Sản lượng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ

Cái mà tôi ngại nhất là dòng chảy biển vì nó tác động ngang vào phao, theo nguyên tắc đòn bảy các bánh lăn và các bánh răng trong bộ phận giữ phao sẽ bị tác động lớn hơn nhiều. Để đối phó với nó tôi đã có bài: “Phương án 2 về tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ”, trong đó đã phải quay ngược hẳn khung đỡ lại, thả vài tấm tôn xuống ở 2 đầu khung đỡ, phao càng ra ngoài biển xa càng phải thấp dần, phao ở 2 hàng ngoài phải để thấp hơn hàng giữa và mới chỉ giám tính toán đến 11 hàng khung đỡ song song với nhau. Nay tôi đã tìm được cách tính lực tác động của dòng chảy biển và đã tính được ngay cả khi đã đưa phao ra rất xa bờ thì các lực đó cũng không quá lớn đến mức các bánh lăn và các bánh răng trong bộ phận giữ phao không chịu đựng nổi. Ngày 10/03/2020 tôi đã bổ sung vấn đề này vào cuối bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ”. Như vậy các đối phó trên là không cần thiết, mà ta chỉ cần dùng 1 loại phao và có thể đưa nó rất xa bờ cũng không sao, như vậy tiềm năng điện sóng biển trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau còn lớn hơn gấp nhiều lần. Vì thế tôi đã sửa lại bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” và đổi tên thành bài: “Sản lượng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” cho đúng với nội dung của nó.

Bài này rất dài và phần lớn đã có trong bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” rồi, nên tôi chỉ đưa ra 2 biểu kết quả tính toán sau khi thu thập thêm được các bản tin dự báo sóng biển của tháng 3 năm 2020 như sau:





Những bổ sung thêm ngày 10/03/2020 vào cuối bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” vô cùng quan trọng vì nó sẽ quyết định thành bại của điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam, rất mong mọi người góp ý để tôi sửa lại bài mới cho tốt hơn.

 

Các loại lực tác động đến phao, bộ phận giữ phao và khung đỡ

Trong bộ phận giữ phao thì khả năng chịu lực của 4 bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng yếu hơn khả năng chịu lực của 2 bánh răng tiếp xúc với răng của thanh thép này và 2 bánh lăn ép vào phía sau của thanh thép này vì chúng được gắn vào 2 đoạn thép nhỏ hơn. Vì vậy ta cần tìm cách giảm bớt lực ép vào 4 bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng. Trong các lực đã tính được ta thấy lực lớn nhất là lực ép do mặt sóng nghiêng, khi khung đỡ ở gần bờ thì lực này lại chủ yếu ép vào 4 bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng.
Trong phần 1 của Phụ lục cuối trong bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” đã tính được lực do mặt sóng nghiêng tác động ngang vào bộ phận giữ phao là 4,05 tấn, nếu ta nâng tầng liên kết dưới cao thêm 4 m sẽ tính được lực đó chỉ còn 2,97 tấn, giảm hẳn: 4,05-2,97 = 1,08 tấn. Khi ra xa bờ do sóng chéo với khung đỡ nên lực này sẽ phân bổ thêm vào 2 bánh răng tiếp xúc với răng của thanh thép có răng và 2 bánh lăn ép vào phía sau của thanh thép này, còn lực tác động vào 4 bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng sẽ được giảm bớt. Khi đã ra khá xa bờ, sóng song song với khung đỡ thì lực này chủ yếu ép vào 2 bánh răng tiếp xúc với răng của thanh thép có răng và 2 bánh lăn ép vào phía sau của thanh thép này. Lưu ý là khi vào nơi biển nông chiều cao sóng tăng lên và bước sóng giảm bớt theo các công thức (72) và (71) trong trang 61 của sách “Cơ sở đại dương học” (ảnh của trang này đã có trong mục 2.4.4 của bài vừa nêu), nên ở ngoài biển xa góc nghiêng của sóng nhỏ hơn khi vào gần bờ, do đó ngoài biển xa momen lực do mặt sóng nghiêng tác động vào phao và bộ phận giữ phao còn yếu hơn khi sóng ở gần bờ. Vì thế khung đỡ đã ra xa bờ ta không cần thiết phải nâng tầng liên kết dưới cao thêm để giảm áp lực vào 4 bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng. Muốn giảm áp lực của dòng chảy biển và gió vào bộ phận giữ phao ta chỉ cần tăng thêm khoảng cách giữa 2 tầng liên kết, thí dụ như tăng thêm 1 m chẳng hạn. Khi làm các việc đó thì áp lực của gió bão vào khung đỡ cũng tăng thêm một chút. Kết quả tính toán của cả 2 phương án như trong biểu sau:

Việc làm theo phương án nâng cao khung đỡ rất đơn giản, chỉ cần thay đổi như sau: Dùng ống bê tông dự ứng lực dài 16 m, mặt dưới của thanh thép chịu lực tầng liên kết dưới gắn cao hơn đầu trên của ống bê tông dự ứng lực 4,1 m, mặt trên của thanh thép chịu lực tầng liên kết trên vẫn gắn cách đầu trên của ống thép cột chống 1,3 m. Như vậy ta có ngay tầng liên kết dưới của khung đỡ cao hơn 15 m so với mặt biển và tầng liên kết trên cao hơn tầng liên kết dưới 5,2 m. Các khung đỡ phía ngoài cũng dùng khung đỡ như vậy, càng đi xa ra ngoài biển thì tầng liên kết dưới của khung đỡ càng giảm độ cao so với mặt biển. Khi ra đến nơi biển sâu 9 m, tầng liên kết dưới của khung đỡ vẫn cao hơn 11 m so với mặt biển và sóng cao đến 10 m vẫn chưa đẩy trụ đứng giữa phao chạm vào tầng liên kết dưới của khung đỡ. Ra đến nơi biển sâu hơn 9 m ta mới cần phải dùng ống bê tông dự ứng lực dài hơn.
Nếu không còn lực nào khác tác động vào phao thì rõ ràng là phương án nâng cao khung đỡ có lợi thế hơn phương án tầng liên kết dưới cao hơn 11 m so với mặt biển vì tuy lực tác động của gió bão vào khung đỡ có tăng lên một ít nhưng các lực khác tác động vào bộ phận giữ phao nhìn chung giảm đi, trong đó lực do mặt sóng nghiêng ở khung đỡ gần bờ tác động vào 4 bánh lăn ép vào 2 bên thanh thép có răng giảm hẳn 1,08 tấn tức giảm hẳn 26,67%.
Bờ biển vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau chạy theo hướng đông bắc - tây nam, khung đỡ của điện sóng biển và dòng chảy biển cũng chạy theo hướng này, khi ở nơi biển xa thì sóng biển cũng cùng hướng với dòng chảy biển, gió của áp thấp nhiệt đới thổi theo chiều quay ngược với kim đồng hồ nên cũng có lúc theo hướng đông bắc - tây nam. Nếu tầng liên kết dưới vẫn để cao hơn 11 m so với mặt biển, cũng có lúc bánh lăn giữ phao phía dưới chịu lực tác động là dưới: 4,05+0,87+0,02 = 4,94 tấn. Bánh lăn giữ phao phía trên chịu lực tác động ít hơn nên ta không cần tính đến. Ở nơi biển xa trên vùng biển này nếu có bão với sức gió ở vùng gần tâm bão lên tới 100 km/giờ thì cũng có lúc tổng 3 lực trên sẽ là dưới: 4,05+2,18+1,52 = 7,75 tấn. Nếu làm theo phương án nâng cao khung đỡ thì cũng có lúc bánh lăn giữ phao phía dưới chịu lực tác động là dưới: 2,97+0,93+0,02 = 3,92 tấn. Ở nơi biển xa trên vùng biển này nếu có bão với sức gió ở vùng gần tâm bão lên tới 100 km/giờ thì cũng có lúc tổng 3 lực trên sẽ là dưới: 4,05+1,88+1,31 = 7,24 tấn.
Cuối phần 1 của Phụ lục vừa nêu đã tính được mỗi bánh xe Belaz 75131 phải chịu sức nặng tối đa là 39,5 tấn khi đã chất đầy hàng, tức là gấp hơn 8 lần số 4,94 tấn, 5,1 lần số 7,75 tấn, 10,08 lần số 3,92 tấn hoặc 5,46 lần số 7,24 tấn, khi xe chạy lực nén trên mỗi lốp còn lớn hơn nhiều. Như vậy các bánh lăn trong bộ phận giữ phao có thể chịu đựng được tốt các lực tác động vào phao của cả sóng do mặt sóng nghiêng, gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão và dòng chảy biển ở nơi biển xa nhưng cần phải làm cho thật chắc chắn.
Lưu ý là 3 lực trên đều là những lực tối đa và gần như không thể xảy ra nên tính chỉ để biết mà đề phòng thôi, trong thực tế tổng của 3 lực đó sẽ ít hơn rất nhiều. Tuy nhiên qua các số liệu tính toán được này đã nảy sinh vấn đề là phải thiết kế lại khung chịu lực để có thể gắn được các bánh răng và bánh lăn của bộ phận giữ phao cho thật chắc chắn.

 

Khung chịu lực và bộ phận giữ phao gắn trên nó

Trong mục 2.2 của bài: “Tiềm năng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” đã có sơ đồ về khung chịu lực và sơ đồ về bộ phận giữ phao gắn vào khung chịu lực. Qua những tính toán về các lực lớn nhất có thể tác động vào bộ phận giữ phao ta thấy có những yếu điểm của bộ phận giữ phao như:
- Lực tác động lớn nhất là lực tác động do mặt sóng nghiêng, khi khung đỡ ở gần bờ thì nó lại tác động chủ yếu vào những bánh lăn giữ 2 bên thanh thép có răng nên những chỗ nhô cao để gắn trục bánh lăn cần cụ thể hơn.
- Muốn giảm các lực tác động do gió và dòng chảy biển cần tăng khoảng cách giữa 2 tầng liên kết, nhưng điều này bị hạn chế do có 2 nửa thanh thépU300x90x9x12 gắn chéo để đỡ tầng liên kết dưới.
Muốn giải quyết những vấn đề này ta cần vẽ lại khung chịu lực, tôi dự kiến vẽ lại như sau:

