NewYork Paris Hà Nội Khách thứ :

NIỀM TIN TƯƠNG LAI

     

Tích lũy để làm chủ Năng Lượng Gió , tại sao không - KS Trần Đình Bá

LTS : Ngày 20-6-2008 tại Viện Vật lý TP HCM thuộc Viện Khoa học và công nghệ VN , hội thảo CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG VIỆC TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG GIÓ , KS Trần Đình Bá đã trình bày phát minh sáng chế “ Tích lũy để làm chủ năng lượng gió bằng vô lăng (bánh đà) - ACCUMULATING, CONTROLLING AND MONITORING WINDY POWER BY USING FLYWHEEL “. Đề tài đã làm sôi nổi cuộc hội thảo với những tranh luận “khả thi hay không ” ….giữa bối cảnh năng lượng tòan cầu cũng đang “ hot “ .

Để rộng đường dư luận,có thêm thông tin cho các nhà khoa học - công nghệ tham khảo ,phản biện , hợp tác tòa sọan xin đăng bài viết này của chính tác giả !

Nhân loại đang trong cơn khát năng lượng giữa lúc niềm mong đợi về năng lượng Nhiệt hạch “ chiếc bánh rất to” vẫn đang ….nằm trên giấy trong khi nguồn năng lượng gió được các nhà khoa học đánh giá là rất dồi dào có khắp mọi nơi , trong tầm tay của tất cả mọi người , mọi nhà , trên khắp tòan cầu . Ai cũng thấy được năng lượng gió rất lớn , rất sạch , không mất tiền mua nhưng do đặc tính ngẫu nhiên “tinh nghịch và ma quái” đang thách đố nhiều nhà khoa học và nhiều viện nghiên cứu … Làm chủ năng lượng gió là khát vọng muôn thuở của loài người ! Thu được gió ,tích lũy để tinh luyện , làm giàu , làm chủ , kiểm sóat chế ngự được năng lượng gió là một thách thức lớn không kém việc nghiên cứu để kiểm soát được năng lượng nhiệt hạch .

Gió là dòng chuyển động của không khí do mặt trời thường xuyên truyền nhiệt lượng , ánh sáng xuống gây chênh lệch áp suất , nhiệt độ giữa các vùng miền không đều .

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc V. Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.

Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:

Công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió , ở nơi tốc độ gió càng cao thì nhận được năng lượng càng nhiều .

Sau khi thu thập hơn 8.000 tài liệu về gió trên mọi lục địa, nhà nghiên cứu Christina Archer và Mark Jacobson thuộc ĐH Stanford –Hoa Kỳ đã tạo ra một bộ bản đồ về năng lượng gió của thế giới cho biết gió có thể tạo ra 72 terawatt (72 nghìn tỷ watt) điện năng, gấp 40 lần tổng sản lượng điện mà mọi quốc gia trên tòan cầu sử dụng trong năm 2000. Nếu khai thác chỉ 20% tổng số này, nó sẽ thoả mãn mọi nhu cầu năng lượng của thế giới.

Thế nhưng gió có khi đứng yên , tốc độ thấp ở mức dưới 0.1 mét / giây và có khi đạt đến hàng trăm km/h mang năng lượng khủng khiếp với sức tàn phá bằng nhiều trái bom nguyên tử .

Ý tưởng dùng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện, song so với nguồn tài nguyên vô tận thì việc khai thác năng lượng đó hiện nay mới chỉ đạt khoảng 3-5% nhu cầu điện năng .

Vì gió thổi không đều nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được đảm bảo khi kết hợp với các nguồn năng lượng hổ trợ khác như điện diezen, điện lưới quốc gia để không bị gián đọan do tính ngẫu hứng .

Biện pháp điện gió dùng bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió rất phức tạp , vừa tốn kém ,tác động vào thiên nhiên vì phải xây hồ nước trên các đỉnh núi cao.

Biện pháp lưu trữ năng lượng gió bằng cách chuyển hóa năng lượng điện dôi dư điện phân nước để thu nén khí hyđrô làm năng lượng khi mất gió , song cách làm này phức tạp ,tốn kém nên chưa được áp dụng rộng rãi .

Biện pháp tích điện gió vào các bình ắc quy đã thực hiện được song cống suất nhỏ, không đáp ứng nhu cầu sử dụng .

Như vậy , nhân lọai vẫn chưa làm chủ được năng lượng gió vì chưa tích lũy được gió vào những “ kho chứa “ như các lọai nhiên liệu nguyên tử , hóa thạch , thủy điện sinh học …để sử dụng theo ý muốn của con người .

Vì vậy việc nghiên cứu để tich lũy làm chủ được năng lượng gió vẫn đang thách thức các nhà khoa học và các viện nghiên cứu .

Tích lũy để làm chủ năng lượng cơ học của gió bằng bánh đà là sáng tạo dựa trên thành ngữ “ góp gió thành bão “ của người Việt Nam !

Gió có khắp mọi nơi ,lại không tốn tiền mua , gió là nguồn năng lượng đặc biệt nhất với đặc tính quý giá là dể dàng biến vật thành chuyển động quay mà các nguồn khác như nguyên tử , nhiên liệu hóa thạch , hóa học , sinh học không thể có được do phải trải qua quá trình khai thác , tinh luyện , điều chế , phản ứng đốt nhiên liệu , qua hơi nước , xi lanh, thanh truyền ,trục khỉu …

Chỉ cần một cánh quạt để ra trước gió là tức khắc có ngay một động cơ trục thẳng thực hiện chuyển động quay mà không qua bất kỳ một bước trung gian nào ,công suất có thể được lấy tối đa là 59,3% năng lượng trong luồng gió đi qua cánh quạt . Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz do Albert Betz tìm ra vào năm 1926 . Như vậy hiệu suất năng lượng gió vẫn cao hơn so với tất cả các động cơ dùng nhiệt năng .

Quan sát về việc hình thành những cơn bão trong thiên nhiên để có thể “bắt được gió” tích lũy vào kho dưới dạng vật chất đó là “kho năng lượng cơ học “ bằng các dùng “ pháp thuật “ gom gió , chúng ta sẻ thu được công năng trong những làn gió nhỏ lẻ để hợp lại tạo thành những nguồn năng lượng lớn tương đương những cơn siêu bão trong thiên nhiên .

“ Góp gió thành bão “ là bí quyết để tích lũy giống như con người đã tích nước từ những khe suối nhỏ để thành hồ thủy điện lớn để làm chủ . Việc “ xây hồ “ để “tích gió “ như tích nước …không thể thực hiện được do gió dễ dàng khuếch tán lan tỏa nhưng lại dễ dàng biến thành chuyển động quay, trong khi đó bánh đà lại dự trử được năng lượng dưới dạng chuyển động quay nên dễ dàng “ cộng hưởng “ cưỡng bức năng lượng gió truyền được vào bánh đà , đó là bí quyết của phát minh sáng chế !

Theo Bách khoa tòan thư : Báng đà ( còn gọi là vô lăng ), là bánh quay có khối lượng lớn, năng lượng quán tính quay lớn. Khi máy làm việc, nếu gặp lực cản biến đổi đột ngột lớn lên thì năng lượng quán tính sẽ là đà hỗ trợ máy phát động lực vượt qua; nếu lực cản biến đổi bé đi, BĐ sẽ tích luỹ năng lượng thừa của máy phát động lực. BĐ được dùng trong các động cơ pít tông, máy nén khí, máy bơm, máy đột dập, đó là những máy mà trục chính thường có mômen quay không đều nên cần dùng BĐ để làm cho máy chuyển động đều theo nguyên lí nêu ở trên…. BĐ còn có tác dụng khởi động động cơ dễ dàng và bảo đảm cho động cơ vẫn chạy ở số vòng quay bé hoặc dẫn động công suất nhỏ.

Định nghĩa trên cho thấy , xưa nay bánh đà là một thiết bị dùng cho động cơ chỉ mang tính hổ trợ mà chưa hề có một nhà kỹ thuật nào đặt vấn đề đưa bánh đà vào để để tích trử điều khiển và làm chủ năng lượng gió giống như người ta dự trử năng lượng cơ học cho đồng hồ bằng dây cót hay lò xo , vì vậy con người hòan tòan lệ thuộc vào thiên nhiên , chỉ khai thác được những cơn gió mạnh đủ số vòng quay để phát ra điện năng mà thôi, hòan tòan “bó tay “ khi gió yếu hoặc mất gió và cũng cam chịu đứng nhìn năng lượng khủng khiếp của những trận siêu bão tàn phá mà không thu giữ được nó để phục vụ con người . Đây là một thiệt thòi lớn cho nhân lọai !

Phát minh sáng chế đưa bánh đà để “ bắt giữ “ tích lũy được năng lượng gió theo đúng nguyên lý động lượng của Niu tơn :Nếu không chịu tác dụng bởi một tổng lực khác không thì một vật đang đứng yên sẽ đứng yên mãi mãi, và một vật đang chuyển động sẽ chuyển động … mãi mãi. Khi được tích năng , báng đà sẻ bảo tòan năng lượng theo đúng Định luật của Lômônôxốp : Năng lượng không tư nhiên xuất hiện và cũng không tự nhiên mất đi , nó chuyển từ dạng này sang dạng khác.

Khi năng lượng gió (Qg ) lớn hơn năng lượng bánh đà ( Qbđ ) tức Qg > Qbđ thì mô men quay của gió mặc nhiên khởi động bánh đà , như vậy năng lượng gió đã được truyền vào bánh đà và đã tích lũy năng lượng dưới dạng mô men quán tính .

Khi năng lượng trong bánh đà lớn hơn máy công cụ ( Qcc ) tức Qbđ > Qcc năng lương từ bánh đà sẻ truyền được vào máy công cụ .

Khi máy công cụ không họat động Qcc=0 năng lượng Qbđ trong bánh đà sẻ được bảo toàn theo những nguyên lý động lượng .

Mối liên hệ giữa gió với bánh đà và máy công cụ diễn ra như sau :

Khi Qg > Qbđ > Qcc

Năng lượng gió được truyền vào máy công cụ thông qua vô lăng và cả ba đều hoạt động .

Khi Qg = Qcc năng lượng cấp của gió bằng năng lượng tiêu hao thì năng lượng trong bánh đà vẫn được bảo tòan Qbđ = Constan .

Khi Qg < Qcc năng lượng cấp của gió nhỏ hơn năng lượng công cụ tiêu thụ thì năng lượng trong bánh đà ( Qbđ ) sẻ được lấy ra cấp cho máy công cụ .

Khi Qg > Qcc Năng lượng cấp của gió lớn hơn năng lượng công cụ thì phần dư của năng lượng gió được tiếp tục tích vào bánh đà .

Khi mất gió Qg = 0 máy công cụ vẫn họat động bình thường nhờ lấy được năng lượng được tich trong bánh đà ( Qbđ ) .

Như vậy con người đã thực hiện được việc “ bắt được gió “ tích lũy được năng lượng gió dưới dạng năng lượng vật chất trong bánh đà .

Những khi gió yếu, Qg < Qbđ > Qcc thì khó có thể truyền được năng lượng Qg của cánh quạt gió vào bánh đà ..theo nguyên lý thế năng, để tích được năng lượng của gió vào được bánh đà chúng ta vẫn thực hiện được bằng cách khuếch đại vận tốc của trục quay cánh quạt gió (Vg) để cho :

Vg > Vbđ

( Vbđ là tốc độ vòng quay của bánh đà )

Lúc này , vận tốc của trục quay cánh quạt gió sẻ cưỡng bức bánh đà tăng tốc để Vbđ = Vg

Như vậy năng lượng của trục quay cánh quạt gió đã truyền được vào bánh đà Qbđ ( t2 ) = Qbđ ( t1 ) + Qg , như vậy Qbđ ( t2 ) > Qbđ ( t1 )

t1 là thời gian đầu , t2 là thời gian sau .

Việc thực hiện khuếch đại tốc độ vòng quay của trục chong chóng gió qua ly hợp và hộp số . Quá trình tích năng diễn ra liên tục nên năng lượng Qbđ ngày càng lớn để cho Qbđ >>> Qcc . Nhưa vậy con người đã có cả một „kho“ năng lượng gió . Cách làm này cho phép chúng ta khai thác được trong bất kỳ tình huống gió mạnh hay yếu ,không khác gì một hồ thủy điện được tích nước từ những khe suối rất nhỏ để tạo hồ lớn .

Như vậy , bánh đà vừa làm thiết bị hổ trợ cho động cơ ổn định , vừa trở thành kho chứa năng lượng kỳ diệu để con người thực hiện quyền làm chủ năng lượng gió . Khác với những bồn chứa nhiên liệu dầu mỏ , hóa chất, nguyên liệu phóng xạ uranium …. được xây dựng hết sức kiến cố , tốn kém , rất dễ xẩy ra hỏa hoạn và rò rỉ phóng xạ …hay những đập thủy công chứa nước khổng lồ chiếm nhiều diện tích canh tác ….nhưng lại hết sức nguy hiểm đe dọa sự sống vùng hạ lưu ….thì năng lượng cơ học được chứa trong bánh đà dự trử được rất nhiều mà lại rất an tòan .

Đây là bí quyết để con người thỏa sức khai thác , tích lũy được càng nhiều năng lượng gió càng tốt để bảo quản làm giàu trong bánh đà , cho phép con người khai thác gió trong những trận siêu bão để sử dụng lâu dài giống như tích nước vào một đập thủy điện siêu lớn trong những trận lũ lớn nhưng an tòan hơn nhiều các con đập thủy công – thủy điện . Như vậy , việc tích lũy năng lượng gió có thể xây dựng khắp mọi nơi mà không phụ thuộc vào bản đồ năng lượng gió .

Việc chế tạo và vận hành bảo dưỡng bánh đà hết sức đơn giản , chỉ là một khối kim loại có hình trụ đồng trục đặt trên 2 gối đỡ làm bằng vòng bi chịu được sự phá họai của lực li tâm khi ở tốc độ cao . Bánh đà có vận tốc càng lớn thì năng lượng tích lũy càng lớn cho phép chúng ta có những bánh đà có khồi lượng nhỏ nhưng tích lũy năng lượng rất lớn theo vận tốc . Ví dụ một bánh đà có khối lượng 500 kg quay với vận tốc 900 vòng / phút có mức dự trử năng lượng gấp ba lần bánh đà đó quay với vận tốc 300 vòng /phút . Sức chứa năng lượng cơ học kỳ diệu trong bánh đà mở ra khả năng chế tạo những bánh đà có khối lượng lớn hàng chục , hàng trăm tấn quay với vận tốc cao để tích giữ được năng lượng khổng lồ trong những trận siêu bão tương đương nhiều hồ thủy điện lớn mà vẫn an tòan . Việc kiểm sóat năng lượng gió trong bánh đà dễ dàng thực hiện được trên máy đếm vận tốc để biết được năng lượng tích lũy và tiêu thụ .

Là bánh quay không sinh nhiệt , bánh đà đơn giản,không bị hao mòn , không cần làm mát , không gây tiếng ồn , không thải ra chất độc hại nên việc khai thác tích lũy năng lượng gió sẻ đặt bất kỳ vị trí nào trong bệnh viện , trường học , chợ búa , khách sạn , trên tàu thuyền ,trong nhà máy , trong lòng đất , lòng biển , lòng núi , trên bờ biển , hải đảo , trên các gò đồi , đỉnh núi …..

Xưa nay , việc làm ra điện gió rất thô thiển giống như người ta “ ăn tươi , nuốt sống “ gió mà không trải qua quá trình khai thác , tích lũy , chế biến làm giàu nhiên liệu …nên thiếu hấp dẫn .Với sáng chế này sẻ mở ra một cuộc cách mạng trong điện gió để hòan tòan chủ động trong tích lũy , kiểm soát và sữ dụng , không lệ thuộc vào thiên nhiên , vừa cải tiến hình dáng thiết bị để dễ dàng vận hành , bảo dưỡng , dễ dàng thi công lắp đặt .

Tích lũy được năng lượng gió là khát vọng lớn của con người , nguyên lý đã có song để thực hiện thành công cần có sự hợp tác giữa nhà nghiên cứu với các nhà công nghệ về cơ khí , tự động hóa … trong nước và quốc tế .

Gió là năng lượng tái sinh tuần hòan và tồn tại vĩnh cữu ,lớn hơn năng lượng nhiệt hạch , nguyên tử .Tích lũy để làm chủ năng lượng gió mở ra một triển vọng lớn khai thác đại trà trên toàn cầu cung cấp ngay một nguồn năng lượng sạch vô tận giải thoát cho nhân lọai khỏi cơn khủng hỏang năng lượng hiện nay và giảm thiểu biến đổi khí hậu do đốt nhiên liệu hóa thạch . Theo ngân hàng thế giới , Việt Nam có trử lượng điện gió lớn nhất Đông Nam Á, hy vọng phát minh sáng chế này sẻ tạo cho Việt Nam đi tiên phong khai thác , tích lũy năng lượng sạch – xanh và thực hiện hợp tác khoa học để nhân lọai thực hiện làm chủ năng lượng gió !