Phương pháp tính sản lượng điện sóng biển gắn vào khung đỡ

Từ năm 2011 đến nay tôi đã liên tục nghiên cứu về điện sóng biển bằng cách sử dụng lực nâng lên hạ xuống của phao. Thời gian đầu là điện sóng biển dùng khí nén, sau chuyển sang thủy điện chạy bằng năng lượng sóng biển, khi biết được cách tính điện gió tôi học cách tính của điện gió để tính cho điện sóng biển. Trong các bài viết về điện sóng biển thì phương pháp tính cũng thay đổi dần, nhưng trong các bài viết đó chỉ có thể viết về những gì đã thay đổi so với bài viết trước. Ngay cả trong bài: “3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” cũng cần phải sửa lại, đó là do 3 loại điện trên ở Bình Thuận và Bà Rịa – Vũng Tàu có nhiều điểm khác nhau, không những thế việc giảm độ cao sóng biển khi đi qua 3 hàng phao cũng cần phải xem xét lại. Vì vậy trong bài này sẽ hệ thống lại toàn bộ phương pháp tính và chỉ viết về những cái hiện còn sử dụng mà thôi, đồng thời sản lượng điện cũng sẽ tính lại.

1. Phương pháp tính:

1.1. Thu thập thông tin và xử lý số liệu để tính sản lượng của điện sóng biển:

Về nguồn số liệu để tính toán, tôi sử dụng số liệu về độ cao sóng biển trong 777 bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương đã thu thập được, trong đó có 86 bản tin năm 2011 và 691 bản tin thu thập được từ chiều ngày 04/03/2012 đến sáng ngày 04/03/2013. Nhưng do chúng đều là những ký tự nên chỉ cần khác nhau một dấu trắng (dấu cách) là máy tính cũng không thể nhận ra. Vì vậy sau khi thu thập được dữ liệu hàng tháng, cần so sánh số bản tin máy tính đã nhận ra với số bản tin đã thu thập được. Nếu còn thiếu cần kiểm tra phát hiện những chỗ còn thiếu và sửa lại để máy tính có thể nhận ra. Trong mỗi bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương có độ cao của sóng với 2 mức cao thấp khác nhau và hướng gió. Vì vậy ta phải lấy độ cao của sóng theo mức trung bình để tính toán.

1.2. Tính chu kỳ và bước sóng theo độ cao sóng biển:

Trong các bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương chỉ có độ cao sóng biển, không có chu kỳ và bước sóng. Vì vậy để tính chúng, tôi phải nội suy từ các số liệu trong 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” do PGS.TS. Phan Văn Khôi (Cục Đăng kiểm Việt Nam) viết trên trang web vinamarine.gov.vn của Hàng hải Việt Nam như sau:



Đối với những chỗ có 2 số ở trong biểu, ta phải dùng số bình quân để tính nội suy cho các sóng có độ cao khác.

Phần này đã bắt đầu được sử dụng trong bài: “ Tính thử khả năng phát điện của năng lượng sóng biển” trên Diễn đàn webdien.com ngày 01/01/2012.

1.3. Các mức giảm độ cao của sóng biển trong vùng khung đỡ:

1.3.1. Khi sóng chéo góc với khung đỡ:

Sóng bị tiêu hao năng lượng khi đi vào vùng có độ sâu đáy biển nhỏ hơn nửa bước sóng, nên khi đến gần bờ sóng càng lớn thì tỷ lệ bị tiêu hao năng lượng càng nhiều hơn do quãng đường sóng bị ma sát với đáy biển nhiều hơn. Trong các bài trước đã tính giảm 10% độ cao sóng trong vùng khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển dẫn đến kết quả là tỷ lệ sản lượng điện của sóng nhỏ bị giảm nhiều hơn sóng lớn nên trong bài này khi sóng đi qua 3 hàng phao trong khung đỡ không tính giảm độ cao sóng mà sẽ tính giảm sản lượng điện như sẽ trình bày ở mục 1.9. Tuy nhiên khi sóng chéo với khung đỡ để đi qua 3 hàng phao thì độ cao của sóng vẫn phải tạm tính giảm so với sóng thẳng góc với khung đỡ như sau: Khi sóng song song với khung đỡ giảm 10%, khi sóng chéo khung đỡ góc 45 độ giảm 5%, khi sóng chéo khung đỡ góc 22,5 độ giảm 7,5%, khi sóng chéo khung đỡ góc 67,5 độ giảm 2,5%,...

1.3.2. Khi gió từ đất liền thổi ra:

Khi gió thổi từ đất liền ra vẫn có sóng do sóng truyền từ ngoài biển xa vào nhưng gió thổi từ đất liền ra có thể ngược chiều với sóng, sóng sẽ yếu đi vì vậy xin tạm giảm độ cao của sóng 50% so với sóng ngoài biển xa.

1.3.3. Khi gió từ đất liền vùng bên cạnh thổi sang hoặc gió vướng đảo lớn:

Xin tạm lấy mức giảm độ cao của sóng biển bằng trung bình mức giảm khi gió thổi song song với hướng của đường bờ biển và gió từ đất liền thổi ra.

1.4. Tính lại độ cao sóng biển nơi biển sâu 5 m:

Độ cao sóng biển thu thập được trong các bản tin dự báo sóng biển của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương chủ yếu phục vụ cho tàu thuyền đi lại nơi biển xa. Nhưng khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển lại ở nơi biển sâu khoảng 5 m nên cần phải tính lại độ cao sóng biển.

Xin phép chụp ảnh toàn bộ nội dung trang 61 trong mục 5.5. Sóng ven bờ của sách “Cơ sở đại dương học” do tác giả Phạm Văn Huấn biên soạn như sau:



Nhìn vào trang này ta thấy chu kỳ sóng khi vào vùng nước nông gần như không biến đổi nhưng bước sóng phải giảm so với ngoài biển xa. Từ công thức (71) ta có thể tính được ngay khi sóng vào đến nơi biển sâu 5 m thì bước sóng chỉ còn bằng ½ so với khi ở nơi biển sâu 20 m. Từ công thức (72) ta có thể tính được khi sóng biển từ nơi biển sâu 20 m vào đến nơi biển sâu 5 m thì độ cao sóng biển sẽ cao gấp 1,414 lần.

Nhưng đầu trang 51 trong mục 5.2.1. Lý thuyết sóng biển sâu trong sách “Cơ sở đại dương học” cũng cho biết: Ở độ sâu bằng nửa bước sóng, độ cao sóng chỉ còn bằng 0,04 giá trị của nó ở trên mặt. Trong thực tế, người ta coi độ sâu xâm nhập của sóng là nửa bước sóng. Vì thế ta có thể coi độ cao sóng biển trong các bản tin đã thu thập được là ở những nơi có độ sâu đáy biển bằng từ nửa bước sóng trở lên và sẽ áp dụng các công thức (71) và (72) để tính lại bước sóng và độ cao sóng biển khi sóng từ nơi có độ sâu đáy biển bằng nửa bước sóng vào nơi biển sâu 5 m.

1.5. Tính khoảng nâng lên, hạ xuống của phao so với độ cao sóng biển:

Đáy phao phẳng nhưng mặt sóng không phẳng nên khoảng nâng lên hạ xuống của phao phụ thuộc vào hình dạng của phao và chiều dài của bước sóng. Vì vậy ta cần tính xem sự phụ thuộc đó ra sao?

1.5.1. Phao hình hộp chữ nhật:

Trước hết ta xét trường hợp phao hình hộp chữ nhật nửa nổi nửa chìm và được đặt thẳng góc với hướng của sóng biển. Trong phao chiều dài và chiều cao đã được cố định, nên lực nâng lên, hạ xuống tỷ lệ thuận với chiều rộng của phao.

Khi không có sóng, phao nửa nổi nửa chìm. Khi có sóng, phao được nâng lên, hạ xuống theo sóng nhưng thể tích bị ngập nước của phao luôn bằng nửa thể tích của phao. Trong trường hợp sóng biển thẳng góc với phao, diện tích mặt cắt ngang của phao bị ngập nước cũng sẽ luôn luôn không đổi và luôn bằng nửa diện tích mặt cắt ngang của phao.

Gọi chiều dài của sóng biển là l và chiều rộng của phao là w. Tỷ số giữa chiều rộng của phao và chiều dài của sóng biển sẽ là: p = w/l.
Xét chuyển động của sóng theo hình sin có chu kỳ là 2x3,1416. Trong chu kỳ này chiều rộng của phao sẽ chiếm phần là: 2u = 2px3,1416. Nửa chiều rộng của phao sẽ chiếm phần là: u = px3,1416.

Trong chu kỳ đó, đỉnh sóng sẽ nằm ở vị trí 3,1416/2. Khi đó phao sẽ nằm ở vị trí từ 3,1416/2-u đến 3,1416/2+u.

Diện tích phần hình sin nằm phía trên trục hoành từ vị trí 3,1416/2-u đến 3,1416/2+u bằng tích phân của sinx từ 3,1416/2-u đến 3,1416/2+u.

Gọi diện tích đó là S, sau khi tính tích phân ta có: S = -cos(3,1416/2+u) + cos(3,1416/2-u) = sinu+sinu = 2sinu.

Chiều cao của hình chữ nhật có diện tích bằng S là: h = S/2u = 2sinu/2u = sinu/u.

Chiều cao h đó chính là chiều cao nâng lên tối đa của phao.

Khi phao ở đáy sóng, việc tính chiều cao hạ xuống tối đa của phao cũng tương tự.

Kết quả tính toán cụ thể như sau:



Các tính toán ở trên được tính cho phao hình hộp chữ nhật và hướng của sóng thẳng góc với phao. Khi hướng của sóng không thẳng góc với phao, phần chiều dài của sóng nằm dưới phao sẽ dài hơn và khoảng nâng lên, hạ xuống của phao cũng giảm đi.

1.5.2. Phao hình trụ tròn:

Muốn cho phao không phụ thuộc vào hướng của sóng biển thì phao phải là hình trụ tròn. Vì thế tôi chia nửa hình tròn ra thành 100 phần nhỏ và tạm coi mỗi phần đó là một hình chữ nhật có chiều rộng bằng 1/100 bán kính hình tròn, chiều dài bằng chiều dài của đoạn thẳng được cắt bởi hình tròn đó. Khi đó ta sẽ có 100 hình hộp chữ nhật nhỏ và có thể dùng các công thức đã trình bày ở mục trên để tính cho từng hình hộp chữ nhật này.

Để có chiều dài của hình hộp chữ nhật nhỏ đó, trước hết ta phải dùng hàm cos để tính góc, gọi góc đó là α chẳng hạn, rồi mới dùng hàm sinα để tính chiều dài. Gọi ts là tỷ số giữa đường kính phao và chiều dài của sóng ta có chiều dài của hình hộp chữ nhật nhỏ đó chiếm phần trong chu kỳ 2x3,1416là: 2u = 2x3,1416tssinα hay u = 3,1416tssinα. Từ đó tính được diện tích mặt cắt của sóng lên hình hộp chữ nhật nhỏ đó là: S = 2sinα. Suy ra chiều cao của hình chữ nhật có diện tích S, đáy 2u là: h = S/2u. Ta phải tính 100 hình hộp chữ nhật nhỏ như thế rồi tính chiều cao bình quân. Vì thế ta phải lập biểu tính toán và lấy kết quả gần đúng cho cả nửa hình tròn đối với từng tỷ số ts cụ thể. Thí dụ như khi tỷ số ts = 0,25 được tính như trong biểu sau:



Biểu này chỉ là biểu tính toán trung gian để lấy kết quả ở cuối dòng cuối cùng đưa vào biểu sau. Do nó quá dài, không thể chụp ảnh hết được nên tôi đã phải ẩn rất nhiều dòng số liệu đi.

Lần lượt thay đổi các tỷ số ts và ghi các kết quả vào biểu tính sẵn về tỷ số khoảng nâng lên, hạ xuống của phao hình trụ tròn so với độ cao sóng biển để sử dụng khi tính cho phao hình trụ tròn trong điện sóng biển như trong biểu sau:



Trong đó: ts là tỷ lệ của đường kính phao so với bước sóng và h là tỷ lệ của khoảng nâng lên, hạ xuống của phao so với độ cao sóng biển.

Phần này đã được giới thiệu trong bài: “Chiều rộng của phao trong điện sóng biển nên là bao nhiêu?” trên Diễn đàn webdien.com ngày 14/11/2011, nhưng trong bài này tôi đã sửa lại cho gọn hơn.

1.6. Tính công của phao trong 1 chu kỳ sóng:

Khi biết độ cao của sóng, ta có thể nội suy được chiều dài của bước sóng và chu kỳ. Từ đó tính tỷ số giữa đường kính của phao và chiều dài của bước sóng, rồi tra biểu: “Khoảng nâng lên, hạ xuống của phao hình trụ tròn so với độ cao sóng biển” trong mục 1.5.2 sẽ được tỷ số giữa khoảng nâng lên, hạ xuống của phao và độ cao của sóng. Sau đó, ta chỉ việc nhân độ cao của sóng với tỷ số này sẽ được khoảng nâng lên, hạ xuống của phao.

Ta xét trường hợp chiều cao của phao hình trụ tròn lớn hơn 2 lần khoảng nâng lên, hạ xuống của phao. Phao luôn chịu 2 lực tác động: Lực hút của trái đất và lực đẩy lên của nước do một phần của phao đã bị ngập chìm trong nước. Khi phao ở đỉnh sóng, phao sẽ cao hơn khi ở đáy sóng một khoảng cách là h.

So với phao ở vị trí đỉnh sóng, khi sóng đã chuyển sang vị trí đáy sóng thì nó sẽ bị tụt xuống 1 đoạn là h. Khi đó hiệu của 2 lực tác động trên vào phao sẽ là lực hút của trát đất với cột nước hình trụ tròn có tiết diện bằng tiết diện của phao và có chiều cao là h. Cột nước đó có thể tích là: V = Sh (m3), trong đó S là tiết diện của phao.

Nước biển có tỷ trọng lớn hơn 1 một chút, nhưng để cho đơn giản, ta cứ tạm coi tỷ trọng đó bằng 1. Vì thế khi cột nước có thể tích là V m3 thì nó cũng có khối lượng là m tấn, trong đó giá trị của m bằng giá trị của V= Sh. Lực hút của trái đất đối với cột nước đó sẽ là: F = mg = Shg = Sgh (1.000 N), trong đó g là gia tốc trọng trường và bằng 9,8 (m/s2).

So với vị trí đỉnh sóng, khi sóng đã chuyển sang vị trí thấp hơn một đoạn thì phao sẽ bị tụt xuống 1 đoạn là x. Khi đó hiệu của 2 lực tác động trên vào phao sẽ là lực hút của trái đất với cột nước hình trụ tròn có tiết diện tròn bằng tiết diện của phao và có chiều cao là x. Cột nước khi đó có thể tích là: v = Sx (m3). Trong đó x được tính bằng mét và có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến h. Tỷ trọng nước biển lớn hơn 1 một ít, để đơn giản ta tính tỷ trọng đó là 1 nên khối lượng cột nước là Sx (tấn).

Lực hút của trái đất đối với cột nước khi đó sẽ là: f = Sgx (1.000 N)

Công của lực hút trái đất đối với cột nước trong quá trình có chiều cao biến động từ 0 đến h đó bằng tích phân từ 0 đến h của hàm số f = Sgx. Tính ra nó sẽ là Sghh/2 = mgh/2 (KJ). Công đó chính là công của lực hút trái đất khi phao từ đỉnh sóng hạ xuống đáy sóng.

Nếu giữ phao ở vị trí đáy sóng, khi sóng chuyển động, lực đẩy lên của nước sẽ lớn hơn lực hút của trái đất đối với phao và ta cũng có công của lực đẩy lên của nước khi phao từ đáy sóng lên đỉnh sóng là mgh/2 (KJ).

Như vậy công của lực hút trái đất và lực đẩy lên của nước đối với phao hình trụ tròn trong 1 chu kỳ sóng sẽ là: A = mgh/2 + mgh/2 = mgh (KJ)

Ta xét trường hợp chiều cao của phao nhỏ hơn 2 lần khoảng nâng lên, hạ xuống của phao. Để lực nâng lên tối đa và lực hạ xuống tối đa của phao bằng nhau, ta phải cho thêm vật nặng vào phao cho đến khi nước biển ở ngoài ngập nửa phao. Khi đó, nếu phao ngập hoàn toàn trong nước biển thì lực đẩy lên của nước biển bằng lực hút của trái đất đối với phao khi phao nằm hoàn toàn phía trên mặt nước biển. Gọi a là nửa chiều cao của phao, ta có a < h.

Giữ phao ở vị trí đỉnh sóng và khi sóng đã chuyển sang vị trí thấp hơn một đoạn, nếu phao không bị giữ lại thì nó sẽ bị tụt xuống 1 đoạn là x. Khi đó hiệu của 2 lực tác động trên vào phao sẽ là lực hút của trát đất với cột nước hình trụ tròn có tiết diện tròn bằng tiết diện của phao và có chiều cao là x. Cột nước khi đó có thể tích là: v = Sx (m3). Trong đó x được tính bằng mét và có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến a.

Lực hút của trái đất đối với cột nước khi đó sẽ là: f = Sgx (1.000 N)

Nhưng sau khi đã xuống đến vị trí a rồi thì lực hút của trái đất không thể tăng thêm được nữa mà chỉ là: y = Sga. Lực hút như vậy kéo dài cho đến khi phao ở vị trí đáy sóng.

Tính tích phân từ 0 đến a của hàm f sẽ được: Sgaa/2.

Tính tích phân từ a đến h của hàm y sẽ được: Sga(h-a).

Công lực hút của trái đất trong nửa chu kỳ này sẽ là: Sgaa/2 + Sga(h-a) = Sga(h-a/2) = Sg(ah–aa/2).

Như vậy so với trường hợp chiều cao của phao lớn hơn 2 lần khoảng nâng lên, hạ xuống của phao, công của lực hút của trái đất trong nửa chu kỳ này sẽ giảm là: Sghh/2 - Sg(ah–aa/2) = Sg(hh/2–ah + aa/2) = Sg/2x(hh–2ha+a2) = Sg(h–a)(h–a)/2.

Như vậy mức giảm sẽ là: (Sg(h–a)(h–a)/2)/(Sghh/2) = (h–a)(h–a)/(hh).

Nếu giữ phao ở vị trí đáy sóng, khi sóng chuyển động, lực đẩy lên của nước sẽ lớn hơn lực hút của trái đất đối với phao và tính toán, ta cũng có kết quả về mức giảm như vậy.

Để dễ hình dung vấn đề này, ta có thể vẽ 2 đồ thị về công trong 2 trường hợp này như sau:

Đồ thị về công của lực hút trái đất đối với phao khi phao từ đỉnh sóng hạ xuống đáy sóng trong trường hợp chiều cao của phao lớn hơn 2 lần khoảng nâng lên, hạ xuống của phao:



Đồ thị về công của lực hút trái đất đối với phao khi phao từ đỉnh sóng hạ xuống đáy sóng trong trường hợp chiều cao của phao nhỏ hơn 2 lần khoảng nâng lên, hạ xuống của phao:



Phần này đã được giới thiệu trong bài: “Tính khả năng phát điện của năng lượng sóng biển theo phương pháp mới” trên Diễn đàn webdien.com ngày 05/03/2013.

1.7. Học theo cách tính sản lượng điện của điện gió:

Tôi đã học cách tính điện gió để dùng cho điện sóng biển do chúng đều phải làm quay máy phát điện. Nhưng trong điện sóng biển phải trừ bớt phần hao phí năng lượng do việc chuyển từ chuyển động nâng lên hạ xuống của phao thành chuyển động quay tròn theo một chiều nhất định để chạy máy phát điện nên tôi đã giảm bớt 20% năng lượng rồi mới tính như cách tính của điện gió.

Trong bài: “Triển vọng phát triển nguồn điện gió tại Việt Nam” của Trần Trí Năng, Lê Khắc Hoàng Lan, Nguyễn Tân Huyền, Trương Trà Hương,Phạm Thanh Tuân, Nguyễn Xuân Cường, Phạm Thị Hồng, Bùi Mỹ Duyên (+ Đại Học Minnesota, Mỹ Quốc.*Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng- Viện Khoa Học & Công Nghệ , Việt Nam) trên trang Web erct.com có phương pháp tính công suất điện gió như sau:

Giả thử không khí chuyển động với vận tốc v, thời gian t để đi được quãng đường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển động m sẽ được như sau:

m = ρ.A.D = ρ.A.v.t

Động năng của khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v:

E = ½.m.v.v = ½. ρ.A.v.v.v.t

Vì công suất được tính bằng năng lượng E cho một đơn vị thời gian, do đó công suất của tuốc bin gió P sẽ là :

P = E/t = ½. ρ.A.v.v.v (Watts)

Với hệ số hoàn thiện hay Betz limit C, công thức tính công suất trên có thể viết lại như sau:

P = ½.C.ρ.A.v.v.v

Trong đó: ρ - tỉ trọng không khí, kg/m3(khoảng 1,225 kg/m3ở mực nước biển, khi cao độ càng tăng tỉ trọng không khí càng giảm); A – bề mặt quét của cánh quạt hướng thẳng vào chiều gió, m2; v – tốc độ gió, m/sec và công suất P, Watts (= Joules/sec). Theo lý thuyết , C bằng 16/27 = 0,59, nhưng trên thực tế C nằm vào khoảng 0,35.

Trong bài này cũng nói nhiều đến điện gió ở các nước trên thế giới và Việt Nam. Tôi chưa biết Điện gió Bạc Liêu được tính theo phương pháp nào, nhưng cứ tính thử công suất của điện gió theo phương pháp đã có trong bài này với tốc độ gió khoảng 8 m/s cho Điện gió Bạc Liêu và điện gió nhỏ cánh dài 5 m với tốc độ gió khoảng 8 m/s, 9 m/s và 10 m/s gắn trên khung đỡ điện sóng biển song song với hướng của đường bờ biển như trong biểu sau:



Khi tính với hệ số hoàn thiện là 0,35 thì sản lượng điện hàng năm của Điện gió Bạc Liêu vẫn cao hơn 320 triệu KWh, muốn có số điện đúng như vậy phải giảm bớt 3,135%. Cũng tính theo phương pháp này thì sản lượng điện gió biển của 1.136 điện gió nhỏ khi tốc độ gió 8 m/s là 83,1 triệu KWh, khi tốc độ gió 9 m/s là 118,32 triệu KWh, khi tốc độ gió 10 m/s là 162,3 triệu KWh. Nhưng do đường truyền điện dài, các máy phát điện nhỏ không tốt bằng máy của Điện gió Bạc Liêu và dự phòng nên tôi dự kiến giảm bớt 20% còn 66,48 triệu KWh, 94,65 triệu KWh và 129,84 triệu KWh.

Như vậy khi học theo cách tính của điện gió, đối với điện sóng biển tôi đã giảm bớt 20% năng lượng do việc chuyển từ chuyển động nâng lên hạ xuống của phao thành chuyển động quay tròn theo một chiều nhất định để chạy máy phát điện, sau đó với cùng phương pháp tính điện gió lại giảm thêm 20% sản lượng điện so với cách tính Điện gió Bạc Liêu.

Công suất lắp máy của điện sóng biển được tính bằng 2 lần công suất điện bình quân của tháng lớn nhất rồi quy tròn lên.

1.8. Giảm sản lượng điện khi phao ở nơi biển sâu 5 m:

Khi sóng vào nơi biển nông sẽ yếu bớt đi do bị ma sát với đáy biển, việc yếu bớt đi này tùy thuộc vào quãng đường sóng ma sát với đáy biển. Đường đẳng sâu 20 m trên vùng biển Bình Thuận đến Vũng Tàu đã khá xa bờ, nhưng trên vùng biển Thành phố Hồ Chí Minh đến Cà Mau lại càng xa bờ hơn. Nên đối với khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển xin tạm giảm 16% sản lượng điện đối với vùng biển Bình Thuận đến Vũng Tàu, nhưng cần giảm 20% sản lượng điện đối với vùng biển Thành phố Hồ Chí Minh đến Cà Mau. Khi có thêm 30 khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển thì sóng còn yếu đi do bị các khung đỡ này cản trở nên mức tạm giảm sản lượng điện trên 2 vùng biển này là 20% và 25%.

Khi vào gần bờ do ma sát với đáy biển, tính theo lý thuyết thì độ cao của sóng tăng lên nhưng sóng bị tiêu hao dần năng lượng nên đối với khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển cũng cần giảm dần sản lượng điện cho các phao vào gần bờ và dự kiến giảm sản lượng điện cho những phao gần bờ nhất khoảng 8% đối với vùng biển Bình Thuận đến Vũng Tàu và khoảng 10% đối với vùng biển Thành phố Hồ Chí Minh đến Cà Mau.

Tuy đã giảm sản lượng điện như thế nhưng kết quả tính toán lại cho thấy sản lượng điện bình quân của bộ tạo nguồn điện trên khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển cao hơn bộ tạo nguồn điện ở gần bờ nhất của khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển mặc dù chúng đều có phao hình trụ tròn đường kính 6 m cao 2,6 m và ở nơi biển sâu khoảng 5 m. Đó là do khi sóng đi vào vùng biển nông sẽ bị lệch hướng và hướng chuyển dần vào bờ biển nên ở nơi biển sâu khoảng 5 m sóng gần như thẳng góc với khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển và gần như song song với khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển. Không những thế mật độ phao trên khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển cũng thưa hơn khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển.

1.9. Giảm sản lượng điện do sóng đi qua 3 hàng phao:

Khi sóng đi qua 3 hàng phao cần giảm 10% sản lượng điện cho khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển và giảm 12% cho khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển do có mật độ phao nhiều hơn.

1.10. Tăng sản lượng điện khi phía sau khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển có đê:

Khi phía sau khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển có đê, sóng tới và sóng phản xạ gặp nhau, sóng lại càng dữ dội hơn và sản lượng điện sẽ tăng thêm. Vì vậy trong trường hợp này xin tạm tính sản lượng điện tăng thêm 20%.

1.11. Tính sản lượng của điện sóng biển trên bảng tính Excel:

- Tính sẵn chu kỳ, bước sóng của sóng và khoảng nâng hạ của phao hình trụ tròn đường kính 6 m khi sóng cao 6 m, 5,9 m, 5,8 m,..., 0,1 m. Đối với khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển phải tính thêm độ cao của sóng và bước sóng khi sóng vào đến nơi biển sâu 5 m rồi mới tính khoảng nâng hạ của phao.

- Do tại từng vùng biển đã dự kiến khung đỡ đặt theo hướng nào nên ta có thể biết được hướng gió trong bản tin đó thẳng góc hay lệch góc bao nhiêu so với khung đỡ. Nhân độ cao trung bình của sóng với hệ số giảm bớt do hướng gió chéo với khung đỡ như trong mục 1.3 sẽ có độ cao ước tính của sóng tại khung đỡ. Đây thường là số có nhiều số lẻ nên ta phải quy tròn lại cho chỉ còn 1 số lẻ.

- Tính công cơ cho 1 phao trong 1 chu kỳ sóng theo công thức đã có trong mục 1.6, rồi chia cho chu kỳ sẽ có công suất cơ.

- Do học theo cách tính của điện gió nên trước khi tính phải giảm 20% công suất cơ. Tính theo cách tính của điện gió như trong mục 1.7, trong đó đã giảm bớt 20% công suất điện.

- Do sóng đi vào vùng biển nông bị tiêu hao năng lượng nên công suất điện tính được phải giảm tùy theo từng loại khung đỡ và theo từng nơi như đã trình bày trong mục 1.8.

- Do sóng đi qua 3 hàng phao sẽ yếu đi một chút, nên cần giảm công suất điện tính được đó đi 10% cho khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển và giảm 12% cho khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển như trong mục 1.9. Đối với khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển phía sau có đê tăng thêm 20% công suất như trong mục 1.10.

- Nhân với số lượng phao có trong khung đỡ sẽ được công suất điện của toàn bộ khung đỡ.

- Đếm xem trong từng tháng số bản tin có từng độ cao sóng biển đã tính lại là bao nhiêu, rồi nhân số đó với công suất phát điện của sóng biển có độ cao đó. Lấy tổng của các kết quả đó chia cho tổng số bản tin đã thu thập được trong tháng sẽ có công suất phát điện bình quân tháng.

- Nhân công suất bình quân tháng với số giờ có trong tháng sẽ có sản lượng điện của tháng đó. Tính tổng sản lượng điện cả năm rồi chia cho số giờ có trong năm sẽ được công suất bình quân năm.

Rất may là trong bảng tính Excel có nhiều hàm để tính toán và chọn lọc nên ta có thể xây dựng được bảng tính để khi thay đổi các hệ số sẽ có ngay kết quả tính toán mới. Vì vậy ta có thể ẩn đại bộ phận các dòng, chỉ để hở kết quả tính toán và vài dòng để có thể thay đổi các hệ số rồi khóa lại. Cụ thể là tôi đã để các hệ số có thể thay đổi sau: Mức giảm độ cao sóng do góc giữa hướng gió và khung đỡ, chiều cao của phao, số lượng phao, mức giảm công suất cơ do học theo cách tính của điện gió, mức giảm công suất điện sau khi học theo cách tính của điện gió, mức giảm công suất điện do sóng đi vào vùng biển nông, mức giảm công suất điện do sóng phải đi qua 3 hàng phao, mức tăng công suất điện do phía sau khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển có đê.

 

2. Tính lại sản lượng điện của 3 loại điện cùng gắn trên khung đỡ điện sóng biển:

Vùng biển Bình Thuận có gió mạnh hơn, có bức xạ mặt trời lớn hơn so với vùng biển Bà Rịa – Vũng Tàu đến Cà Mau, nhưng vùng có dòng biển chảy chậm lại hẹp hơn. Vì thế các khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển trên vùng biển Bình Thuận cần ngắn hơn, nên tôi dự kiến độ dài của khung đỡ trên vùng biển này chỉ dài bằng nửa so với khung đỡ trên vùng biển Bà Rịa – Vũng Tàu đến Cà Mau. Cụ thể là dựa vào những số liệu đã có trong bài: “3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” để tính nhanh ra số mới về khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển trên vùng biển Bình Thuận như sau:

- Số khung chịu lực trong khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển đã có là: 3x2+(720+1)x3 = 2.169 khung, số bộ tạo nguồn điện là 2.168 bộ. Số mới là: 3x2+(360+1)x3 = 1.089 khung chịu lực và1.088 bộ tạo nguồn điện.

- Vốn đầu tư cho 30 khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển đã có là 73.800 tỷ đồng, số mới là: 73.800x1.088/2.168 = 37.036,162 tỷ đồng, quy tròn lên là 37.040 tỷ đồng.

- Số điện gió nhỏ trong 30 khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển đã có là 32.550 chiếc, số mới là: 32.550/2 = 16.275 chiếc.

- Diện tích khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển đã có là 261.550 m2, số mới là: 261.550/2 = 130.775 m2.

- Cường độ bức xạ mặt trời trên mỗi m2/năm bình quân vùng Tây Nguyên và Nam Trung Bộ đã có là 1.934,5 KWh và ta dùng số này để tính cho Bình Thuận.

