Bàn về năng lượng sóng trên các vùng biển của nước ta

Trên Diễn đàn đã có nhiều bài về điện sóng biển gắn trên khung đỡ, nhưng chưa có so sánh công suất điện sóng biển của các khung đỡ đó với công suất sóng biển tại nơi đặt khung đỡ. Để làm việc này ta cần bàn một số việc sau:

1. Những vấn đề cần bàn về năng lượng sóng biển:

Trong thời gian trước đây ở nước ta đã có những công trình nghiên cứu về năng lượng biển như đề tài “Đánh giá tiềm năng năng lượng biển Việt Nam” của PGS.TS Đỗ Ngọc Huỳnh đã được tiến hành trong các năm 2002 – 2003hoặc đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tiềm năng các nguồn năng lượng biển chủ yếu và đề xuất các giải pháp khai thác” của PGS.TS Nguyễn Mạnh Hùng đã được tiến hành trong các năm 2008 – 2010. Trong kết quả nghiên cứu của 2 đề tài đó có vấn đề cần bàn về năng lượng sóng trên 2 vùng biển Quảng Ngãi đến Ninh Thuận và Bình Thuận đến Cà Mau như sau:

Trong Mục 2.2. Các công trình nghiên cứu về năng lượng sóng biển trong tài liệu: “Tổng hợp, phân tích và đánh giá việc khai thác sử dụng tài nguyên năng lượng sóng biển trên thế giới và vùng biển Việt Nam” [1] của Viện Nghiên cứu Biển và Hải đảo năm 2018 có nêu về dòng năng lượng sóng của các vùng biển trong đề tài: “Đánh giá tiềm năng năng lượng biển Việt Nam” của PGS.TS Đỗ Ngọc Huỳnh như sau:



Mục IV.2.1. Nghiên cứu, khai thác năng lượng sóng ở Việt Nam trong sách: “Năng lượng sóng biển khu vực Biển Đông và vùng biển Việt Nam” [2] của Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác do Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ in năm 2009 có đoạn sau:



Năm 2018 các cán bộ của Viện Nghiên cứu Biển và Hải đảo đã sử dụng các kết quả nghiên cứu trong 2 đề tài này để tiếp tục tính toán năng lượng sóng biển trong tài liệu [1].

Khi xem các kết quả nghiên cứu này nhiều nhà khoa học và nhiều nhà quản lý có thể rất coi nhẹ năng lượng sóng biển của vùng biển hội tụ những điều kiện thuận lợi cho điện sóng biển là vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau. Không những thế còn làm lệch hướng của những người nghiên cứu về năng lượng sóng biển. Vì vậy ta cần xét xem trong các vùng biển gần bờ của nước ta có đúng là năng lượng sóng biển trên vùng biển Quảng Ngãi đến Ninh Thuận mạnh nhất còn vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau không lớn hay không?

2. Những tài liệu thu thập được về gió và sóng cho thấy kết quả ngược lại:

Trước khi đi vào các tài liệu đó ta thử phân tích câu có cả trong 2 tài liệu [1] và [2] về vùng biển Quảng Ngãi đến Ninh Thuận như sau : “có đà sóng gần như không bị giới hạn trong cả hai mùa gió thịnh hành”. Câu này chỉ đúng đối với gió đông bắc còn đối với gió tây nam thì không hề có đà sóng vì bờ biển trên vùng biển này chủ yếu chạy theo hướng bắc nam và gió tây nam là gió từ trong đất liền thổi ra. Ngược lại câu này lại rất đúng với vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau vì bờ biển trên vùng biển này chủ yếu chạy theo hướng đông bắc - tây nam.

Đối với vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau cả 2 tài liệu trên đều thống nhất là: “ở đây tác động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị yếu đi”. Sóng ở Biển Đông chủ yếu do gió sinh ra nên ta thử xem xét 2 tài liệu về gió và điện gió, sau đó là độ cao sóng biển tổng hợp từ những bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia đã thu thập được như sau:

2.1. Bản đồ tốc độ gió trung bình 10 năm (2006-2015):

Mục Vận tốc gió toàn lãnh hải, kể cả vùng biển Trường Sa và Hoàng Sa trong bài: “Tổng quan thống nhất về giá trị tiềm năng điện gió ngoài khơi của Việt Nam” [3] đăng ngày 21/09/2020 trên trang web Năng lượng Việt Nam của Hiệp hội Năng lượng Việt Nam có Bản đồ tốc độ gió trung bình 10 năm (2006-2015) như sau:



Quan sát kỹ bản đồ này ta thấy tốc độ gió mạnh nhất là ở vùng biển Ninh Thuận và Bình Thuận, càng xa vùng này càng yếu dần nhưng vùng có tốc độ gió 7,5-8 m/s kéo dài đến gần mũi Cà Mau, còn về phía bắc chỉ đến hết bờ biển Khánh Hòa. Bờ biển từ Quảng Ngãi đến Phú Yên tốc độ gió từ 6-7,5 m/s, yếu hơn bờ biển Bà Rịa - Vũng Tàu đến Cà Mau rất nhiều. Sóng chủ yếu do gió sinh ra, đà sóng do gió đông bắc trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau dài hơn vùng biển Quảng Ngãi đến Ninh Thuận, vậy câu: “ở đây tác động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị yếu đi” có còn đúng với vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau không hay ngược lại?

2.2. Các nhà máy điện gió ở nước ta:

Từ các nhà máy điện gió đã được liệt kê trong bài: “Điện gió tại Việt Nam” trong Bách khoa toàn thư mở ta có thể dễ dàng tổng hợp được theo từng vùng như trong biểu sau:



Nhìn vào biểu này ta thấy các nhà máy điện gió ở nước ta tập trung chủ yếu ở vùng Bình Thuận đến Cà Mau, chứng tỏ gió ở vùng này rất mạnh. Vậy câu “ở đây tác động của trường sóng trong gió mùa đông bắc đã bị yếu đi” liệu còn đúng hay không?

2.3. Độ cao sóng biển trên các vùng biển ở nước ta:

Hàng ngày đều có các bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia để phục vụ cho các tàu đánh cá và các tàu biển khác nơi biển xa. Cho đến ngày 31/05/2021 tôi đã thu thập được 2.024 bản tin dự báo sóng biển và đã tổng hợp lại độ cao sóng trên từng vùng biển như trong biểu sau:



Nhìn trong biểu này ta thấy trong các vùng biển gần bờ của nước ta vùng có sóng biển cao nhất là vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau, còn vùng biển Bình Định đến Ninh Thuận chỉ xếp thứ 2, Quảng Ngãi nằm trong vùng biển Quảng Trị đến Quảng Ngãi có độ cao sóng biển còn thấp hơn.

Mục II.6.1. Cơ sở lý thuyết về năng lượng sóng, mật độ năng lượng sóng trong tài liệu [2] đã cho biết năng lượng cho mỗi bước sóng (độ dài sóng) trên một đơn vị bề rộng của đỉnh sóng như sau:



Nhìn công thức này ta thấy năng lượng cho mỗi bước sóng trên một đơn vị bề rộng của đỉnh sóng tỷ lệ thuận với độ dài bước sóng và bình phương của độ cao sóng nên năng lượng mỗi bước sóng trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau lớn hơn trên vùng biển Bình Định đến Ninh Thuận nhiều.

3. Tính lại năng lượng sóng trên các vùng biển của nước ta:

Tỷ trọng nước biển từ 1,02 đến 1,03, nước ta ở vùng nhiệt đới nên tạm tính là 1,03, gia tốc trọng trường là 9,8, tích của 2 số này là 10,094 từ đó ta có thể tính được năng lượng cho mỗi bước sóng trên 1 m bề rộng của đỉnh sóng theo công thức:

E = 1,262H2L

Chia cho chu kỳ sóng ta có ngay dòng năng lượng sóng tức công suất sóng trên 1 m bề rộng của đỉnh sóng.

Trong các bản tin dự báo sóng biển chỉ có độ cao sóng biển và hướng gió, không có bước sóng và chu kỳ sóng. Muốn có bước sóng và chu kỳ sóng ta có thể nội suy từ Bảng 2 – Đặc trưng sóng có phổ P-M ứng với cấp gió Beaufort trong bài: “Thang sức gió Beaufort và các thang sóng biển” [4] do PGS.TS. Phan Văn Khôi (Cục Đăng kiểm Việt Nam) viết trên trang web vinamarine.gov.vn của Hàng hải Việt Nam mà tôi đã thu thập được từ cuối năm 2011.

Nhìn vào công thức (II.50) ta thấy năng lượng cho mỗi bước sóng trên một đơn vị bề rộng của đỉnh sóng tỷ lệ thuận với độ dài bước sóng và bình phương của độ cao sóng nên không thể tính theo số bình quân của độ cao sóng từng tháng mà phải tính theo độ cao sóng của từng bản tin dự báo sóng biển. Trong mỗi bản tin dự báo sóng biển có 2 số về độ cao sóng thấp và cao, lấy theo số bình quân cũng chưa được, lấy theo 2 số thấp và cao thì rất ít khi sóng đạt 2 mức đó, vì thế tôi tính theo 2 số ở giữa là trung bình thấp và trung bình cao.

Rất tiếc là trong 86 bản tin dự báo sóng biển thu thập được đầu tiên tôi chỉ sử dụng những dữ liệu của 6 vùng biển gần bờ, còn các vùng biển khác chỉ lưu độ cao sóng biển trung bình từng tháng nên khi tính toán 86 bản tin này chỉ có thể tính được cho phần đã giữ lại đầy đủ dữ liệu.

Bằng 1 file EXCEL có 15 sheet chứa đầy các bản tin dự báo sóng biển đã thu thập được với đầy đủ các số liệu về các độ cao sóng biển theo 3 mức trung bình, trung bình cao, trung bình thấp ta có thể tính được công suất 1 m bề rộng của đỉnh sóng trên từng vùng biển ở nước ta. Các biểu tổng hợp nằm trong 2 sheet đầu và đều được tự động tính toán. Kết quả tính toán công suất sóng của 1 m bề rộng đỉnh sóng trên từng vùng biển như sau:



Đây là công suất sóng của 1 m bề rộng đỉnh sóng ở nơi biển xa, muốn tính công suất sóng tại nơi gần bờ thí dụ như tại nơi biển sâu 5 m ta phải trừ đi phần hao hụt do sóng ma sát với đáy biển nông. Cụ thể là đáy biển càng thoai thoải thì quãng đường sóng ma sát với đáy biển nông càng dài, nhìn vào: “Bản đồ độ sâu đáy biển vùng biển Việt Nam và kế cận” [5] của Phân viện Hải dương học tại Hà Nội ta có thể ước lượng được khoảng cách trung bình từ nơi biển sâu 5 m đến đường đẳng sâu 20 m trên từng vùng biển. Đường đẳng sâu 20 m càng xa bờ biển thì sóng càng bị ma sát với đáy biển nông trên quãng đường dài hơn. Kết quả tính toán công suất sóng của 1 m bề rộng đỉnh sóng như trong biểu sau:



Cột 2 trong biểu này ghi ước tính khoảng cách bình quân từ nơi biển sâu 5 m đến đường đẳng sâu 20 m. Phương pháp tính toán 2 biểu này xin xem bài: “Tính công suất sóng dựa vào số liệu trong các bản tin dự báo sóng biển đã thu thập được” [6] đã đăng trên Tạp chí Vật lý ngày nay số 2 năm 2021 (tháng 5 năm 2021) của Hội Vật lý Việt Nam.

Với cách làm này, hàng tháng khi thu thập được thêm các bản tin dự báo sóng biển mới ta có thể dễ dàng bổ sung thêm vào file tự động tính toán những dữ liệu mới nhất là có ngay công suất sóng trên từng vùng biển theo từng tháng cho số liệu có độ tin cậy cao hơn.

Vùng biển Cà Mau đến Kiên Giang sóng yếu hơn hẳn các vùng biển gần bờ khác nên tôi không tiếp tục tính thêm cho vùng biển này.

Tính được như vậy vẫn chưa đủ vì trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau sóng ở ngoài biển xa thổi theo hướng gió nên thường song song với hướng của đường bờ biển, khi gặp đáy biển nông sóng mới dần dần đổi hướng và lao vào bờ. Trong quá trình chuyển hướng sóng sẽ phải đi quãng đường dài hơn nên sẽ mất thêm một số năng lượng do ma sát với đáy biển nông. Khi tính điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam tôi đã phải giảm bớt độ cao của sóng, sóng càng chéo góc với bờ biển nhiều càng phải giảm nhiều, khi gió song song với đường bờ biển đã giảm hẳn 20% chiều cao của sóng, khi có gió từ đất liền thổi ra thì hướng của sóng và gió ngược chiều nhau sóng yếu hẳn đi rất nhanh nên tôi đã tính giảm hẳn nửa chiều cao của sóng, khi có gió từ đất liền vùng bên thổi sang hoặc có yếu tố từ đất liền thổi ra tôi giảm 25% chiều cao của sóng. Tạm lấy số đã tổng hợp lại được đó ta có hệ số giảm công suất sóng theo từng tháng trên từng vùng biển gần bờ như sau:



Từ đó ta có thể tính được công suất sóng của 1 m bề rộng đỉnh sóng khi sóng vào đến nơi biển sâu 5 m trên từng vùng biển gần bờ theo từng tháng như sau:



2 biểu cuối cùng này nằm trong Chương trình tự động tính toán của tôi nên khi công suất sóng trên từng vùng biển thay đổi thì công suất sóng nơi biển sâu 5 m cũng tự động thay đổi theo.

Nhờ đó ta có thể so sánh với kết quả tính toán điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam trên từng vùng biển gần bờ của nước ta để xem đã sử dụng được bao nhiêu phần trăm năng lượng sóng. Từ đó ta có thể điều chỉnh lại khoảng cách giữa các khung đỡ, chiều cao của phao hình trụ tròn đường kính 6 m trên từng vùng biển cho phù hợp hơn và vươn ra ngoài biển xa để đón sóng lớn.


Tài liệu tham khảo

[1] Tổng hợp, phân tích và đánh giá việc khai thác sử dụng tài nguyên năng lượng sóng biển trên thế giới và vùng biển Việt Nam, Viện Nghiên cứu Biển và Hải đảo phát hành năm 2018.

[2] Năng lượng sóng biển khu vực Biển Đông và vùng biển Việt Nam, Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển và những người khác, Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ in năm 2009

[3] Tổng quan thống nhất về giá trị tiềm năng điện gió ngoài khơi của Việt Nam, đăng ngày 21/09/2020 trên trang web Năng lượng Việt Nam của Hiệp hội Năng lượng Việt Nam.

[4] Thang sức gió Beaufort và các thang sóng biển, PGS.TS. Phan Văn Khôi (Cục Đăng kiểm Việt Nam) trên trang web vinamarine.gov.vn.

[5] Bản đồ độ sâu đáy biển vùng biển Việt Nam và kế cận, Phân viện Hải dương học tại Hà Nội.

[6] Tính công suất sóng dựa vào số liệu trong các bản tin dự báo sóng biển đã thu thập được, Lê Vĩnh Cẩn, Tạp chí Vật lý ngày nay số 2 năm 2021 (tháng 5 năm 2021).