Trong đó để đỡ tầng liên kết dưới đã thay việc gắn chéo 2 nửa thanh thép U300x90x9x12 bằng việc gắn thanh thép U400x100x10.5x12 vào 2 ống thép ở phía trên tầng liên kết dưới để kéo nó từ phía trên đồng thời giúp cho 2 đoạn thép nối 2 tầng liên kết được cứng hơn, còn các trục thép của những bánh lăn giữ 2 bên thanh thép có răng được gắn phía trên những đoạn thép ngắn U300x90x9x12 nhô ra 2 bên. Không thể dùng những thanh thép U400x100x10.5x12 để nối 2 tầng liên kết vì muốn làm như thế phải tăng đường kính của bánh răng nhận lực lên thành 1,2 m.
Trong hình vẽ trên các trục thép của các bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng được gắn ngay trên những thanh thép chịu lực U400x100x10.5x12 của 2 tầng liên kết. Những trục thép của bánh lăn phía dưới giữ 2 bên thanh thép có răng được gắn cao hơn tầng liên kết dưới khoảng 0,8 m, những trục thép của bánh lăn phía trên giữ 2 bên thanh thép có răng được gắn cao hơn tầng liên kết trên khoảng 0,5 m.
Khung đỡ bình thường sử dụng 2 nửa thanh thép U300x90x9x12 để nối 2 tầng liên kết cho tiết kiệm, phía dưới thanh thép chịu lực của tầng liên kết dưới cách mặt biển 11,1 m để dù thủy triều dâng lên đến mức cao nhất và sóng cao đến 10 m cũng không thể đẩy trụ đứng giữa phao chạm vào phía dưới của tầng liên kết dưới, và mặt trên của thanh thép chịu lực tầng liên kết trên cách đầu ống thép cột chống 1,5 m để sau khi gắn thêm những thanh thép trên biển vẫn còn chỗ để ống thép của điện gió có thể úp sâu 1 m vào ống thép cột chống. Từ đó có thể tính được: Tầng liên kết trên cao hơn tầng liên kết dưới 5 m và những cái cao hơn mặt biển như sau: Đầu ống bê tông dự ứng lực 7 m, mặt trên tầng liên kết dưới 11,5 m, mặt trên tầng liên kết trên 16,5 m, trục của bánh lăn phía dưới đỡ 2 bên thanh thép có răng 12,3 m, trục của bánh lăn phía trên đỡ 2 bên thanh thép có răng 17 m. Như vậy ống thép cột chống vẫn còn 4,1 m chưa sử dụng đến.
Khung đỡ nâng cao tận dụng toàn bộ chiều dài của ống thép cột chống sẽ có tầng liên kết trên cao hơn tầng liên kết dưới 9 m, ống bê tông dự ứng lực nhô lên khỏi mặt biển 11 m, như vậy ống thép cột chống dự phòng chỉ còn 0,1 m. Muốn nâng tầng liên kết dưới cao thêm để giảm lực tác động ngang do mặt sóng nghiêng vào bộ phận giữ phao cần tăng thêm chiều dài của ống bê tông dự ứng lực. Thí dụ như muốn nâng tầng liên kết dưới cao thêm 5 m thì dùng ống bê tông dự ứng lực nhô lên khỏi mặt biển: 11+5 = 16 m. Từ đó có thể tính được những cái cao hơn mặt biển trong thí dụ này như sau: Mặt trên tầng liên kết dưới 16,5 m, mặt trên tầng liên kết trên 25,5 m, trục của bánh lăn phía dưới đỡ 2 bên thanh thép có răng 17,3 m, trục của bánh lăn phía trên đỡ 2 bên thanh thép có răng 26 m. Như vậy ống thép cột chống vẫn còn 0,1 m chưa sử dụng đến để dự phòng.
Để tính toán những khả năng xấu nhất có thể xảy ra ta còn phải tính thêm chênh lệch lớn nhất của mặt nước biển do thủy triều trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau có thể từ 3 m đến 4 m và ta phải lấy số cao nhất là 4 m. Momen lực do mặt sóng nghiêng có tâm ở phía dưới mặt nước biển, càng gần tâm của nó càng mạnh hơn nên ta phải tính khi thủy triều lên đến mức cao nhất tức khoảng cách phải trừ đi 2 m. Các lực tác động do gió và dòng chảy biển vào bộ phận giữ phao và khung đỡ của biển thì khoảng cách phải cộng thêm 2 m, trong đó khoảng cách để tính lực tác động lớn nhất do gió vào bộ phận giữ phao lại phải trừ đi 1,3 m do phao nằm hoàn toàn trên mặt nước biển và khoảng cách để tính lực tác động lớn nhất do dòng chảy biển vào bộ phận giữ phao lại phải cộng thêm 1,3 m do phao nằm hoàn toàn dưới mặt nước biển.
Ta đã tính được momen lực lớn nhất do mặt sóng nghiêng là dưới 445.510 N, từ đó có thể tính được lực lớn nhất tác động ngang vào bộ phận giữ phao trong trường hợp dùng khung đỡ bình thường là dưới: 445.510/(12,3-2) = 43.253 N, quy đổi ra tấn cho dễ hiểu là dưới 4,33 tấn. Nếu dùng khung đỡ nâng cao là dưới: 445.510/(17,3-2) = 29.118, quy đổi ra tấn cho dễ hiểu là dưới 2,91 tấn. Ở ngoài biển xa thì lực này chủ yếu tác động vào bánh răng đỡ răng và bánh lăn đỡ phía sau thanh thép có răng, tính toán ra là dưới 4,69 tấn và dưới 3,07 tấn.
Các lực tác động lớn nhất do gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão và dòng chảy biển vào bộ phận giữ phao và khung đỡ được tính toán như trong biểu sau:

