1. Mô hình sàn công nghệ nổi tích hợp điện sóng-gió-mặt trời

Mô hình này được đề xuất và nghiên cứu phát triển bởi SINN Power. Sàn công nghệ nổi trên biển này (tên quốc tế là S-Ocean) được thiết kế theo dạng mô-đun để tích hợp đồng thời công nghệ khai thác năng lượng sóng, gió và mặt trời [1]. Sàn công nghệ này được thiết kế để đặt ở khoảng không gian trống giữa các trụ tua-bin điện gió ngoài khơi nhằm tối ưu hóa việc khai thác không gian mặt biển (Hình 1).

Hình 1. Bố trí sàn công nghệ nổi Socean trong trang trại điện gió ngoài khơi

(Nguồn: SINN Power)

Sàn công nghệ này được chế tạo theo dạng mô-đun, các mô đun được chế tạo đồng loạt và ghép lại với nhau thành từng sàn công nghệ. Số lượng mô-đun và kích thước sàn công nghệ có thể thay đổi linh động theo điều kiện ứng dụng trong thực tế. Trên mỗi mô-đun của sàn công nghệ được bố trí các thiết bị khai thác năng lượng sóng, gió và mặt trời công suất nhỏ. Mô hình sàn công nghệ và cấu trúc của mỗi mô-đun được minh họa trên Hình 2.

Hình 2. Chi tiết mô hình sàn công nghệ nổi S-Ocean

Sàn công nghệ được giữ nổi trên biển nhờ các phao (hình tròn màu xanh non) được gắn trên từng mô-đun. Số lượng các phao nổi có thể tùy ý thay đổi phụ thuộc vào trọng lượng của các thiết bị gắn trên mô-đun và yêu cầu khoảng cách từ mặt nước đến bề mặt sàn công nghệ nổi. Các tấm pin quang điện (PV) được lắp đặt trên bề mặt của mô-đun, cách mặt biển khoảng 5m. Tại các trụ của mô-đun, thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng sử dụng công nghệ hấp thụ tại điểm (point observer technology) hoặc các tua-bin gió công suất nhỏ sẽ được gắn vào. Việc bố trí các trụ nào cho thiết bị nào sẽ dựa trên điều kiện thực tế của từng khu vực dự án để đảm bảo khai thác tối ưu các nguồn năng lượng tại đó. Từng mô-đun được thiết kế chuẩn với kích thước 12m x 12m x 6m (dài x rộng x cao). Mỗi phao nổi có đường kính 3,2m, trọng lượng 606kg với tổng lực nổi thiết kế cho mỗi mô-đun là 6000kg. Các tấm pin quang điện được thiết kế nghiêng theo hướng Đông-Tây với góc nghiêng 30 độ. Mô-đun được thiết kế để chịu được chiều cao sóng lớn nhất lên đến 20m và vận tốc gió lên đến 60m/s [1].

2. Mô hình điện gió ngoài khơi kết hợp điện sóng biển

Mô hình điện gió ngoài khơi kết hợp với điện sóng biển được quan tâm nghiên cứu nhiều trong khoảng 10 năm trở lại đây từ khi các dự án điện gió ngoài khơi thương mại trở nên phổ biến và công nghệ khai thác năng lượng sóng biển phát triển tiệm cận đến giai đoạn thử nghiệm thương mại. Mục đích của mô hình này là tận dụng tối đa việc khai thác điện tích mặt biển; tối ưu hóa hạ tầng dùng chung giữa điện sóng và điện gió ngoài khơi (hạ tầng truyền tải, dịch vụ O&M, sử dụng chung hệ móng tua-bin điện gió đối với điện gió ngoài khơi móng cố định và sử dụng chung hệ neo đối với điện gió ngoài khơi móng nổi…); gia tăng hiệu quả khai thác năng lượng của dự án.

Việc gia tăng hiệu quả khai thác năng lượng khi kết hợp giữa điện gió ngoài khơi và điện sóng đã được nghiên cứu thực nghiệm tại Vịnh Galway-Ireland. Việc thử nghiệm này đã chứng minh hiệu quả của việc tăng giá trị công suất nền của dự án khi kết hợp khai thác đồng thời giữa điện sóng và điện gió ngoài khơi. Kết quả thử nghiệm này được thể hiện trên Hình 3. Theo đó công suất nền nếu chỉ khai thác riêng biệt điện gió ngoài khơi và điện sóng sẽ lần lượt là 3MW và 8MW. Tuy nhiên khi kết hợp khai thác đồng thời năng lượng sóng và gió thì công suất nền đạt được là 15MW [2].

Hình 3. Hiệu quả khai thác năng lượng khi kết hợp giữa điện gió ngoài khơi và điện sóng biển. (Nguồn: SEABSED)

Xét về mặt bố trí không gian, tùy theo công nghệ điện gió ngoài khơi là “móng nổi” (FOWT) hay móng cố định mà các “thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng” (WEC) sẽ có các dạng công nghệ và cách bố trí phù hợp. Cụ thể, đối với các trang trại điện gió ngoài khơi móng nổi thì các WEC được đặt trong khu vực giữa các trụ tua-bin điện gió (Hình 4-a), các WEC có thể dùng hệ neo độc lập hoặc sử dụng chung hệ neo với các móng nổi của tua-bin điện gió. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng chung hệ neo giữa điện gió ngoài khơi móng nổi và điện sóng mới đang chỉ ở giai đoạn phát triển nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng. Ngoài ra, có một số công nghệ WEC được thiết kế tích hợp bên trong móng nổi của tua-bin điện gió ngoài khơi (Hình 4-b). Đối với các trang trại điện gió ngoài khơi móng cố định thì một số công nghệ khai thác năng lượng sóng sẽ sử dụng các móng cố định này như các trụ đỡ và sàn công nghệ cho các WEC (Hình 4-c), hoặc đơn thuần chỉ đặt trong khu nước giữa các trụ điện gió móng cố định và sử dụng hệ neo độc lập.

Hình 4. Các giải pháp kết hợp điện gió ngoài khơi với điện sóng biển

3. Các mô hình kết hợp khác

Phần trên đã trình bày hai mô hình phổ biến nhất kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo trên biển. Ngoài ra còn có một số mô hình kết hợp khác ít phổ biến hơn như: điện gió ngoài khơi kết hợp với điện thủy triều; điện nhiệt biển kết hợp với điện sóng. Lý do chính của các mô hình này ít phổ biến hơn là do các khu vực hội đủ tiêu chuẩn để áp dụng kết hợp các dạng năng lượng này không nhiều nên việc đầu tư nghiên cứu phát triển chỉ có giới hạn nhất định.

Mô hình điện gió ngoài khơi kết hợp với điện thủy triều được thực hiện theo hai giải pháp. Giải pháp thứ nhất là các tua-bin khai thác năng lượng thủy triều dạng dòng chảy được gắn vào móng của tua-bin gió. Giải pháp này chỉ áp dụng phù hợp với các khu vực có độ sâu từ 20m-50m và móng tua-bin gió là loại móng cố định dạng trụ đơn (monopile) hoặc trụ 3 chân cải tiến (tripod). Giải pháp thứ hai là các trụ tua-bin gió móng cố định được gắn cùng với hệ thống khai thác năng lượng thủy triều tích hợp giữa thế năng (đập thủy triều) và động năng (dòng chảy thủy triều)-có tên quốc tế là Dynamic Tidal Power (DTP). Giải pháp này áp dụng cho khu vực biển hở và cần xây dựng công trình cứng dạng chữ T vuông góc với bờ và kéo dài ra xa bờ tới 15-25km hoặc kết hợp công trình nối bờ với đảo ngoài khơi tạo thành dạng chữ T. Giải pháp này đã được nghiên cứu phát triển tại Trung Quốc, Hàn Quốc và Châu Âu từ năm 2008 [3], tuy nhiên đến hiện nay mới dừng lại ở giai đoạn hoàn thiện lý thuyết, mô phỏng và thiết kế mô hình giả định (concept model) . Giải pháp này được minh họa trên Hình 5.

Hình 5. Mô hình kết hợp công nghệ khai thác năng lượng thủy triều dạng DTP và điện gió ngoài khơi. (Nguồn: New Civil Engineer)

Ngoài ra, đối với việc kết hợp khai thác giữa sóng biển và nhiệt biển, tình hình hiện tại cho thấy rằng dù công nghệ khai thác năng lượng nhiệt biển (OTEC) đã được xây dựng thử nghiệm ở một số quốc gia như Nhật Bản, Mỹ (Hawaii), Pháp, Hàn Quốc, Trung Quốc tuy nhiên việc nghiên cứu kết hợp giữa nhà máy khai thác năng lượng nhiệt biển với năng lượng sóng mới chỉ được bắt đầu một số năm gần đây khi công nghệ điện sóng được đầu tư nghiên cứu nhiều hơn. Mô hình kết hợp này thường áp dụng công nghệ sóng dạng suy hao (Attenuators) hoặc công nghệ điện sóng nổi tràn qua mặt (Floating Overtoping Devices) để vừa khai thác năng lượng sóng vừa giảm lực tác động của sóng lên thiết bị OTEC được đặt ở các khu vực có độ sâu lên tới xấp xỉ 1000m để có được mức chênh lệch nhiệt độ cần thiết đảm bảo cho các thiết bị OTEC hoạt động hiệu quả [4], [5]. Việt Nam là một trong những nước thuộc các khu vực có tiềm năng khai thác năng lượng nhiệt biển [6], do đó mô hình này cũng cần thiết được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam trong tương lai.

Thực hiện: Trần Hữu Nghị

Tài liệu tham khảo: