệt về
độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra. Sự khác biệt về độ cao được gọi là áp suất.
Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất. Để có được áp suất cao
nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho chảy qua một ống lớn gọi
là ống dẫn nước có áp.

Hình 1.8 Đập thủy điện.
Năng lượng thủy điện tuy khơng gây ra khí thải nguy hại nhưng nó lại ảnh hưởng
rất lớn đến môi trường sinh thái tự nhiên do sự xây dựng các đập thủy điện.
f.

Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lịng Trái Đất.
Năng lượng này có nguồn gốc từ sự h nh thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động
phân hủy phóng xạ của các khống vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại
bề mặt Trái Đất. Chúng đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại,
nhưng ngày nay nó được d ng để phát điện. Có khoảng 10 GW công suất điện địa
nhiệt được lắp đặt trên Thế giới đến năm 2007, cung cấp 0.3% nhu cầu điện tồn cầu.
Th m vào đó, 28 GW cơng suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho
sưởi, spa, các q trình cơng nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu
vực.
Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và
thân thiện với môi trường, nhưng trước đ y bị giới hạn về mặt địa lý đối với các khu
vực gần các ranh giới kiến tạo mảng. Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đ y đã
18
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là
các ứng dụng trực tiếp như d ng để sưởi trong các hộ gia đ nh.

Hình 1.9 Nhà máy điện địa nhiệt Nesjavellir ở Iceland .
Các dịng nước nóng được bơm l n từ dưới s u trong lịng đất có thể chứa một vài
khí đi c ng với nó như điơxít cacbon và hydro sunfua. Khi các chất ơ nhiễm này
thốt ra ngồi mơi trường, nó sẽ góp phần vào sự ấm lên tồn cầu, mưa axít, và các
m i độc hại đối với thực vật xung quanh đó. ột số nhà máy được u cầu phải có
hệ thống kiểm sốt lượng phát thải nhằm làm giảm lượng axít và các chất bay hơi.
Bên cạnh các khí hịa tan, nước nóng từ nguồn địa nhiệt có thể chứa các nguyên
tố nguy hiểm như thủy ngân, arsen và antimon nếu nó được thải vào các con sơng
có chức năng cung cấp nước uống. Việc xây dựng các nhà máy phát đi ện có thể ảnh
hượng ngược lại đến sự ổn đị nh nền đất của khu vực xung quanh.
g.

Năng lượng sinh học

Nhiên liệu sinh học (Tiếng Anh: Biofuels, ti ếng Pháp: biocarburant) là loại
nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học)
như nhi n liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ...),

19
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

ngũ cốc (lúa mz, ngô, đậu tương, ...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,
...), sản phẩm thải trong công nghi ệp ( m n cưa, sản phẩm gỗ thải...),...
Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:
-

Diesel sinh học (Biodiesel) : là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự
và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được
điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ
động vật), thường được thực hiện thơng qua q trình transester hóa bằng cách
cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol.

Hình 1.10 Mơ hình Biodiesel
-

-

Xăng sinh học (Biogasoline) : là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử
dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ
gia ch . Ethanol được chế biến thơng qua q trình lên men các sản phẩm hữu
cơ như tinh bột, xen-lu- lô, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ
thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hồn tồn cho loại
xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống.
Khí sinh học (Biogas) : là một loại khí hữu cơ gồm
ethane và các đồng
đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ
phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm
dầu mỏ.

Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được
cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực. Khả năng sản xuất với
quy mơ lớn cũng cịn kém do nguồn cung cấp khơng ổn định vì phụ thuộc vào thời
20
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Dỗn Sơn

tiết và nơng nghi ệp. Bên cạnh đó, giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn cao
hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống từ đó việc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu
sinh học vào đời sống chưa thể phổ biến rộng.
Nguồn năng lượng cuối cùng là năng lượng đại dương sẽ được giới thiệu ở phần
sau.
1.1.2 Tổng quan về các nguồn năng lượng Việt Nam đang sử dụng
Theo ước tính, nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho
đến năm 2020.

Hình 1.11 Biểu đồ cơ cấu điện năng Việt Nam đến 2020, với tổng công suất các nhà
máy điện 75.000 MW
Hiện tại, Việt Nam phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc để chống lại việc thiếu điện
tại miền Bắc.
1.1.2.1Những khó khăn của các ngành năng lượng điện nước ta
a. Nhiệt điện
Than đá của nước ta tuy khá nhiều, nhưng trong tương lai sẽ cạn kiệt, phải nhập
khẩu với giá cao để chạy các nhà máy phát điện chạy bằng than ở phía Nam. Khí đốt
của ta cũng có hạn, và cũng sẽ hết. Giá dầu thì ngày một tăng do tình hình kinh tế,

chính trị, nhu cầu ngày càng tăng và nguồn cung ngày càng cạn kiệt.
21
HVTH: Hà Phương


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Trần Doãn Sơn

b. Thủy điện
Ở những nơi có khả năng x y dựng nhà máy thủy điện lớn và vừa, ta đã và đang
xây dựng gần hết, và thủy điện ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái.
c. Điện hạt nhân
Mức đầu tư cao, hiện nay nước ta đang thiếu nhân lực cho ngành này.Tuy nhiên
rủi ro thảm họa khi d ng điện hạt nhân rất cao. Động đất và sóng thần ở Nhật Bản
cũng đã làm cho cả thế giới phải cảnh giác với điện hạt nhân.
d. Điện nhập khẩu
Giá thành dầu tư ít, tuy nhi n giá mua lại cao, và bị phụ thuộc vào nước ngoài.
e. Năng lượng tái tạo
Gồm các nguồn năng lượng như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng
lượng mặt trời, năng lượng đại dương,vv… Tuy nước ta có tiềm năng rất lớn về năng
lượng này, nhưng vẫn chưa được chú trọng đầu tư khai thác đúng mức.
1.1.2.2 Tiềm năng trong tương lai
Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo phân bổ rộng khắp
trên toàn quốc. Sinh khối từ các sản phẩm hay chất thải nơng nghiệp có sản lượng
tương đương 10 triệu tấn dầu/năm. Tiềm năng khí sinh học xấp xỉ 10 tỉ m3/ năm có
thể thu được từ rác, ph n động vật và chất thải nông nghiệp. Tiềm năng kỹ thuật của
thuỷ điện nhỏ (<30 W) hơn 4,000 W. Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với
bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2/ngày phân bổ trên khắp đất nước. Vị trí địa lý
của Việt Nam với hơn 3,400km đường bờ biển cũng giúp Việt Nam có tiềm năng rất

lớn về năng lượng gió với tiềm năng ước tính khoảng 500-1000 kWh/m2 /năm. Những
nguồn năng lượng thay thế này có thể được sử dụng giúp Việt Nam đáp ứng nhu cầu
năng lượng ngày càng tăng nhanh.

ặc dù Việt Nam đã triển khai sớm và thành công

một số dự án nhưng việc ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam vẫn chưa khai
thác hết tiềm năng sẵn có.

22
HVTH: Hà Phương