Chuyên đề Thiết kế mô hình chuyển đổi năng lượng sóng đại dương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chuyên đề: CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG SVTH: NGUYỄN TRUNG HIẾU MSSV: 07202017 GVHD: TS. VÕ VIẾT CƯỜNG MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu .......................................................................................Trang 01 1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1.2. Lý do chọn đề tài ......................................................................................Trang 02 1.3. Mục tiêu đề tài ....................................................................................................... 1.4. Giới hạn đề tài ..........................................................................................Trang 03 1.5. Nội dung đồ án ...................................................................................................... Chương 2: Tổng quan về năng lượng tái tạo ..................................................Trang 04 2.1. Khái niệm năng lượng tái tạo ................................................................................. 2.2. Các dạng của năng lượng tái tạo ......................................................................... 2.2.1. Năng lượng mặt trời ............................................................................Trang 05 2.2.2. Năng lượng gió ................................................................................................ 2.2.3. Năng lượng thủy điện....................................................................................... 2.2.4. Năng lượng sóng .............................................................................................. 2.2.5. Năng lượng thủy triều ...................................................................................... 2.2.6. Năng lượng địa nhiệt ...........................................................................Trang 06 2.2.7. Pin nhiên liệu ................................................................................................... 2.2.8. Năng lượng sinh khối ....................................................................................... 2.3. Tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo........................................................... 2.4. Kết luận ....................................................................................................Trang 08 Chương 3: Năng lượng sóng và các phương pháp biến đổi............................Trang 09 3.1. Giới thiệu năng lượng sóng đại dương ................................................................... 3.2. Sự hình thành sóng đại dương...................................................................Trang 10 3.3. Năng lượng ở các vùng hình thành sóng ...................................................Trang 11 3.3.1. Vùng sóng gợn ................................................................................................. 3.3.2. Vùng gia tăng chiều cao sóng........................................................................... 3.3.3. Vùng sóng vỗ ......................................................................................Trang 12 3.4. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng................................................................ 3.4.1. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ ................................................ 3.4.1.1. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ trực tiếp................................... 3.4.1.2. Thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng xa bờ gián tiếp .....................Trang 14 3.4.2. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng gần bờ..................................Trang 16 Chương 4: Tính toán các thông số của sóng ...................................................Trang 19 4.1. Định nghĩa mực nước của đại dương ..................................................................... 4.2. Thông số đặc tính của sóng đại dương ................................................................... 4.3. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng đại dương ...................Trang 20 4.3.1. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng từ các số liệu thu thập được ........................................................................................................................................ 4.3.1.1. Tính toán năng lượng của sóng đều ...............................................Trang 21 4.3.1.2. Tính toán năng lượng của sóng không đều (sóng vỗ gần bờ)..........Trang 23 4.3.2. Phương pháp tính toán thông số đặc tính của sóng dựa vào thông số của gió biển ....................................................................................................................Trang 25 Chương 5: Tính toán và thiết kế mô hình khai thác năng lượng sóng...........Trang 29 5.1. Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình phao khai thác năng lượng trên mặt sóng ................................................................................................................................ 5.2. Tính toán năng lượng chuyển đổi của mô hình tấm chắn sóng khai thác năng lượng sóng tới ....................................................................................................Trang 38 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển ........................................................Trang 44 6.1. Kết luận ................................................................................................................. 6.2. Hướng phát triển.................................................................................................... Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề: Năng lượng là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội. Trong nhiều thập kỷ qua việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với phát triển kinh tế và hơn nữa năng lượng có tính quyết định đối với hệ thống chính trị, hoà bình hay sự phát triển bền vững của các quốc gia. Nói năng lượng là nói đến năng lượng hóa thạch như than đá và đặc biệt là dầu và các sản phẩm từ mỏ dầu. Cho đến nay, phần lớn các nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch là loại năng lượng dưới dạng tài nguyên, được khai thác lên và sử dụng. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp trên thế giới đang không ngừng phát triển và ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của các quốc gia trên thế giới. Nguồn năng lượng chính để phát triển nền công nghiệp hiện nay chính là năng lượng điện, không một nền công nghiệp nào có thể phát triển mà không có điện. Hầu hết các dạng năng lượng tự nhiên được khai thác là nhằm mục đích biến đổi thành năng lượng điện để cung cấp cho nhu cầu và sự phát triển của xã hội hiện nay. Khi các dạng năng lượng hóa thạch như: dầu mỏ, than đá,… bắt đầu cạn kiệt thì những nghiên cứu về các dạng năng lượng mới nhằm thay thế năng lượng khoáng sản để tạo ra năng lượng điện trở nên cấp bách. Từ đó các dạng năng lượng tự nhiên có thể tái tạo gọi tắt là “năng lượng tái tạo” được nghiên cứu và đưa vào sản xuất điện năng. Vấn đề đặt ra ở đây chính là giá thành chuyển đổi năng lượng điện từ năng lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng khoáng thạch. Vì vậy, phần lớn các nhà đầu tư, các doanh nghiệp đều cho rằng chi phí đầu tư vào sản xuất điện từ năng lượng tái tạo khá cao khó cạnh tranh với điện truyền thống như nhiệt điện và thủy điện hiện nay. Tuy nhiên, dưới cái nhìn của môi trường bền vững thì sản xuất điện từ năng lượng hóa thạch gây ô nhiễm lớn đến môi trường sống tự nhiên và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cho nên nhiều kinh phí để khắc phục ô nhiễm. Từ đó cho thấy việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị khai thác các dạng năng lượng tái tạo với công suất lớn và hiệu quả kinh tế cao là mục đích chung của các quốc gia trên thế giới. Như vậy, cùng với sự cạn kiệt và khủng hoảng của năng lượng khoáng sản trên thế giới, cùng với vấn đề cấp bách về ô nhiễm môi trường dẫn đến thiên tai, hiệu ứng nhà kính làm tăng nguy cơ hủy diệt môi trường sống của con người, cho ta thấy được tầm quan trọng của năng lượng tái tạo trong sự phát triển bền vững trên toàn thế giới hiện nay. 1.2. Lý do chọn đề tài: Khi được giáo viên hướng dẫn thực hiện đề tài TS Võ Viết Cường đề cập về vấn đề nghiên cứu các dạng năng lượng tái tạo nhằm ứng dụng tại Việt Nam. Tôi đã tìm hiểu và thấy các nhà nghiên cứu đã cho rằng: nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần và có thể hết trước thế giới vài chục năm (Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn, Dầu còn 2,3 tỷ tấn…). Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12%-20% năng lượng để có thể duy trì nền kinh tế, đến năm 2050 lên đến 50%-60%, chưa kể điện hạt nhân. Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện. Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nguồn nước cung cấp cho thủy điện của nước ta hiện đang dần cạn kiệt, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Còn chi phí sản xuất nhiệt điện quá cao và tùy thuộc vào tình hình năng lượng khoáng sản. Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án. Vì vậy cho thấy vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam là một vấn đề vô cùng cấp bách và đã và đang được thực hiện tại Việt Nam, ví dụ điển hình chính là việc khai thác năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Nhưng việc khai thác năng lượng tái tạo vẫn còn chưa triệt để và chưa được quan tâm đúng mức. Đặc biệt là Việt Nam có bờ biển dài với hàng ngàn hòn đảo lớn nhỏ nên có thể nói nguồn năng lượng từ sóng biển rất lớn, đặc biệt là ở miền Trung và các đảo, quần đảo. Các chuyên gia đã tính toán, với điều kiện sóng, gió, địa lý như ở Việt Nam thì năng lượng tạo ra từ sóng biển được xếp vào loại lớn trên thế giới. Vì vậy, việc ứng dụng các công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển tại nước ta sẽ mang lại hiệu quả rất cao. Từ những tìm hiểu trên tôi đã chọn đề tài “ Chuyển Đổi Năng Lượng Sóng Đại Dương ” với mục đích tìm hiểu thêm về lĩnh vực khai thác năng lượng tái tạo và hy vọng đóng góp một phần nhỏ công sức vào việc phát triển dạng năng lượng sóng đại dương có tiềm năng rất lớn ở nước ta. 1.3. Mục tiêu của đề tài: Đề tài được thực hiện với mục tiêu tìm hiểu nghiên cứu về sóng và năng lượng sóng, sau đó trên cơ sở tìm hiểu tính toán thiết lập bản vẽ thiết kế và thông số cho các dạng biến đổi năng lượng sóng. Phân tích tính khả thi, vấn đề kỹ thuật, kinh tế và ảnh hưởng đến môi trường biển nhằm ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam. Mang lại hiệu quả kinh tế cao và giải quyết bài toán năng lượng tại nước ta. 1.4. Giới hạn đề tài: Vì thời gian thực hiện và chi phí nghiên cứu còn hạn chế nên phần lý thuyết trong đề chỉ đưa ra định nghĩa về năng lượng tái tạo, năng lượng sóng và các phương pháp biến đổi năng lượng sóng. Trong phần thực hành giới hạn trong phạm vi tính toán các thông số của sóng, năng lượng sinh ra từ các dạng sóng biển dựa vào các số liệu thực tiễn hoặc từ số liệu gió ở vùng biển tương ứng. Từ các thông số tính toán được áp dụng vào tính toán cho 2 mô hình khai thác năng lượng sóng cơ bản nhất, làm tiền đề cho việc phát triển các mô hình khai thác năng lượng sóng lớn và hiện đại như ngày nay. Sau cùng và phần kết luận và nhận xét về hướng phát triển của đề tài trong thực tiễn tại các vùng biển ở Việt Nam hoặc bất kỳ vùng biển nào trên thế giới. 1.5. Nội dung đồ án: Chương 1: GIỚI THIỆU Nêu lên tính cần thiết của đề tài trong thực tiễn từ đó đưa ra lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài hướng đến và trình bày giới hạn của phạm vi nghiên cứu. Phần lý thuyết: Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Giới thiệu tổng quan về năng lượng tái tạo và tầm quan trọng của chúng trong nghành công nghiệp năng lượng cũng như môi trường sống của chúng ta hiện nay, trên cơ sở đó phân tích tiềm năng và triển vọng của năng lượng tái tạo. Chương 3: NĂNG LƯỢNG SÓNG ĐẠI DƯƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI Đưa ra lý thuyết tổng quan về sóng và năng lượng từ sóng đại dương, đồng thời trình bày các phương pháp biến đổi năng lượng sóng thành các dạng năng lượng có ích đặc biệt là năng lượng điện. Phần ứng dụng: Chương 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CỦA SÓNG Trình bày các biểu thức tính toán các thông số của sóng biển dựa trên 2 phương pháp chính là: phương pháp thứ nhất từ những số liệu thực nghiệm về từ các vùng biển từ đó tính toán năng lượng được tạo ra; phương pháp thứ hai là từ các thông số gió áp dụng vào các biểu thức tính toán được năng lượng sóng. Chương 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG SÓNG Nêu ra tính toán và thiết kế cho các dạng mô hình biến đổi năng lượng sóng. Phân tích về tính khả thi, vấn đề kỹ thuật – kinh tế và ảnh hưởng đến môi trường biển của các loại mô hình nêu trên. Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận về đề tài và đưa ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai. Phần lý thuyết: Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 2.1. Khái niệm năng lượng tái tạo: Năng lượng tái tạo (Renewable Energy): là các dạng năng lượng xanh có sẵn trong tự nhiên với đặc điểm là: - Không bị tiêu hao hoặc ảnh hưởng trong quá trình ta khai thác như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng và thủy triều… - Có thể tái tạo lại với tốc độ bằng với tốc độ ta khai thác như năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh khối. 2.2. Các dạng của năng lượng tái tạo: Năng lượng tái tạo tồn tại trong tự nhiên với các dạng năng lượng: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, năng lượng nhiệt, năng lượng sóng và thủy triều, năng lượng địa nhiệt, năng lượng pin nhiên liệu và năng lượng sinh khối Hình 2.1: Các dạng năng lượng tái tạo 2.2.1. Năng lượng mặt trời (Solar Energy): Bức xạ của mặt trời chiếu vào trái đất mang theo rất nhiều năng lượng, với từng mục đích khác nhau người ta sẽ sử dụng các công nghệ khác nhau để biến đổi bức xạ mặt trời thành các dạng năng lượng phục khác nhau. Năng lượng mặt trời có thể chuyển thành các dạng năng lượng như: - Cung cấp nhiệt độ cao nhằm mục đích sưởi ấm hoặc nung nóng nước và có thể được tập trung bằng các loại gương để cung cấp nhiệt với nhiệt độ cao cho phát điện. - Bức xạ Mặt Trời cũng có thể được biến đổi trực tiếp thành điện năng bằng cách sử dụng các modun pin Mặt Trời (PV). Những modun này thường được đặt trên mái nhà hoặc những mặt ngoài của toà nhà. Điện năng từ pin Mặt Trời hiện tại có giá thành cao nhưng giá của chúng thì đang giảm xuống và đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực công nghiệp. 2.2.2. Năng lượng gió (Wind Energy): Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất, năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Người ta dựa trên động năng của gió để tạo ra năng lượng phục vụ cho nhiều muc đích như: tác động lên cánh buồm trong việc di chuyển trên biển, làm quay các cối xay gió, tác động lên cánh quạt tuabin gió làm quay tuabin tạo ra điện. 2.2.3. Năng lượng thủy điện (Hydro Electric Energy): Người ta dựa tính chất của nước là di chuyển theo thế năng, nghĩa là chảy từ nơi cao xuống nơi thấp hơn. Từ đó người ta chặn những con sông, suối rồi xây dựng hồ chứa nước, sau đó xả nước qua tuabin thủy điện làm quay tuabin tạo ra điện năng. 2.2.4. Năng lượng sóng (Wave Energy): Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động của các khối khí do chênh lệch nhiệt độ v.v..). Năng lượng chứa trong những đợt sóng là rất lớn vì vậy có rất nhiều phương pháp có thể được sử dụng để khai thác năng lượng này chuyển thành chuyển động tịnh tuyến của lõi từ hoặc chuyển động quay của máy phát nhằm phát ra điện năng. 2.2.5. Năng lượng thủy triều (Tidal Energy): Thủy triều là hiện tượng sóng của nước biển dưới tác động của các lực gây ra bởi mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương. Dưới tác động của các lực, nước trên đại dương dâng lên tạo thành các sóng nước di chuyển trên đại dương, tạo thành sự chuyển động tương đối giữa trái đất, mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác.Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó). Người ta lấy năng lượng từ thủy triều thông qua dòng triều cường chảy dưới lòng đại dương hoặc ngăn đập và xả đập khi thủy triều dâng và hạ nhằm tạo ra chuyển động quay của tuabin tao ra điện. 2.2.6. Năng lượng địa nhiệt (Thermal of the Earth Energy): Năng lượng địa nhiệt là một dạng năng lượng được tích tụ dưới dạng nhiệt lượng nằm ngay dưới lớp đất của vỏ trái đất. Phía dưới bề mặt hành tinh của chúng ta, ở độ sâu từ 5 km đến 10 km có rất nhiều dòng nước nóng ngầm có thể sử dụng làm nguồn năng lượng. Những dòng nước nóng (có nơi lên đến 6000oC) thường thoát lên bề mặt trái đất dưới dạng các nguồn nước nóng hay suối nước nóng phun trào, ta có thể dung nguồn năng lượng này để biến đổi thành năng lượng điện hay sử dụng trực tiếp để sưởi ấm nhà ở hay ở các nhà kính trong trồng trọt, sấy nông sản. 2.2.7. Pin nhiên liệu (Hydrogen and Fuel Cells): Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H2 + O2 = H20 + dòng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn ... thực chất nó là một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2/không khí. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao. 2.2.8. Năng lượng sinh khối (Biomass Energy): Năng lượng sinh khối (hay còn gọi là năng lượng vi sinh) là nguồn khí tự nhiên được tạo ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ, thức ăn thừa hoặc phân động vật, các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ, xơ bắp v..v..), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ v.v...), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải. Đây là loại năng lượng đặt biệt vì có thể sản xuất trực tiếp ra khí đốt hoặc xăng dầu vừa có thể xử lý chất thải góp phần lớn vào việc cải thiện môi trường sống. 2.3. Tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo: Hiện nay năng lượng tái tạo đang được khai thác ở rất nhiều nơi trên thế giới được xem như là nguồn năng lượng có khả năng thay thê được năng lượng khoáng sản đang cạn kiệt. Có rất nhiều dự án với chi phí rất cao nhằm khai thác hiệu quả năng lượng tái tạo đã đi vào hoạt động và cung cấp năng lượng đặc biệt là năng lượng điện phục vụ nhu cầu của con người. Ví dụ như: các hệ thống tuabin gió trên toàn thế giới (trang trại năng lượng gió Thanet, với 100 chiếc quạt khổng lồ được “trồng” ở ngoài khơi bờ biển Thanet. Trang trại có thể sản xuất đủ điện cho hơn 200.000 hộ gia đình dùng trong một năm), các nhà máy điện sinh khối (nhà máy điện sinh khối công suất 44 MW tại Steven's Croft, gần Lockerbie ở Scotland (Anh)), các nhà máy điện thủy triều và sóng (nhà máy điện La Rance tại Pháp