Nhìn vào biểu này ta thấy ở gần bờ những tác động vào bộ phận giữ phao trong phương án khung đỡ bình thường như sau: Của gió trong áp thấp nhiệt đới 0,82 tấn, của dòng chảy biển 0,03 tấn nhưng của mặt sóng nghiêng lại lớn tới 4,33 tấn. Trong khi đó lực tác động do mặt sóng nghiêng vào bộ phận giữ phao ở phương án nâng cao khung đỡ chỉ có 2,91 tấn. Để khắc phục điều này ta có thể làm với khung đỡ gần bờ bằng cách vẫn làm như khung đỡ bình thường nhưng dùng ống bê tông dự ứng lực dài thêm 5 m để nâng cao khung đỡ thêm 5 m nữa thì khi đó các lực tác động lớn nhất sẽ như sau: Của mặt sóng nghiêng vào bộ phận giữ phao chỉ có 2,91 tấn, của gió trong áp thấp nhiệt đới vào bánh lăn phía dưới là 1,06 tấn, của dòng chảy biển vào bánh lăn phía dưới là 0,03 tấn và của gió trong áp thấp nhiệt đới vào khung đỡ là 4,63 tấn.
Bờ biển vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau chạy theo hướng đông bắc - tây nam, khung đỡ của điện sóng biển và dòng chảy biển cũng chạy theo hướng này, gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão không theo hướng nhất định. Ở khu vực gần bờ, nếu tầng liên kết dưới vẫn để cao hơn 11 m so với mặt biển, cũng có lúc bánh lăn giữ phao phía dưới chịu lực tác động là dưới: 4,33+0,82+0,03 = 5,18 tấn. Bánh lăn giữ phao phía trên chịu lực tác động ít hơn nên ta không cần tính đến. Nếu làm theo phương án nâng cao khung đỡ thì cũng có lúc bánh lăn giữ phao phía dưới chịu lực tác động là dưới: 2,91+0,7+0,02 = 3,63 tấn. Nếu làm theo phương án trung gian cho khung đỡ gần bờ thì tổng 3 lực trên chỉ là dưới: 2,91+1,06+0,04 = 4 tấn. Tiềm năng điện sóng biển gần bờ của vùng biển này đã lớn gấp khoảng 1,8 lầnlượng điện sản xuất và mua năm 2018 của Việt Nam.
Đường đẳng sâu 20 m ở vùng biển này khá xa bờ, có nơi xa đến vài chục km, nếu đưa khung đỡ điện sóng biển ra ngoài biển xa thì tiềm năng của nó còn lớn hơn gấp mấy lần. Ở nơi biển xa nếu có bão với sức gió ở vùng gần tâm bão lên tới 100 km/giờ thì cũng có lúc tổng 3 lực trên sẽ là dưới: 4,69+2,07+1,66 = 8,42 tấn, nhưng nếu nâng khung đỡ cao lên thì tổng 3 lực trên chỉ còn dưới: 3,07+1,75+1,34 = 6,16 tấn.
Mỗi bánh xe Belaz 75131 phải chịu sức nặng tối đa là 39,5 tấn khi đã chất đầy hàng, tức là gấp hơn 7,63 lần số 5,18 tấn, 10,88 lần số 3,63 tấn, 9,88 lần số 4 tấn, 4,69 lần số 8,42 tấn hoặc 6,41 lần số 6,16 tấn, khi xe chạy lực nén trên mỗi lốp còn lớn hơn nhiều. Như vậy các bánh lăn trong bộ phận giữ phao có thể chịu đựng được tốt các lực tác động vào phao của cả sóng do mặt sóng nghiêng, gió của áp thấp nhiệt đới hoặc bão và dòng chảy biển nhưng cần phải làm cho thật chắc chắn.
Lưu ý là 3 lực trên đều là những lực tối đa và gần như không thể xảy ra nên tính chỉ để biết mà đề phòng thôi, trong thực tế tổng của 3 lực đó sẽ ít hơn rất nhiều, không những thế nó còn phân bổ thêm cho nhiều bánh lăn và bánh răng.
Nếu còn ngại dùng phao cao 2,6 m phải chịu các lực tác động lớn thì có thể dùng phao thấp hơn. Các lực tác động vào phao và bộ phận giữ phao sẽ giảm tỷ lệ thuận với chiều cao của phao nhưng sản lượng điện sẽ giảm chậm hơn như trong biểu sau:

Biểu này có sau khi đã cập nhật thêm 30 bản tin dự báo sóng biển tháng 4 năm 2020 vào chương trình tự động tính toán.
Khung đỡ gần bờ khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất chỉ chịu lực lớn nhất của áp thấp nhiệt đới vào mỗi đoạn 11,8 m là 4,15 tấn đối với khung đỡ bình thường và 5,16 tấn đối với khung đỡ nâng cao và 4,63 tấn đối với khung đỡ trung gian. Khung đỡ rất xa bờ khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất chỉ chịu lực lớn nhất của gió bão vào mỗi đoạn 11,8 m là 10,45 tấn đối với khung đỡ bình thường và 13,01 tấn đối với khung đỡ nâng cao. Như vậy ngay cả khi khung đỡ bị đánh đúng vào điểm yếu nhất của nó thì với những lực đẩy ngang đó vào mỗi đoạn 11,8 m của khung đỡ làm sao có thể lay chuyển được khung đỡ dài gần 9 km có 5 hàng cột chống, dưới mỗi cột chống có đinh mũ cắm xuống đáy biển và chiều ngang của khung đỡ rộng tới 41 m.
Gắn thêm điện gió nhỏ và điện mặt trời lên tầng liên kết trên của khung đỡ sẽ tạo thêm vật lớn cản gió, càng ra ngoài biển xa càng có khả năng gặp bão lớn, vì thế khi khung đỡ của điện sóng biển ra xa đến mức độ nào đó thì không nên làm việc này.

 

Đến ngày 30/06/2020 đã thu thập được 1.689 bản tin dự báo sóng biển thì 3 loại điện gắn trên các khung đỡ của điện sóng biển trong vùng biển Thái Bình đến Cà Mau có sản lượng như sau:



Trong sản lượng điện đó riêng vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau chiếm đến 78,08%, vùng biển Thái Bình đến Ninh Thuận chỉ chiếm 21,92%.

