LÝ DO ĐƯA RA ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết của đề tài
1.1.1) Để giảm thiểu sự phát thải khí nhà kính do hoạt động sản xuất nhiệt điện thải ra:
Từ cuối thế kỷ 19, nhiệt độ toàn cầu đã tăng khoảng 1,1 độ C Để duy trì mức tăng nhiệt an toàn, cần giảm 7,6% lượng khí thải CO2 hàng năm trong vòng một thập kỷ tới Tuy nhiên, mục tiêu này dường như "bất khả thi" khi mức khí thải CO2 thực tế lại liên tục lập kỷ lục mới mỗi năm.
Theo báo cáo của Dự án Carbon Toàn cầu (GCP), tổng lượng phát thải CO2 từ hoạt động của con người sẽ đạt 43,1 tỷ tấn, trong đó, phát thải từ nguyên liệu hóa thạch và công nghiệp chiếm 36,8 tỷ tấn, cho thấy sự đóng góp lớn của các nguồn này vào khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Theo báo cáo từ UNFCCC và Viện Tài nguyên thế giới (WRI), Việt Nam đóng góp khoảng 0,5% vào tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu, xếp thứ 33 về tổng lượng phát thải và thứ 125 về phát thải bình quân đầu người.
+ Lĩnh vực năng lượng là lĩnh vực có tỷ trọng phát thải nhà kính lớn nhất của Việt Nam:
Hình 1: Lượng phát thải nhà kính theo từng lĩnh vực kinh tế của Việt Nam
Bảng 1 trình bày lượng sản xuất phát thải nhà kính theo từng lĩnh vực kinh tế từ năm 1994 đến 2005, trong khi Đồ thị 1 thể hiện xu thế phát thải nhà kính tại Việt Nam qua các lĩnh vực khác nhau.
Lượng phát thải khí nhà kính từ sản xuất năng lượng hóa thạch là cao nhất trong tất cả các lĩnh vực kinh tế.
1.1.2) Giảm thiểu xây mới các đập thủy điện gián tiếp giảm tác động tiêu cực của các đập thủy điện này nên môi trường:
Mặc dù nhà máy thủy điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng chúng cũng gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, như giảm sút nguồn nước, mất rừng và biến đổi khí hậu Những ảnh hưởng này không chỉ xảy ra trong hiện tại mà còn kéo dài và tác động đến tương lai của khu vực.
Thủy điện có tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là khi xây dựng nhà máy thủy điện, dẫn đến việc phá hủy rừng nguyên sinh, rừng đầu nguồn và rừng phòng hộ Sự mất mát này làm gia tăng nguy cơ lũ lụt, mặc dù chính bản thân nhà máy không tạo ra lũ nhưng việc phá rừng để xây dựng làm tình hình trở nên nghiêm trọng hơn Dòng chảy bị giữ lại khiến cho phù sa không được bồi đắp cho các khu vực hạ lưu, dẫn đến xói lở bờ sông và suy thoái đất Hơn nữa, việc xả lũ từ các nhà máy thủy điện trong mùa mưa bão cũng góp phần làm lũ lụt trở nên tồi tệ hơn, như sự kiện tháng 11/2013 khi bốn nhà máy thủy điện đồng loạt xả lũ, gây ngập lụt tại huyện Đại Lộc Ngoài ra, vụ sạt lở đất tại thủy điện Rào Trăng 3 vào tháng 10/2020 đã khiến 17 người chết và mất tích, cho thấy những rủi ro nghiêm trọng liên quan đến hoạt động của thủy điện.
+ Phát triển ồ ạt thủy điện vừa và nhỏ khiến rừng bị tàn phá nghiêm trọng:
Theo thông tin từ truyền thông nhà nước Việt Nam, hơn 50.000 hecta rừng đã bị tàn phá để xây dựng 824 nhà máy thủy điện, trung bình mỗi nhà máy tiêu tốn khoảng 59 hecta rừng.
Hình 2: San ủi rừng phòng hộ để xây dựng Thủy điện Đăk Re (Ba Tơ- Quảng
Hình 3: Đâp thủy điện xây trên nền đất rừng bị phá
1.1.3) Giảm thiểu gánh nặng, sự phụ thuộc và tác động với môi trường của nguồn nguyên liệu hóa thạch:
Than đá, hay còn gọi là "vàng đen", đã từ lâu là nguyên liệu chủ yếu cho các nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, tốc độ khai thác và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch hiện nay quá nhanh so với tốc độ hình thành của chúng, dẫn đến tình trạng cạn kiệt ngày càng nghiêm trọng.
