Tại sao có dòng hải lưu trên biển

ĐIỆN HẢI LƯU – NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHÍNH CỦA VIỆT NAM TRONG TƯƠNG LAI

KS Doãn Mạnh Dũng  trình bày tại Hội thảo     

Việc trái đất ấm lên do hiệu ứng nhà kính từ việc sử dụng nhiên liệu như dầu, than,… là tai họa mà con người phải đối mặt. Tổn thất nhân mạng khi con người đối mặt với bão là ít hơn nhiều khi phải đối mặt với các trận lũ quét, lũ ống do mưa lúc bão đến và sau bão. Với quan điểm tính mạng con người là trên hết, nên các hồ chứa nước cần ưu tiên cho chức năng chống lũ hơn là làm nhiệm vụ phát điện. Còn điện gió và điện mặt trời hiện có giá thành cao. Vậy người Việt Nam cần nguồn điện nào để phát triển kinh tế?

Tác giả tin rằng, đó là điện hải lưu ở miền Trung và Nam bộ Việt Nam.
Thủy điện sử dụng năng lượng của nước  khi di chuyển từ trên cao xuống thấp để tạo ra động năng để quay máy phát điện. Nguồn năng lượng thủy điện được mô tả bằng công thức W= mgh

Điện hải lưu sử dụng tốc độ dòng chảy trong tự nhiên để quay máy phát điện. Nguồn năng lượng này được mô tả bằng công thức W= 0.5mvv.

Hình 1A: Dòng hải lưu có chiều rộng và chiều sâu

Trước hết ta cần biết tại sao nguồn điện hải lưu trên trái đất này lại tập trung ở miền Trung và Nam bộ Việt Nam.

Dòng hoàn lưu tầng đáy hình thành do chênh lệch nhiệt.

Khi làm thí nghiệm, ta phát hiện do chênh lệnh nhiệt giữa xích đạo và Bắc cực nên xuất hiện dòng hoàn lưu tầng đáy di chuyển dọc theo bờ biển miền Trung trong 365 ngày/năm theo hướng từ Bắc xuống Nam.

Vì trái đất quay từ Tây sang Đông nên dòng hoàn lưu trên vừa di chuyển từ Bắc cực về Xích Đạo  vừa di chuyển từ Đông sang Tây và tạo nên dòng hải lưu ven bờ biển Việt Nam từ phía Nam đảo Hải Nam đến mũi Cà Mau.

Tốc độ dòng hoàn lưu tầng đáy có giá trị cực đại khi hội đủ 3 yếu tố:

1/ Chênh lệch nhiệt giữa cực Nam và cực Bắc của vùng nước là lớn nhất.

2/ Nơi xuất hiện dòng hoàn lưu tầng đáy ở vùng nước cực Bắc có vĩ tuyến  tiến tới => 90 độ.

3/ Vùng cực Nam của vùng nước – nơi đặt máy phát điện có vĩ tuyến tiến tới => 0 độ.

Bờ biển miền Trung là vị trí duy nhất trên trái đất này đã hội đủ cả 3 yếu tố trên. Vì vậy dòng hoàn lưu tầng đáy ở miền Trung Việt Nam là cực đại so với các dòng hoàn lưu khác trên thế giới.

Tốc độ trung bình tại vị trí đặt máy phát điện. Nghiên cứu sâu hơn, ta thấy tại vị trí đặt máy phát điện, tốc độ trung bình còn biến thiên theo kinh độ và độ sâu của vùng nước.

Dòng tầng mặt hình thành do gió

Việt Nam nằm trong khu vực gió mùa, nên gió mùa đã tạo ra dòng hải lưu tầng mặt trong 9 tháng/năm, với tốc độ bình quân 0.757 m/s.

Số liệu tốc độ dòng hải lưu tầng mặt được phổ cập để sử dụng cho tàu thuyền khi chạy tàu

Dãy Trường Sơn che chắn gió Tây Nam

Nhờ dãy Trường Sơn nên gió Tây Nam ảnh hưởng rất ít đến bờ biển miền Trung. Vì vậy dòng hải lưu ở miền Trung mang đậm nét của dòng hải lưu 1 chiều rất thích hợp trong kỹ thuật chuyển đổi thành điện năng.

Phát hiện nguồn tài nguyên tự nhiên trên và đăng ký Bản quyền Tác giả vào 12/2014 (tác giả KS Doãn Mạnh Dũng)

Dòng hải lưu ở miền Trung có 6 ưu điểm thuận lợi cho mục tiêu khai thác thành điện năng thương mại:

1. Gần bờ.
2. Vùng nước nông,
3. Tốc độ cao.
4. Hướng dòng Bắc – Nam ổn định.
5. Độ rộng dòng rất rộng (24 km tại cửa Gianh)
6. Độ dài dòng hải lưu rất dài ( 1000 km từ Hòn La – Quảng Bình đến mũi Kê Gà)

Bốn đặc điểm đầu (1, 2,3,4) do các chuyên gia Mỹ và Đài Loan nhận xét và công bố 3/2015. Tác giả đưa ra hai đặc điểm cuối (5 và 6).

Với các đặc điểm trên của dòng hải lưu, ta hiểu rằng tổ tiên  người Việt  đã để lại cho thế hệ sau một nguồn năng lượng vũ trụ sạch, vô tận và sẽ tồn tại mãi mãi cùng trạng thái nhận nhiệt và  trạng thái quay của trái đất.

Vấn đề đặt ra là người Việt Nam sẽ sử dụng công nghệ nào để chuyển đổi năng lượng trên thành điện năng ?

Thế giới hiện nay sử dụng các loại cánh quạt như sau để tiếp nhận động năng của dòng chảy tự nhiên.

Hình 1: Các loại cách quạt tiếp nhận năng lượng dòng chảy ngang trên thế giới.

Các cánh quạt trên được đặt với dạng trục ngang, trục đứng hay nghiêng để lấy năng lượng của dòng chảy.

Giải pháp cánh quạt hiện nay trên thế giới có 4 hạn chế:

1. Cách quạt chỉ tiếp nhận động năng trong khu vực hoạt động của cánh quạt.
2. Cách quạt có trọng lượng nên làm tổn thất nhiều năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ động năng dòng chảy sang điện năng.
3. Dòng nước hay gió dò bị rớt 47.7 % năng lượng khi chúng băng qua hệ thống cánh quạt truyền thống.

Hình 2: Mô hình sử dụng cánh quạt nhận năng lượng gió hay nước

(Nguồn: Wind energy- NXB Giáo dục -2009)

Năng lượng bị rớt 40.7% khi qua các cánh quạt.

1. Lực bị mất một phần trước khi làm cánh quạt quay: Lực chạm vào cánh quạt, chia làm 2 phần, phần đẩy đẩy cánh quạt và phần tạo mô men làm quay cánh quạt. Phần lực đẩy cánh quạt là phần vô ích.

Giải pháp mới của người Việt Nam

Giải pháp mới của người Việt Nam đó là “Trống quay” mang tên  “Doan blade” để tri ân dòng họ Doãn.

Trống quay là một con quay trong nước. Nó có dạng hình trống, quay quanh trục của nó. Với dạng quay như trên, trống quay triệt tiêu được dòng rối xuất hiện khi một chất rắn di chuyển trong nước. Thành trống quay có gắn lưỡi nhận lực thích hợp. Trống quay được tạo chân không bên trong, nên được lực  Archimedes nâng lơ lững trong nước , nhờ vậy  khử được trọng lượng của trống quay. Vì vậy trống quay là con quay lý tưởng để chuyển đổi động năng dòng chảy thành cơ năng và sau đó ta chuyển đổi cơ năng thành điện năng.

Lý thuyết này được trình bày tại Liên Hiệp Hội KHKT Thành phố Hồ Chí Minh ngày 22/6/2016.

Hình 3: Mô hình máy phát điện bằng dòng hải lưu
với “Trống quay”- thí nghiệm 2.

Kết quả  máy thí nghiệm thứ 2 trình bày tại Liên hiệp Hội KHKT Thành phố Hồ Chí Minh ngày 13/10/2017

Hình 4: Mô hình kết nối nhiều mô-đun cho nhà máy điện hải lưu tại miền Trung Việt Nam

Với mô hình trống quay, tất cả lực tác dụng vào cánh trống đều tạo thành mô-men quay. Tác giả sử dụng tường hướng dòng có góc 3 độ nên khả năng chuyển đổi động năng thành cơ năng đạt đến 99,6 % . Còn với dòng chảy không bị đổi hướng thì chúng ta tiếp nhận 100% động năng của chính nó dưới dạng mô-men dương.

Như vậy tổn thất năng lượng dòng hải lưu rất nhỏ khi tác động vào trống quay để tạo thành mô-men quay. Nói cách khác tổn thất năng lượng của dòng hải lưu trong quá trình chuyển đổi thành cơ năng quay của trống là năng lượng làm quay trống. Năng lượng này phụ thuộc vào chất liệu , bán kinh và độ sâu của trống quay. Ở đây dự đoán tổn thất này khoãng 5-10 % năng lượng của dòng hải lưu. Ta chọn chỉ số 10 % .

Trên thế giới, các máy phát điện bằng gió khi chuyển đổi từ cơ năng thành điện năng thì hiệu suất đạt được 70 %.

Với lôgic trên, máy phát điện bằng dòng hải lưu theo phương pháp “Trống quay” dự kiến đạt hiệu suất: 70 % ( 100%-10%) = 63 %.

Với mô hình trống quay, máy có trục đứng nên mổi mô-đun có thể khai thác hết độ sâu của dòng chảy. Rotor và stator đều nằm trên mặt nước nên máy phát điện không cần kín nước và giá thành thấp.

Để thấy hết tiềm năng của nguồn tài nguyên dòng hải lưu và ứng dụng “Trống quay”, tác giả giới thiệu bài tính đơn giản như sau để kiến thức có thể phổ cập đến mọi người.

Các nhà khoa học từ Mỹ và Đài Loan cho biết dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam có tốc độ cao nhất ở bờ Tây Thái Bình Dương: v = 1.05 m/s đến 1.26m/s. Ở đây ta chọn số liệu thấp v= 1m/s.

Bài toán như sau:

Dòng chảy có chiều ngang B= 1 m, sâu H = 1 m , tốc độ dòng chảy v= 1 m/s thì có nguồn năng lượng : E = 0,5 mvv

Trong đó 1 m3 nước biển = 1034 kg; 1 kg = 9,8 Niu-tơn

Gọi công suất của dòng nước trên là N= 0,5 x 1034 x 9,8 x 1 x 1  = 5066,6W

Một người làm việc có công suất trung bình 100 W, như vậy nguồn năng lượng trên tương đương với 50 người lao động.

Tính công suất theo giờ ta có: N = 3600 x 5066.6 W = 18.239.760 W/h = 18.239KW/h = 18,239 MW/h

Với máy phát điện bằng dòng hải lưu có hiệu suất 63 %, thì với dòng chảy có độ rộng 1 m, sâu 1 m và tốc độ 1m/s thì cung ứng được 11.49 MW/h.

Với độ sâu 15 m và tốc độ trung bình 1m/s nguồn năng lượng có thể cung cấp: 15 x 11,49 MW/h = 172.35 MW/h

Nhà máy thủy điện Hòa Bình có 8 tổ máy, 1 tổ máy có công suất 240 MW. Tổng công suất là: E = 240 MW x 8 = 1920 MW/h.

Độ rộng cho một nhà máy điện hải lưu có công suất tương đương với Nhà máy thủy điện Hòa Bình: 1920/172.35 = 11,14 m

Để có một nhà máy điện hải lưu tương đương với nhà máy thủy điện Hòa Bình chỉ cần sử dụng một vùng nước có tốc độ dòng chảy v= 1m/s, có độ sâu H= 15m và độ rộng B =11,14 m.

Với dòng hải lưu ở miền Trung có độ sâu từ 10 m đến 35 m, độ rộng đến 24 km, chiều dài dòng hải lưu 1.000 km có thể lắp đặt 330 nhà máy phát điện thì đó là nguồn năng lượng mới là vô cùng lớn hoàn toàn giúp thay đổi bộ mặt kinh tế Việt Nam.

Chúng ta có các số liệu trên vì tỷ trọng nước biển lớn hơn 832 lần không khí. Vì vậy việc khai thácđộng năng dòng nước dù có tốc độ nhỏ nhưng vẩn đem lại một hiệu quả vô cùng lớn.

Có người lo lắng dòng hải lưu là dòng chảy tự nhiên, không thể nén, không thể hướng dòng… tác giả cho rằng đó là những quan tâm đúng và tác giả tự tin là đã giải quyết được bằng thí nghiệm, vật lý lý thuyết và toán học cao cấp.

Việt Nam có nguồn năng lượng thủy triều nhưng biên độ thấp chỉ với 5m ở bờ Biển Đông  phía Bắc  và phía Nam. Tuy vậy có thể khai thác điện thủy triều theo mô hình sau :

Hình 5: Mô hình  nhà máy phát điện sử dụng dòng thủy triều.

Để giảm chi phí đầu tư do cho tường hướng,mô hình máy điện như sau có thể được sử dụng như Hình 5-1.

Vì đặc điểm của dòng chảy tự nhiên khi đổi hướng sẽ giảm nhanh động năng của dòng. Nếu đổi hướng với góc độ rất nhỏ thì máy phát điện cần có tường hướng dòng rất dài nên tăng chi phí đầu tư và diện tích vùng nước sử dụng.

Giải pháp không sử dụng tường hướng dòng bằng cách bố trí lại các trống quay. Theo hình kèm theo, 3 cặp trống hàng đầu  sẽ đón dòng chảy đến bằng  cửa 1,2 và 3. Còn 2 cặp trống ở hàng thứ 2 sẽ đón dòng chảy đến qua cửa số 4 và 5.

Với cách bố cục trên, ta có thể không sử dụng tường hướng dòng để giảm chi phí đầu tư.

Nếu quy mô nhỏ chỉ với 1 cặp trống quay thì có thể không cần sử dụng giải pháp đón dòng chảy vào giữa 2 trống mà thay bằng giải pháp đón dòng chảy về phía 2 bên của 2 trống.

Hình 5-1 : Mô hình máy phát điện gồm 10 turbin, không cần tường hướng dòng

Hình 6 : Máy thí nghiệm No1 hoàn thành 5/2016

Hình 7 : Máy thí nghiệm No 2 hoàn thành 7/2017

Hình 8 : Mô hình 1 mô-đun nhận năng lượng

Hình 9 : Mô hình liên kết nhiều mô-đun

Tái bút này dành cho các nhà khoa học chuyên nghiệp về thủy lực đại dương, sinh viên và bạn đọc muốn nghiên cứu sâu hơn.

P/S: Vì sao  dòng hải lưu tầng đáy ở miền Trung Viet Nam  có tốc độ cao?

Thí nghiệm sau đây giúp chúng ta hiểu dòng hoàn lưu tầng đáy

Hình 10: Thí nghiệm sự tồn tại dòng hoàn lưu tầng đáy.

Có hai bình E và P mặt thoáng rộng. Dùng 1 ống nhựa trong, nối nước tầng mặt của 2 bình và 1 ống khác nối nước tầng đáy hai bình. Đổ nước vào 2 bình có ai màu khác nhau để quan sát. Chiếu đèn tỏa  nhiệt vào mặt thoáng bình E. Khi có chênh lệch nhiệt giữa mặt thoáng 2 bình thì xuất hiện dòng nước tầng mặt chảy từ E đến P và dòng tầng đáy từ P đến E. Gọi v∆t là tốc độ dòng chảy do chênh lệch nhiệt, ta thấy v∆t không đổi trên đường từ E đến P và từ P đến E. Khi sự khác biệt nhiệt độ tăng thì tốc độ dòng chảy tăng tương ứng.

E tương đương như vùng biển ở Xích đạo. P tương đương vùng biển ở cực trái đất . Như vậy do chênh lệch nhiệt giữa Xích đạo và Cực trái đất nên xuất hiện dòng chảy tầng đáy di chuyển từ Cực trái đất về  Xích đạo. Vì trái đất hình cầu và quay từ Tây sang Đông nên ở Bắc bán cầu, dòng tầng đáy xuất phát từ Bắc cực, vừa di chuyển từ Bắc xuống Nam vừa di chuyển từ Đông sang Tây. Còn ở Nam bán cầu, dòng tầng đáy xuất phát từ Nam cực thì vừa di chuyển từ Nam lên Bắc vừa di chuyển từ Đông  sang Tây.

Hình 11: Mô tả véc tơ tốc độ ở Bắc bán cầu:

MS = v∆t  là tốc độ dòng hoàn lưu hình thành do chênh lệch nhiệt và không thay đổi khi di chuyển từ Bắc xuống Nam.

vd = MN = ωt sin α cosφ (1) là tốc độ dài của dòng hoàn lưu tại vĩ độ φ.

ω: Tốc độ quay của trái đất.

r :  Bán kính trái đất.

φ : Vĩ độ đặt máy phát điện.

α : Vĩ độ nơi xuất phát dòng hoàn lưu tầng đáy.

v :  Tốc độ tổng hợp  của dòng hoàn lưu tại vĩ tuyến φ.

      Tại vĩ tuyến φ đặt máy phát điện , tốc độ v còn biến thiên do địa hình theo kinh độ x và độ sâu y.

AM: Tuyến bờ cát do dòng hoàn lưu tầng đáy tạo nên.

AC: Tuyến đường bờ cứng khi hình thành lục địa.

 Với mô hình véc tơ trên, ta có tốc độ tổng hợp  NS= v=   (2)

Từ công thức (1) và (2) ta thấy: v cực đại khi ∆t cực đại, α => 900  và φ=> 00

Miền Trung Việt Nam đáp ứng cả 3 yếu tố trên nên bờ biển miền Trung là vùng bờ biển hiếm có trên thế giới có dòng hải lưu tầng đáy mạnh nhất. Trái đất ấm lên, tốc độ dòng chảy sẽ tăng lên.

Tính toán nguồn năng lượng cho dòng hải lưu dọc theo bờ biển miền Trung Việt Nam.

Hình 12: Tọa độ miền chứa vận tốc v được sử dụng ở vĩ độ φ.

x : Kinh độ x tại vĩ độ φ đặt máy phát điện.

y : Độ sâu h nơi đặt máy phát điện.

z  :Vĩ độ φ nơi đặt máy phát điện

b’ b  : đáy biển

ce   : Cao độ của thủy triều

Đoạn |a,b| xác định trên trục x

Đoạn |c,b| xác định trên trục y

M có  tọa độ C  a,b |  | c,d |

là tốc độ dòng hải lưu  xác định tại M

E là động năng của dòng chảy  qua điểm   có tọa độ  C  |a,b|  |c,d|.

E (x,y ) = m

Vì   xác định tại M nên  E( x, y) liên tục trên |a,b|  |c,d|

Toàn bộ động năng của dòng chảy với vận tốc có tọa độ |a,b|  |c,d| được xác định bằng công thức:

=dx

Nếu cách 3 km đặt một nhà máy phát điện thì với   chiều dài dòng hải lưu 1000 km có thể đặt

Ít nhất 330 nhà máy.

Như vậy tổng  công suất của dòng hải lưu có thể đạt:

=330  =dx

Tp Hồ Chí Minh-Vietnam Dec.2014