Từ các số liệu đó và các hệ số trong phần 1 ta có kết quả tính toán sản lượng điện của 3 loại điện cùng gắn trên khung đỡ điện sóng biển trong vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau như trong một loạt các biểu sau:

2.1. Điện sóng biển:

2.1.1. Mỗi khung đỡ song song với hướng của đường bờ biển:



2.1.2. Mỗi khung đỡ thẳng góc với hướng của đường bờ biển:







2.1.3. Mỗi cụm điện sóng biển:

 

Vì sao tốc độ gió lại tính cao đến 8 m/s, 9 m/s và 10 m/s?


Trong bài: “Khởi công 2 nhà máy điện gió ở miền Tây” trên baomoi.com ngày 30/01/2018 cho biết: “Chiều 30.1, Công ty CP Super Wind Energy Công Lý Bạc Liêu đã tổ chức lễ khởi công nhà máy Điện gió Bạc Liêu 3. Ngay sau đó, công ty này tổ chức khởi công thêm nhà máy Điện gió Sóc Trăng.”
“Công ty đã thăm dò, khảo sát kết hợp với số liệu đo gió thực tế, nhận thấy được tiềm năng gió của vùng ven biển các tỉnh Tây Nam Bộ còn rất lớn, trong đó khu vực ven biển của tỉnh Bạc Liêu là địa điểm có trữ lượng gió tương đối ổn định, tốc độ gió bình quân đạt trên 6,5 m/s, là điều kiện rất phù hợp để đầu tư các dự án điện gió.”
Vậy tại sao trong bài của tôi lại tính tốc độ gió tại Điện gió Bạc Liêu là 8 m/s? Xin trả lời vấn đề này như sau:
Ngay trong bài: “Triển vọng phát triển nguồn điện gió tại Việt Nam” của Trần Trí Năng, Lê Khắc Hoàng Lan, Nguyễn Tân Huyền, Trương Trà Hương,Phạm Thanh Tuân, Nguyễn Xuân Cường, Phạm Thị Hồng, Bùi Mỹ Duyên (+ Đại Học Minnesota, Mỹ Quốc.*Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng- Viện Khoa Học & Công Nghệ , Việt Nam) trên trang Web erct.com có biểu tốc độ gió bình quân tháng đo được tại 2 trạm Long Hải và Phước Tỉnh ở tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Tính ra tốc độ gió bình quân năm ở Long Hải là 7,62 m/s và ở Phước Tỉnh là 8,01 m/s. Tôi dùng công thức đã có trong bài, tính với C = 0,35 và tính với độ dài cánh quạt điện gió là 5 m cho từng tháng thì sản lượng điện ở Long Hải là 81.287 KWh/năm và ở Phước Tỉnh là 94.222 KWh/năm. Nếu dùng tốc độ gió bình quân năm để tính sẽ cho ra sản lượng điện thấp hơn tới gần 20%. Điều này không có gì lạ vì nhìn vào công thức tính công suất điện gió ta thấy công suất điện gió phụ thuộc vào lập phương của tốc độ gió. Vì thế để có sản lượng điện như trên tôi đã phải tính lại tốc độ gió ở Long Hải là 8,2 m/s cao hơn tốc độ gió bình quân năm 7,8% và tốc độ gió ở Phước Tỉnh là 8,61 m/s cao hơn tốc độ gió bình quân năm 7,52%. Lưu ý là nếu có tốc độ gió bình quân ngày để tính toán rồi cộng lại ta sẽ có sản lượng điện cao hơn nữa. Đấy vẫn chưa hết vì tốc độ gió tại từng thời điểm trong ngày cũng khác nhau. Vì vậy khi chỉ biết tốc độ gió bình quân năm, muốn dùng công thức trên để ước tính công suất điện bình quân và sản lượng điện cả năm, cần tính với tốc độ gió cao hơn khoảng trên 15%.

Tốc độ gió khu vực ven biển của tỉnh Bạc Liêu bình quân đạt trên 6,5 m/s, nếu cộng thêm 15% thì sẽ ra khoảng 8 m/s. Theo bản đồ về Tiềm năng gió ở Biển Đông có trong bài vừa nói đến thì tốc độ gió mạnh nhất ở vùng biển Bình Thuận, càng ra xa càng giảm bớt. Bạc Liêu ở gần cuối vùng biển Thành phố Hồ Chí Minh đến Cà Mau nên điện gió nhỏ tại vùng biển này tuy ở thấp hơn cũng tạm tính là 8 m/s. Tại 2 trạm đo gió ở Bà Rịa – Vũng Tàu có tốc độ gió bình quân gần 8 m/s nên vùng biển Bà Rịa – Vũng Tàu tạm tính tốc độ gió là 9 m/s. Vùng biển Bình Thuận có tốc độ gió mạnh nhất nên phải tạm tính tốc độ gió cao hơn là 10 m/s.