 

Hiện nay tôi đã thu thập được thêm 31 bản tin dự báo sóng biển của tháng 7 năm 2020, tổng cộng đã thu thập được 1.720 bản tin. Số biểu kết quả tính toán rất nhiều nên chỉ xin giới thiệu 2 biểu sau:

 

Tính thử lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ do sóng biển


Điện sóng biển làm theo cách hoàn toàn Việt Nam khác hẳn với cách làm của các nước đã làm trước đây, vì thế ta cần phải tính cho hết tất cả các lực tác động. Phao luôn luôn chịu 2 lực tác động ngược chiều nhau đều nằm thấp hơn mặt nước biển là lực hút của trái đất và lực đẩy lên của nước. Do mặt sóng nghiêng nên khi sóng đến nửa trước phao ngập nhiều hơn nửa sau phao, lực đẩy lên của nước tập trung ở nửa trước phao và mạnh hơn lực hút của trái đất làm cho phao nâng lên, momen lực của nó tác động vào bộ phận giữ phao và đẩy nó từ phía trước ra phía sau. Ngược lại khi đỉnh sóng đã đi qua nửa trước phao ngập ít hơn nửa sau phao, lực đẩy lên của nước tập trung ở nửa sau phao và yếu hơn lực hút của trái đất làm cho phao hạ xuống, momen lực của nó tác động vào bộ phận giữ phao và đẩy nó từ phía sau ra phía trước. Trong phần bổ sung ngày 02/05/2020 vào bài: “Sản lượng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” đã tính được giới hạn trên của lực tác động vào bộ phận giữ phao là 4,33 tấn khi dùng khung đỡ thấp và 2,91 tấn khi dùng khung đỡ nâng cao cho phao hình trụ tròn đường kính 6 m cao 2,6 m với mục đích là các bánh lăn phải chịu đựng được các lực lớn như vậy.

Nhưng các lực đó cũng tác động ngang vào khung đỡ. Do sóng có chu kỳ và có 3 hàng phao nên phao ở hàng này tác động mạnh vào khung đỡ, nhưng ở hàng khác lại tác động yếu hơn hoặc tác động theo chiều ngược lại nên ta phải tính tổng lực tác động này. Khung đỡ dài đến gần 9 km nên điểm yếu nhất là khi bị tác động thẳng góc với nó. Để phục vụ cho việc tính toán tổng các lực thẳng góc đó vào 1 đoạn khung đỡ dài 11,8 m xin trích ra kết quả tính toán khi sóng vào đến nơi biển sâu 5 m như sau:



Trong Chương trình tự động tính toán của tôi đã tính chi tiết cho sóng cao 10 m, 8 m, 6 m, 5,9 m, 5,8 m,..., 0,1 m, nhưng vì nó quá dài nên chỉ trích ra một số kết quả trên. Riêng đối với sóng cao 0,75 m có bước sóng đúng bằng khoảng cách giữa các tâm phao của 2 hàng cạnh nhau nên tôi phải tính thêm.

Khoảng chênh lệch thủy triều trên vùng ven bờ trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau hầu hết là dưới 4 m, tức là khi thủy triều lên đến mức cao nhất đều cao hơn mức trung bình dưới 2 m. Khi tính lực tác động lớn nhất vào bộ phận giữ phao tôi đã tính thủy triều cao hơn mức trung bình 2 m. Với cách tính nửa trước phao hoàn toàn ngập nước và nửa sau phao không ngập tí nước nào thì dù sóng có cao đến mấy chục mét cũng không thể có được nên đó chỉ là tính giới hạn trên mà thôi. Trong bài này, trường hợp sóng ngoài biển xa cao 10 m thì sóng nơi biển sâu 5 m sẽ cao hơn và ta tạm coi nó có lực đẩy lớn như vậy. Đối với các sóng thấp hơn tính theo tỷ lệ điện có thể sinh ra.

Sóng biển lúc mạnh lúc yếu, chu kỳ và bước sóng lúc mạnh cũng lớn hơn lúc yếu. Vì thế tôi phải cùng lúc tính lực tác động của nhiều loại sóng khác nhau xem tại thời điểm đó lực tác động ngang vào khung đỡ của loại sóng nào là lớn nhất để tìm lực đẩy khung đỡ lớn nhất là bao nhiêu và là của loại sóng nào. Tạm coi sóng hình sin nên 1 bước sóng L ứng với 2∏ radian, cứ 10,219 m lại có một hàng phao nên 2 hàng phao cạnh nhau cách nhau một góc là: 10,219x2∏/L. Hàm cosin cũng giống hệt hàm sin và cos0 = 1 nên ta có thể xuất phát từ góc 0 radian rồi cho các góc lớn dần lên cho các góc đến hết chu kỳ. Do 2∏ = 3,1416x2 = 6,2832 nên ta cho góc biến động dần từ 0, 0,1, 0,2,..., 6,3 để tìm xem tại góc nào lực đẩy ngang vào khung đỡ lớn nhất và ghi kết quả lớn nhất đó lại. Trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau rất ít khi có sóng cao từ 4 đến 6 m và trong các bản tin dự báo sóng biển đã thu thập được tôi chưa thấy khi nào có sóng cao trên 6 m, nên tôi ghi cả 2 trường hợp sóng cao từ 10 m trở xuống và sóng cao từ 6 m trở xuống. Khung đỡ có 3 hàng phao nên ta có 3 cách để xuất phát và kết quả của chúng về lực tác động lớn nhất và nó là của loại sóng nào cũng giống nhau. Vì thế tôi xin giới thiệu biểu xuất phát từ hàng phao thứ hai vì nó có lực tác động lớn nhất cho cả sóng cao từ 10 m trở xuống và từ 6 m trở xuống tại cùng một góc quay như trong biểu sau:



Tại vị trí có lực lớn nhất tôi đã dùng chữ đậm và gạch chân cho dễ nhìn, nhìn vào dòng đầu biểu và biểu đầu tiên ta thấy:

- Lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 2,23 tấn và vào khung đỡ nâng cao là 1,5 tấn khi sóng ngoài biển xa cao 10 m với chu kỳ sóng là 11,12 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 35,36 m.

- Đối với sóng cao dưới 6 m thì lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 1,62 tấn và vào khung đỡ nâng cao là 1,09 tấn khi sóng ngoài biển xa cao 4 m với chu kỳ sóng là 7,28 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 23,16 m.

- Tại độ cao sóng hết sức đặc biệt là 0,75 m với chu kỳ sóng là 3,31 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 10,219 m tuy lực đẩy ngang được nhân 3 nhưng kết quả chỉ là lực đẩy ngang vào khung đỡ thấp là 0,21 tấn và trong khung đỡ nâng cao là 0,14 tấn.

Tại vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau gió thường thổi theo hướng đông bắc - tây nam hoặc tây nam - đông bắc và khung đỡ của điện sóng biển cũng đặt theo hướng này. Sóng ngoài biển xa theo hướng của gió, khi gặp bờ biển nông sóng mới dần dần đổi hướng và lao thẳng vào bờ. Khi sóng lao vào bờ chưa chắc đã là hướng đông nam tức là hướng thẳng góc với khung đỡ. Khung đỡ ở nơi biển sâu 5 m nên sóng lại càng chéo góc hơn, khung đỡ lại càng vững chắc hơn và sóng đến các phao trong cùng một hàng cũng khác nhau. Khi đi tắm biển nhìn đường đỉnh sóng ta có thể thấy chúng không thật sự là một đường thẳng. Các phao ta muốn cho chúng thật thẳng hàng nhưng khi lắp đặt cũng bị lệch đi một ít. Như vậy hiện tượng cộng hưởng theo từng hàng phao cũng rất khó xảy ra.

Tôi chỉ tính cho khung đỡ gần bờ, không tính cho khung đỡ xa bờ vì khi đó lực đẩy song song với khung đỡ nên khung đỡ rất khỏe.

Đối với cột chống của khung đỡ cũng cần phải tính toán. Cột chống của khung đỡ có đường kính 0,35 m và cách nhau 11,8 m mới có cột chống. Khi sóng đến nửa trước của cột chống ngập sâu hơn tạo nên lực đẩy từ phía trước ra phía sau, khi đỉnh sóng đi qua nửa sau của cột chống ngập sâu hơn tạo nên lực đẩy từ phía sau ra phía trước. Đường kính cột chống chỉ bằng 5,83% so với đường kính phao, tiết diện cột chống chỉ bằng 0,34% so với tiết diện phao nên lực đẩy rất nhẹ. Có 5 hàng cột chống, cái thì đẩy từ trước ra sau, cái thì đẩy từ sau ra trước. Việc tính toán lực đẩy lớn nhất vào cột chống không hề đơn giản, nên tôi cứ tạm cho khi sóng ngoài biển xa cao 10 m có hẳn lực đẩy vào cột chống là 1 tấn, chắc là không lớn đến mức như vậy. Nhưng khung đỡ lại ở trên cao và chân cột chống được cắm xuống đáy biển, theo cách tính đòn bảy ta tính được lực lớn nhất của cột chống đó đẩy vào khung đỡ thấp là 437,5 kg và đẩy vào khung đỡ nâng cao là 333,3 kg. Khi đó ta có kết quả tính toán như sau:



Lưu ý là khi tính lực đẩy thì hàng thứ nhất và hàng thứ năm chỉ tính nửa cột chống vì tại 2 hàng này cứ 23,6 m mới có 1 cột chống.

Tại vị trí có lực lớn nhất tôi đã dùng chữ đậm và gạch chân cho dễ nhìn, nhìn vào dòng đầu biểu và biểu đầu tiên ta thấy:

- Lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 178 kg và vào khung đỡ nâng cao là 135 kg khi sóng ngoài biển xa cao 8 m với chu kỳ sóng là 9,97 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 31,52 m.

- Đối với sóng cao dưới 6 m thì lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ thấp là 112 kg và vào khung đỡ nâng cao là 106 kg khi sóng ngoài biển xa cao 6 m với chu kỳ sóng là 8,8 giây và bước sóng nơi biển sâu 5 m là 27,13 m.

Muốn biết lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ điện sóng biển của từng loại sóng chỉ cần viết một số lệnh của EXCEL và cho chạy chương trình là có ngay 2 biểu sau:





Điều đặc biệt trong quá trình tính toán biểu thứ hai này là tại tất cả các góc quay tổng các lực tác động do sóng biển vào các cột chống khi sóng ngoài biển xa cao 2,5 m đều bằng 0, chính xác hơn là đều dưới 0,449 kg. Đó là do sóng ngoài biển xa cao 2,5 m khi vào nơi biển sâu 5 m thì bước sóng chỉ còn 20,04 m gần gấp đôi khoảng cách giữa tâm của 2 hàng cột chống cạnh nhau và số cột chống ở 2 hàng cột chống thứ nhất và thứ năm đều chỉ bằng nửa các hàng phía trong.

Trên vùng biển Bình Thuận đến Cà Mau nếu có bão thì khi gần đến bờ bão đã yếu dần đi thành áp thấp nhiệt đới. Trong phần bổ sung thêm vào bài: “Sản lượng 3 loại điện chạy bằng năng lượng tái tạo cùng gắn trên 1 khung đỡ” ngày 02/05/2010 đã tính được khi gió của áp thấp nhiệt đới thổi thẳng góc với khung đỡ khi thủy triều xuống thấp hơn mức bình thường 2 m thì mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m chịu lực là 4,15 tấn đối với khung đỡ thấp và 5,16 tấn đối với khung đỡ nâng cao.

Ta cứ cho là xảy ra hiện tượng cộng hưởng theo từng hàng phao khi gió của áp thấp nhiệt đới thổi thẳng góc với khung đỡ thì tổng lực đẩy ngang lớn nhất của cả 3 loại lực trên vào mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m khi sóng cao dưới 6 m chỉ là:

- Nếu dùng khung đỡ thấp: 1,62+0,112+4,15 = 5,882 tấn, tính tròn là 5,9 tấn.

- Nếu dùng khung đỡ nâng cao: 1,09+0,085+5,16 = 6,335 tấn, tính tròn lên là 6,4 tấn.

Khi sóng cao 4 m tổng lực đẩy ngang lớn nhất vào mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m do sóng đẩy vào các cột chống nhỏ hơn khi sóng cao 6 m nhưng các lực này nhỏ nên tôi dùng ngay số liệu đã tính được khi sóng cao 6 m để tính.

Lưu ý đây chỉ là cộng các lực tác động ngang lớn nhất vào khung đỡ mà thôi, thực tế sẽ thấp hơn. Đó là vì khi tính lực tác động của sóng phải tính khi thủy triều đã lên đến mức cao hơn mức trung bình 2 m, nhưng khi tính đối với gió phải tính gió của áp thấp nhiệt đới thổi thẳng góc với khung đỡ khi thủy triều xuống thấp hơn mức trung bình 2 m. Sóng ngoài biển xa cao 4 m gặp bờ biển nông đổi hướng và lao vào thẳng góc với khung đỡ rất khó xảy ra. Khung đỡ có 5 hàng cột chống rộng 41 m và chân các cột chống cắm xuống đáy biển thì với lực đẩy ngang 5,9 tấn hoặc 6,4 tấn vào mỗi đoạn khung đỡ dài 11,8 m làm sao có thể lay chuyển được khung đỡ đó. Cần lưu ý đây là lực đẩy ngang vào khung đỡ, các cột chống càng xuống thấp càng bị lực uốn lớn hơn, vì thế cần mua loại cọc phải có thêm nhiều thép thường xen kẽ với thép cường độ cao để đảm bảo cột vừa chịu tải tốt, vừa có độ dẻo khi có lực lớn tác động. Nếu có cột bê tông cốt thép hình nón cụt rỗng thì việc giải quyết lực uốn cột chống càng xuống thấp càng mạnh đó tốt hơn. Mỗi khung đỡ điện sóng biển cần tới hơn 3.000 cột chống nên các nhà đầu tư có thể trao đổi với các đơn vị sản xuất ống bê tông dự ứng lực để sản xuất các ống hình nón cụt này.

Muốn khung đỡ chắc chắn hơn, ta có thể thỉnh thoảng bổ sung thêm 1 cụm 4 cột chống về phía sau khung đỡ như trong hình sau:



Do không có phao nên các khung chịu lực gắn thêm chỉ cần làm rất đơn giản và vốn đầu tư không tăng thêm nhiều. Đối với những chỗ gắn thêm này ta có thể làm nhà nghỉ trên biển để tăng thêm thu nhập cho nhà đầu tư.

Rất mong các bạn quan tâm giúp đỡ và xem còn lực gì cần tính thêm để tôi bổ sung thêm vào cho tốt hơn.

 

Tính thử lực đẩy ngang lớn nhất vào khung đỡ theo độ cao của thủy triều


Ta đã tính được các lực đẩy ngang lớn nhất vào bộ phận giữ phao và khung đỡ. Nhưng những lực này lại xảy ra trong những điều kiện hoàn toàn khác nhau, cụ thể là: Lực đẩy lớn nhất do gió và dòng chảy biển tác động vào phao rồi qua đó tác động vào khung đỡ và do gió thổi thẳng góc với khung đỡ chỉ xảy ra trong điều kiện thủy triều xuống đến mức thấp nhất. Lực đẩy lớn nhất do momen lực tác động vào bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao chỉ xảy ra trong điều kiện thủy triều lên đến mức cao nhất. Lực đó và lực do sóng tác động vào các cột chống rồi qua đó tác động vào khung đỡ chỉ xảy ra trong điều kiện thủy triều lên đến mức cao nhất. Lực đẩy lớn nhất do momen lực tác động vào bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao rồi qua đó tác động vào khung đỡ xảy ra trong điều kiện sóng ngoài biển xa cao 4 m. Lực đẩy lớn nhất do sóng tác động vào các cột chống rồi qua đó tác động vào khung đỡ xảy ra trong điều kiện sóng ngoài biển xa cao 5 m. Vì thế ta cần xem trong cùng một điều kiện của thủy triều thì các lực tác động đó là bao nhiêu và 2 lực đẩy do sóng có chu kỳ cần cộng lại để tìm xem khi sóng ngoài biển xa cao bao nhiêu mét thì tổng của chúng lớn nhất. Để làm việc này tôi đưa các biểu tính lực đó vào trong cùng 1 file EXCEL rồi kết nối chúng lại với nhau. Biểu tổng hợp trong Sheet1 gồm 2 phần:

- Phần 1 về điều kiện tự nhiên: Trong đó có tốc độ gió, tốc độ dòng chảy biển và độ cao của thủy triều so với mức bình thường. Muốn thay đổi các số liệu này chỉ cần thay đổi số liệu trong các ô màu xanh.