Hình ảnh rừng cây chết khô bên lòng hồ thủy điện Bản Vẽ phản ánh tình trạng khan hiếm nước và cạn kiệt nguồn tài nguyên Dự báo cho thấy trữ lượng dầu mỏ toàn cầu chỉ còn đủ dùng trong 53 năm, khí thiên nhiên khoảng 55 năm và than đá 113 năm nếu tiếp tục khai thác với tốc độ hiện tại Tại Việt Nam, với tốc độ khai thác hiện nay, nguồn dầu mỏ chỉ còn 34 năm, khí thiên nhiên 63 năm và than đá chỉ còn 4 năm trước khi cạn kiệt.
Việc sử dụng năng lượng hóa thạch gây ra tác động tiêu cực đến môi trường và biến đổi khí hậu, với 21,3 tỉ tấn CO2 được thải ra hàng năm, trong đó 10,65 tỉ tấn CO2 được thêm vào bầu khí quyển Ngoài CO2, quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch còn tạo ra nhiều chất ô nhiễm không khí như NO2, SO2, bụi mịn, thủy ngân và các kim loại nặng.
Theo IPCC, 56,6% khí nhà kính do con người tạo ra xuất phát từ việc sử dụng năng lượng hóa thạch, trong đó than đá là nguồn phát thải lớn nhất, gấp đôi so với khí tự nhiên và hơn 30% so với xăng Ô nhiễm không khí từ than đá và năng lượng hóa thạch gây ra nhiều bệnh tật như bệnh tim mạch và hô hấp Tiếp xúc lâu dài với bụi than làm tăng nguy cơ mắc bệnh phổi đen Nghiên cứu cho thấy, mỗi tỉ kWh điện sản xuất từ than đá gây ra 225 ca bệnh nghiêm trọng, hơn 13.000 vấn đề sức khỏe khác và 24,5 ca tử vong.
1.1.4) Bù đắp vào lượng điện thiếu hụt phải nhập khẩu hàng năm:
Việt Nam hiện đang nhập khẩu điện từ Lào với tổng công suất khoảng 572 MW và từ Trung Quốc với tổng công suất trên 450 MW, chiếm gần 2% tổng công suất toàn hệ thống điện (55.880 MW) Giá mua điện bình quân từ Trung Quốc là 1.281 đồng/kWh và từ Lào là 1.368 đồng/kWh, đều thấp hơn so với giá trong nước (1.486 đồng/kWh) Tuy nhiên, việc nhập khẩu điện gặp nhiều rào cản, đặc biệt là từ Lào do thủ tục hành chính phức tạp và thiếu cam kết vĩ mô giữa Việt Nam và Trung Quốc Mặc dù việc nhập khẩu điện có tiềm năng lớn, nhưng nếu quá phụ thuộc vào nguồn điện này, Việt Nam sẽ đối mặt với nguy cơ phụ thuộc vào các nước khác, đặc biệt khi mức đầu tư cho điện đang giảm, dẫn đến khả năng thiếu hụt điện trong tương lai.
1.1.5) Tận dụng điều kiện tự nhiên của Việt Nam:
+ Việt Nam có đường bờ biển dài 3200km với nhiều vũng, vịnh, cửa sông, đầm phá rất có tiềm năng trong việc khai thác năng lượng thủy triều.
Khu vực Quảng Ninh có mật độ năng lượng thủy triều cao nhất Việt Nam, đạt khoảng 3,7 GWh/km², trong khi Nghệ An là 2,5 GWh/km² và Thừa Thiên Huế chỉ 0,3 GWh/km² Tại miền Nam, Phan Thiết có mật độ 2,1 GWh/km², trong khi Bà Rịa - Vũng Tàu đạt 5,2 GWh/km² Đặc biệt, vùng biển Đông Bắc thuộc Quảng Ninh và Hải Phòng có tiềm năng phát triển điện thủy triều lớn nhất, với công suất lắp máy có thể lên đến 550MW, chiếm 96% tiềm năng nguồn điện thủy triều của cả nước Tuy nhiên, nguồn năng lượng này vẫn chưa được khai thác hiệu quả và hiện chỉ đang ở giai đoạn nghiên cứu sơ khai mà chưa có ứng dụng cụ thể nào trong việc phát điện.
Biển Việt Nam ít bị ảnh hưởng bởi các dòng chảy tầng mặt lớn từ Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương Thay vào đó, các dòng chảy ở đây chủ yếu phụ thuộc vào chế độ gió mùa và điều kiện địa hình xung quanh.
Mục đích của đề tài
Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế và đánh giá hiệu suất của tuabin thủy triều tại Việt Nam, nhằm khai thác tiềm năng năng lượng từ dòng chảy của thủy triều Mục tiêu là phát triển các nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn để sản xuất điện năng cho đất nước trong tương lai.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu tập trung vào hai đối tượng chính là năng lượng thủy triều và tua-bin thủy triều, đồng thời cũng đề cập đến một số nội dung liên quan khác ngoài hai đối tượng này.
* Lý do chọn năng lượng thủy triều và tua-bin thủy triều:
Trong bối cảnh trái đất nóng lên, việc tan băng ở hai cực dẫn đến mực nước biển dâng cao, gây thiệt hại nghiêm trọng cho các quốc gia ven biển, bao gồm cả Việt Nam Bên cạnh đó, giá cả các nguồn nguyên liệu hóa thạch như xăng, dầu, khí đốt và than đá ngày càng tăng, trong khi nguồn dự trữ ngày càng cạn kiệt Điều này tạo ra nhu cầu cấp bách tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo mới, và năng lượng thủy triều, được sản sinh từ sự lên xuống của thủy triều, là một giải pháp tiềm năng.
Năng lượng thủy triều có tiềm năng lớn nhờ vào khả năng cung cấp năng lượng liên tục, bất kể thời tiết, khác với năng lượng từ gió và mặt trời Mặc dù thủy triều dễ dự đoán hơn, nguồn năng lượng này vẫn chưa được khai thác hiệu quả, dẫn đến sự lãng phí lớn đối với tài nguyên quý giá này.
Năng lượng thủy triều có thể được khai thác hiệu quả trong sản xuất nhờ vào sự tiến bộ của khoa học công nghệ, đặc biệt là trong thiết kế công trình và tuabin.
Dựa trên các nghiên cứu trước đây, bài viết này sẽ thiết kế một tua-bin thủy triều hai cánh, tối ưu cho vận tốc dòng triều lý tưởng 2m/s, phù hợp với điều kiện dòng thủy triều tại Việt Nam.
* Lý do chọn tua-bin hai cánh:
Mặc dù các tuabin ba cánh là tiêu chuẩn trong ngành trang trại điện thủy triều, nghiên cứu và phát triển các tuabin hai cánh đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Các tuabin hai cánh có tiềm năng lớn và mang lại nhiều lợi ích cho các trang trại điện thủy triều, hứa hẹn cải thiện hiệu suất và giảm chi phí.
Giảm chi phí xây dựng và chế tạo là một lợi ích quan trọng của tuabin hai cánh, vì chúng yêu cầu ít vật liệu hơn Các nhà phát triển ước tính rằng tuabin hai cánh có thể tiết kiệm khoảng 20% chi phí xây dựng và lắp đặt, trong khi vẫn sản xuất lượng điện năng tương đương với tuabin ba cánh.
Việc loại bỏ cánh quạt thứ ba giúp tuabin hai cánh nhẹ hơn và dễ dàng lắp đặt hơn so với tuabin ba cánh, thường phải thi công tại chỗ Các kỹ sư có thể đặt cánh quạt ở mặt dưới của tháp đỡ, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của rô-to, với trọng lượng nhẹ hơn tới 40 tấn so với các rôto thông thường Nhiều tuabin thủy triều thương mại hai cánh đã được lắp đặt để đánh giá hiệu suất thủy động lực học, như các dự án Seaflow và SeaGen tại Anh Rôto hai cánh có thể được chế tạo trên bờ và dễ dàng vận chuyển đến vị trí lắp đặt nhờ vào trọng lượng nhẹ.
+ Khả năng chịu tải trọng mỏi: Tuabin hai cánh có khả năng chịu được tải trọng mỏi lớn hơn so với các tuabin ba cánh có cùng kích cỡ.[37]
+ Mức độ xâm thực của tuabin hai cánh so với tuabin ba cánh hoặc tuabin bin có số cánh khác hai là nhỏ hơn.
Kể từ những năm đầu thế kỷ XX, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khai thác năng lượng thủy triều, mang lại những kết quả đáng chú ý.
In 1956, two studies conducted by Stone & Webster of Boston and Montreal Engineering Company concluded that millions of horsepower could be harnessed from bays or coastal waters.
+ Garbuglia và các cộng sự (1993) và Paish và các cộng sự (1995) đã đưa ra một khái niệm mới về hệ thống dòng điện thủy triều với thí nghiệm ở biển. [11,12]
Nghiên cứu của Shiono và cộng sự (1999) về thiết bị kiểu Darries cùng với giới thiệu của Walsum (1999) về hệ thống điện trong vịnh Fundy đã đóng góp quan trọng vào lĩnh vực năng lượng thủy triều Ba nghiên cứu của Charlier (2003), Li và cộng sự (2010), và Pelc và Fujita (2002) đã khẳng định năng lượng thủy triều là một dạng năng lượng tái tạo từ biển, được khai thác để sản xuất điện qua tuabin nhờ vào sự lên xuống của thủy triều hai lần mỗi ngày Năng lượng này được đánh giá là có độ tin cậy cao, dễ dự đoán và dồi dào tại các khu vực ven biển.
Năm 2007, Jo và cộng sự đã trình bày tỷ lệ giao thoa giữa sự sắp xếp theo trục ngang và chéo của roto nhằm điều chỉnh tốc độ dòng nước trước tuabin Tiếp theo, vào năm 2008, nhóm nghiên cứu này đã công bố kết quả thử nghiệm về ứng dụng của hệ thống điện dòng triều trong các đập nước dưới biển, cho thấy rằng các đơn vị có thể kết hợp để tạo thành một trang trại điện nhằm sản xuất đủ năng lượng.
Nghiên cứu của Green Party (2009) cho thấy rằng việc lắp đặt tuabin trong vùng nước không gây ảnh hưởng đến động vật hoang dã và môi trường.
+ Năng lượng thủy triều có công suất toàn cầu dự kiến là 120 GW và có thể sản xuất lên đến 150 TWh mỗi năm (Abuan và Howell, 2019) [21]
* Thiết kế và tối ưu hóa hệ thống tua-bin:
Vào năm 2007, Bahaj và Wang đã tiến hành hai nghiên cứu độc lập về sự xâm thực của tuabin thủy triều, trong đó họ quan sát sự xâm thực trên hai loại tuabin khác nhau Kết quả cho thấy rằng sự xâm thực xảy ra trên cánh tuabin cao hơn nhiều so với chính tuabin, từ đó nảy sinh vấn đề cần tìm giải pháp để giảm thiểu độ xâm thực trên cánh tuabin.
Cấu trúc của tuabin dòng thủy triều trục ngang tương tự như tuabin gió trục ngang, với hầu hết các cánh được thiết kế theo kiểu cánh tuabin gió Hiện nay, thiết kế của tuabin dòng thủy triều chủ yếu dựa trên lý thuyết Động lượng - Phần tử cánh (BEMT), với các nghiên cứu của Bahaj và cộng sự (2007) cũng như Tedds và cộng sự (2011) nhằm phân tích các đặc điểm thủy động lực học của chúng.
Phương pháp nghiên cứu
Báo cáo này nghiên cứu và thiết kế tuabin hai cánh cho vận tốc dòng triều 2m/s, xây dựng mô hình 3D và tính toán công suất Phân tích tính chất dòng chảy xung quanh tuabin được thực hiện bằng phương pháp CFD, sử dụng phần mềm ANSYS 15.0 hoặc ANSYS CFX.
* Lý do chọn phần mềm ANSYS 15.0: Ưu điểm của phần mềm mô phỏng ANSYS 15:
Mô hình hóa các hiện tượng vật lý phức tạp liên quan đến dòng chất lỏng là khả năng quan trọng, cho phép giải quyết các mô hình khó khăn cho dòng chảy đa pha, phản ứng hóa học và quá trình đốt cháy Điều này bao gồm việc nghiên cứu cả dòng chảy bên trong và bên ngoài của các đối tượng nghiên cứu phức tạp.
ANSYS CFX là một phần mềm CFD hiệu suất cao, chuyên cung cấp giải pháp tính toán động lực học chất lỏng chính xác và đáng tin cậy Với khả năng xử lý nhanh chóng và mạnh mẽ, ANSYS CFX được công nhận vì độ chính xác và tốc độ vượt trội, đặc biệt trong việc mô phỏng các máy móc quay như máy bơm, quạt, máy nén và tuabin khí, thủy.
+ Giải pháp phân tích của ANSYS CFX đối với các phương trình Navier-
Stokes chỉ tồn tại cho các luồng đơn giản nhất trong điều kiện lý tưởng.
Cung cấp tính linh hoạt tối ưu cho lưới, cho phép giải quyết hiệu quả các vấn đề về dòng chảy thông qua việc sử dụng các mắt lưới phi cấu trúc, dễ dàng tạo ra các hình học phức tạp.
Chạy mạnh mẽ và hiệu quả cho mọi mô hình vật lý và các loại dòng chảy, bao gồm dòng chảy trạng thái ổn định và thoáng qua, không thể nén hoặc nén được, từ siêu âm thấp đến siêu âm, cũng như dòng chảy tầng và chảy rối.
+ Nghiên cứu hành vi của các hạt trong chất lỏng trong đường dẫn dòng, phân bố nhiê ̣t đô ̣ và vận tốc.
So sánh giữa các phần mềm mô phỏng CFD, hiện có nhiều lựa chọn như Star-CCM +, ANSYS, COMSOL, và OpenFOAM Theo khảo sát của Resolved Analytics năm 2016, ANSYS và Star-CCM + vẫn là hai gói phần mềm hàng đầu trong lĩnh vực này Dựa trên đánh giá từ người dùng, ANSYS CFX được khuyến nghị để giải quyết các vấn đề trong công việc này, với kết quả đáng tin cậy, miễn là các lỗi số được quản lý cẩn thận.
+ Dễ dàng xử lý hình học phức tạp, thực hiê ̣n trong thời gian ngắn,
+ Có khả năng tương thích tốt trên tương tác rắn và lỏng.
+ Phân tích tốn nhiều thời gian cho các nghiên cứu phức tạp,
+ Dung lượng để chạy phần mềm lớn,
+ Khả năng giải quyết các vấn đề liên quan đến cơ học chất rắn và đô ̣ng lực học chất lỏng bị hạn chế.
+ Ít thân thiê ̣n với người dùng,
+ Cần hiểu biết sâu về cơ học và công nghê ̣ FE.
Bảng 2: So sánh phần mềm ANSYS với các phần mềm mô phỏng khác1.6) Ý nghĩa của đề tài:
Nghiên cứu về năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng thủy triều, đang thu hút sự chú ý lớn từ các nhà nghiên cứu toàn cầu Năng lượng thủy triều không chỉ là một nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế bền vững cho các khu vực và quốc gia Bài nghiên cứu này nhằm làm rõ tiềm năng và đặc điểm của năng lượng thủy triều, đồng thời đề xuất thiết kế tua-bin thủy triều để khai thác nguồn năng lượng này, cũng như phân tích hiệu suất và đặc tính dòng chảy phía sau tua-bin nhằm phục vụ cho việc thiết kế trang trại tuabin hiệu quả.
1.6.2) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao nhận thức của cộng đồng về tiềm năng của năng lượng thủy triều, từ đó thúc đẩy việc phát triển và khai thác nguồn năng lượng này tại Việt Nam trong tương lai gần.
Việc ứng dụng tua-bin thủy triều vào khai thác năng lượng thủy triều sẽ đem lại lợi ích to lớn về kinh tế cho Việt Nam như:
+ Giảm thiểu được lượng khí thải nhà kính thải ra ngoài môi trường mỗi năm do hoạt động sản suất năng lượng.
Giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là cần thiết, vì nguồn nguyên liệu này không tái tạo và có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai gần.
+ Bù đắp vào lượng điện thiếu hụt phải bổ sung bằng nhiệt điện mỗi năm cho Việt Nam.
+ Tận dụng và khai thác hiệu quả tài nguyên biển và đường bờ biển dài hơn
Sử dụng đồng thời năng lượng thủy triều kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ thúc đẩy sự phát triển bền vững của nền kinh tế Việt Nam trong tương lai.
Đề tài này giới thiệu năng lượng tái tạo mới, cụ thể là năng lượng thủy triều, nhằm khai thác và sử dụng tại Việt Nam Mặc dù năng lượng thủy triều đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia như Đức, Hàn Quốc và Anh, nhưng tại Việt Nam, vẫn thiếu nghiên cứu cụ thể về tiềm năng của nguồn năng lượng này cũng như thiết kế thiết bị chuyên dụng để khai thác Do đó, việc phân tích và thiết kế thiết bị khai thác năng lượng thủy triều không chỉ có ý nghĩa lớn đối với nền kinh tế Việt Nam mà còn góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy sự phát triển bền vững trong tương lai.
CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1) Thủy triều và năng lượng thủy triều:
Thủy triều là hiện tượng dao động định kỳ của nước trong biển và đại dương, chủ yếu do sức hút từ mặt trăng và mặt trời.
Hình 5: Nguyên lý hình thành thủy triều.
Triều cường là hiện tượng thủy triều cực đại xảy ra khi mặt trời và mặt trăng gần như thẳng hàng, tạo ra lực hấp dẫn mạnh nhất Hiện tượng này dẫn đến sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và hạ, thường diễn ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non.
Triều kiệt, hay còn gọi là thủy triều cực tiểu, xảy ra khi góc giữa đường nối Trái đất và Mặt trời với đường nối Trái đất và Mặt trăng là 90 độ Trong thời điểm này, lực hút của Mặt trăng lên nước biển là thấp nhất, dẫn đến hiện tượng triều cường yếu nhất.
Năng lượng thủy triều là một dạng năng lượng tái tạo từ biển, được chuyển đổi thành điện thông qua các thiết bị như tuabin, nhờ vào sự lên xuống của thủy triều hai lần mỗi ngày Đây là nguồn năng lượng có độ tin cậy cao, dễ dàng dự đoán và phong phú tại các vùng ven biển Điện thủy triều, được sản xuất từ năng lượng của nước chuyển động do thủy triều, mang lại tiềm năng lớn cho việc sản xuất điện trong hiện tại và tương lai.
Tuabin thủy triều là thiết bị được dùng để biến đổi năng lượng của dòng thủy triều (động năng, thế năng) thành cơ năng làm quay máy phát điện.
Tua-bin thủy triều …
Tuabin thủy triều là thiết bị được dùng để biến đổi năng lượng của dòng thủy triều (động năng, thế năng) thành cơ năng làm quay máy phát điện.
Tuabin thủy triều có cấu tạo tương tự như tuabin gió, nhưng do trọng lượng riêng của nước biển cao gấp gần 1000 lần so với không khí và tốc độ chảy thấp hơn, nên chúng có kích thước nhỏ gọn hơn khi phát ra cùng một công suất Tuy nhiên, các tuabin hoạt động dưới nước phải chịu tải trọng cấu trúc lớn hơn so với tuabin gió Do đó, tuabin thủy triều cần được thiết kế để chịu đựng tải trọng khắc nghiệt và có khả năng tạo ra điện trong điều kiện bão gió và triều cường.
Rôto là một khối quay được hình thành từ hai hoặc nhiều cánh gắn trên một trụ trung tâm (Hub) Khi dòng nước biển chảy qua các cánh, nó tạo ra lực làm quay rôto.
+ Rôto được kết nối với trục chính để truyền mômen xoắn.
+ Trục chính được kết nối với hộp số được sử dụng để nhận tốc độ quay cần thiết từ trục chính.
Mô-men xoắn được tạo ra sau đó được truyền đến máy phát điện để sản xuất điện năng, và điện năng này được chuyển tiếp vào đất liền thông qua hệ thống cáp dưới nước.
+ Tất cả bộ phận được bọc trong một thiết bị có tên là Nacelle Nacelle được gắn trên một cấu trúc chịu tải trọng trong môi trường nước biển.
+ Cấu trúc chịu tải trọng được thiết kế ứng với từng kích cỡ của tuabin, độ sâu và điều kiện mặt dưới dáy biển.
Hình 6: Cấu tạo một tua-bin thủy triều điển hình.
Theo tiêu chuẩn của Châu Âu, hiện nay có sáu loại tua-bin thủy triều chính là:
Tuabin thủy triều trục ngang là thiết bị khai thác năng lượng từ dòng nước di chuyển, tương tự như cách mà các tuabin gió lấy năng lượng từ gió Khi dòng thủy triều chảy, các cánh quạt của tuabin quay quanh trục hoành, từ đó tạo ra điện năng.
Hình 7: Tua-bin thủy triều trục ngang
Tua-bin thủy triều trục đứng là thiết bị khai thác năng lượng từ thủy triều, hoạt động bằng cách lắp đặt tuabin trên trục thẳng đứng Khi dòng thủy triều di chuyển, các cánh quạt của tuabin quay quanh trục thẳng đứng, từ đó tạo ra công suất hiệu quả.
Hình 8: Tua-bin thủy triều trục đứng
Tàu cánh ngầm tua-bin dao động là một loại phương tiện được trang bị cánh tay đòn dao động, giúp tận dụng dòng thủy triều chảy hai bên cánh để tạo ra lực nâng Chuyển động này sau đó kích hoạt hệ thống thủy lực, chuyển đổi năng lượng thủy triều thành điện năng hiệu quả.
Hình 9: Oscillating hydrofoil tua-bin
+ Enclosed tips tua-bin (VENTURI): Các thiết bị sử dụng hiệu ứng
Venturi lắp đặt thiết bị trong ống dẫn để tập trung dòng thủy triều đi qua tuabin Thiết bị thu thập dạng phễu được đặt chìm trong dòng nước, cho phép dòng nước dẫn động tuabin trực tiếp hoặc tạo ra sự chênh lệch áp suất cảm ứng trong hệ thống để điều khiển tuabin không khí.
Hình 10: Enclosed tips tua-bin (VENTURI)
Archimedes Screw là một thiết bị hình xoắn ốc, bao gồm một bề mặt xoắn quấn quanh một trục hình trụ trung tâm Thiết bị này khai thác năng lượng từ dòng thủy triều, khi nước di chuyển lên hoặc qua đường xoắn ốc, làm quay các tuabin.
Hình 11: Archimedes screw tua-bin
Diều thủy triều Tidal kite tua-bin là một thiết bị được gắn vào đáy biển, với một tuabin nằm dưới cánh diều Thiết kế này cho phép diều "bay" theo dòng thủy triều, di chuyển theo hình số tám nhằm tối ưu hóa tốc độ dòng nước chảy qua tuabin, từ đó tạo ra năng lượng tái tạo hiệu quả.
Hình 12: Tidal kite tua-bin
2.2.4) Ưu điểm của tua-bin thủy triều:
Tua-bin thủy triều có khả năng chịu tải trọng vượt trội, gấp hơn 800 lần so với tua-bin gió thông thường.
Tua-bin thủy triều có kích thước nhỏ hơn so với tua-bin gió, với đường kính cánh chỉ khoảng 5-10m, trong khi tua-bin gió có đường kính từ 80-100m Các tua-bin thủy triều có khả năng kết hợp để tạo thành một trang trại điện thủy triều, giúp tăng cường công suất điện sản xuất.
Hiệu suất ổn định của tua-bin thủy triều được đảm bảo nhờ vào năng lượng từ dòng triều dao động, một dạng năng lượng dễ dự đoán và tính toán.
+ Không làm ô nhiễm đến môi trường và ảnh hưởng không nhiều dến hệ sinh thái xung quanh nơi đặt tua-bin.
2.2.5) Một số ví dụ về các tua-bin thủy triều đang được vận hành trên thế giới:
Tua-bin dòng chảy tự do, do Verdant Power tại Mỹ phát triển, là một tua-bin trục ngang ba cánh có đường kính 5m Thiết bị này được lắp đặt trong hệ thống sông Đông gần thành phố New York.
Tuabin thủy triều Evopod, với thiết kế trục ngang, có công suất 35kW và đã được thử nghiệm thành công tại Strangford Phiên bản nâng cấp của tuabin này có công suất 55kW, được phát triển để hoạt động hiệu quả ở những khu vực có vận tốc dòng chảy cao hơn.
Đây là một tua-bin ba cánh với trục ngang, có đường kính mỗi tua-bin là 15m Mỗi tua-bin được lắp đặt trên đỉnh của một khung hình tam giác nhằm đảm bảo tính ổn định.