- Phần 2 về kết quả tính toán các lực tác động lớn nhất gồm:

+ Mục a là giới hạn trên của các lực tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía dưới của bộ phận giữ phao, giới hạn đó thay đổi theo độ cao của thủy triều. Gọi là giới hạn trên vì momen lực do mặt sóng nghiêng tính trong điều kiện nửa phao phía trước đầy nước và nửa phao phía sau không có tí nước nào hoặc ngược lại, gió đẩy phao hoàn toàn nằm trên mặt nước và dòng chảy biển đẩy phao hoàn toàn nằm dưới mặt nước. Trong điều kiện bình thường thì các lực đó nhỏ hơn nhiều.

+ Mục b là các lực tác động vào khung đỡ khi gió thổi thẳng góc với khung đỡ, do gió thổi vào 3 phao hoàn toàn nằm trên mặt nước và do sóng có chu kỳ tác động vào khung đỡ. Lực của gió tác động vào phao rồi từ đó tác động lên các bánh lăn trong bộ phận giữ phao đã có ở biểu tính toán trong phần bổ sung thêm ngày 02/05/2020. Lưu ý là lực tác động vào bánh lăn phía trên ngược chiều với lực tác động vào bánh lăn phía dưới và ở cao hơn nên ta phải tính hợp lực của nó tác động vào khung đỡ. Phao hàng thứ 3 đã được phao hàng thứ 1 che gió, nhưng tôi vẫn cứ nhân 3 cho an toàn.

Khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất (-2 m) ta có kết quả như sau:



Gió vùng gần bờ tôi để 63 km/giờ vì trong Bách khoa toàn thư mở đã ghi rõ sự khác nhau giữa áp thấp nhiệt đới và bão nhiệt đới như sau: “Theo định nghĩa quốc tế, bão nhiệt đới phải có gió mạnh > 64 km/h (hay 35 nút), tức là hơn cấp 8. Nếu gió yếu hơn 63 km/h, gọi là áp thấp nhiệt đới.”

Nhìn vào biểu ta thấy giới hạn trên tác động của gió, dòng chảy biển tác động vào bánh lăn hoặc bánh lăn phía dưới của bộ phận giữ phao và gió tác động vào đoạn khung đỡ khi bị thổi thẳng góc giống hệt các số liệu đã bổ sung thêm ngày 02/05/2020. Nếu tính khi thủy triều lên đến mức cao nhất cao hơn mức trung bình 2 mét, ta gõ 2 vào ô màu xanh của dòng đó và bấm phím điều khiển để chạy chương trình khoảng 10 giây thì có kết quả là: Các số vừa nêu sẽ giảm bớt nhưng momen lực do mặt sóng nghiêng tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía dưới của bộ phận giữ phao lại giống hệt các số liệu đã bổ sung thêm ngày 02/05/2020 là 4,33 tấn và 2,91 tấn. Lực tác động lớn nhất do sóng có chu kỳ vào phao là 1,65 tấn và 1,11 tấn. Mở Sheet3 về kết quả tính toán các lực tác động vào khung đỡ do sóng có chu kỳ ta thấy trong điều kiện sóng cao dưới 6 m thì lực tác động lớn nhất khi sóng ngoài biển xa cao 4,5 m. Lực của gió tác động vào phao rồi từ đó tác động lên đoạn khung đỡ cũng là những số dương, lần lượt là 0,21 tấn, 0,52 tấn, 0,14 tấn, 0,36 tấn và 0,14 tấn, trong khi đó nhìn trong biểu khi thủy triều xuống đến mức thấp nhất (-2 mét) thì những số này toàn là những số âm.

Trong biểu này ta không cần quan tâm đến các lực tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía trên của bộ phận giữ phao vì chúng đều nhỏ hơn các lực tác động vào bánh lăn hoặc bánh răng phía dưới.
Khi thủy triều lên cao thì lực tác động lớn nhất do sóng có chu kỳ vào khung đỡ tăng lên, lực của gió tác động vào phao rồi từ đó tác động lên đoạn khung đỡ cũng chuyển dần từ âm sang dương rồi tăng lên, nhưng lực của gió thổi thẳng góc với khung đỡ giảm xuống nên tổng các lực tác động vào khung đỡ không thay đổi nhiều, cụ thể như trong biểu sau:

 

Đến ngày 31/12/2020 tôi đã thu thập được 1.873 bản tin Dự báo sóng biển, nhân ngày cuối năm tôi xin đưa ra một số biểu kết quả tính toán để các bạn tham khảo:









Đối với những vùng biển từ Ninh Thuận trở ra gió bão mạnh hơn nhiều, muốn khung đỡ chắc chắn hơn cần thỉnh thoảng bổ sung thêm 1 cụm 4 cột chống về phía trước hoặc phía sau rồi kết nối với khung đỡ. Đối với vùng biển có gió bão mạnh nhất là vùng biển Quảng Trị đến Quảng Nam, khung đỡ nên có dạng hình lượn sóng. Vì thế vốn đầu tư cho khung đỡ sẽ tăng thêm, tạm tính mức tăng thêm như sau: Vùng biển từ Thái Bình đến Nghệ An tăng thêm 20%, vùng biển từ Hà Tĩnh đến Quảng Bình tăng thêm 25%, vùng biển từ Quảng Trị đến Quảng Nam tăng thêm 30%, vùng biển từ Quảng Ngãi đến Ninh Thuận tuy gió bão có nhẹ hơn nhưng vẫn tăng thêm 30% do đáy biển rất dốc, rất khó tìm được nơi thuận lợi cho việc dựng khung đỡ của điện sóng biển. Khi đó ta có kết quả tính toán như sau: