Lãnh đạo địa phương từ phát điện sóng, xây dựng đến vận hành và sử dụng điện của các công ty Kamaishi
Tận dụng “lỗ hổng” trên đê chắn sóng để quay tua-bin nhờ chuyển động thẳng đứng của sóng
Tại lối vào của một bến cảng ở Thành phố Kamaishi, Tỉnh Iwate, một góc của bờ biển Sanriku, một thí nghiệm trình diễn tạo ra điện bằng sức mạnh của sóng đã bắt đầu (Hình 1).
Hình 1 Tình trạng của cơ sở trình diễn
(Nguồn: Năng lượng biển)
Là một nguồn năng lượng tái tạo độc đáo của Nhật Bản, một quốc đảo, năng lượng sóng biển đang được nghiên cứu và phát triển như một trong những nguồn năng lượng hứa hẹn trong tương lai.
Trong số đó, sáng kiến ở Thành phố Kamaishi là do các công ty địa phương đưa ra và đang tiếp tục một cách nhiệt tình. Nó được định vị là nhà máy điện cục bộ của vùng, cho khu vực.
Nó đang được thúc đẩy bởi Marine Energy, được thành lập bởi bốn công ty có trụ sở tại thành phố Kamaishi. Các nhà đầu tư bao gồm Oikawa Komuten, chuyên về kỹ thuật dân dụng hàng hải, Kosaba Shipbuilding Co., Ltd., chuyên về đóng tàu, I-Den, chuyên xây dựng thiết bị điện và truyền thông, cũng như gia công và các sản phẩm liên quan như nhựa gia cường sợi (FRP) ) và kim loại. Đó là Eiwa.
Từ lâu, tôi đã quan tâm đến việc sử dụng năng lượng sóng và sau trận động đất lớn ở phía đông Nhật Bản năm 2011, thành phố Kamaishi và tỉnh Iwate đã bắt đầu làm việc trên một nguyên mẫu vào năm 2012. Vào năm 2014, nó đã được Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO) thông qua như một dự án nghiên cứu và phát triển, và vào năm 2015, Kamaishi ngoài khơi đã được chọn làm trường trình diễn năng lượng tái tạo biển.
Sau đó, Marine Energy được thành lập vào năm 2018 và cuộc trình diễn này đang được thực hiện như một phần của dự án trình diễn của Bộ Môi trường.
Marine Energy sử dụng một hệ thống phát điện sóng gọi là "lỗ thổi" cho cuộc trình diễn này.
Lỗ phun nước là một lỗ trên đá ven biển do xói mòn sóng. Áp lực của sóng đẩy nước lên mặt đất. Sử dụng hiện tượng này, chuyển động lên xuống của sóng làm cho không khí chảy qua lại trong lỗ kéo dài và áp suất không khí này làm quay một máy phát tua-bin để tạo ra điện.
Đại học Tokyo, nơi có kiến thức về phương pháp này, đang dẫn đầu nghiên cứu và trình diễn ở thị trấn Echizen, tỉnh Fukui. Trong cuộc biểu tình ở bờ biển Echizen, một hố phun nước được hình thành bằng cách đào một cái lỗ trên nền đá của bờ biển. Đại học Tokyo cũng tham gia vào các khía cạnh kỹ thuật của cuộc biểu tình ở thành phố Kamaishi.
Theo Shuichi Izumi, Giám đốc đại diện của Năng lượng biển (Chủ tịch của Oikawa Komuten), phương pháp đào hố trên nền đá của bờ biển này là không thực tế trong môi trường thành phố Kamaishi. Thay vào đó, anh tận dụng môi trường độc đáo của Kamaishi. Đó là đê chắn sóng ở cửa cảng Kamaishi tồn tại trước trận động đất lớn ở phía Đông Nhật Bản (Hình 2).
Hình 2 Sử dụng đê chắn sóng
(Nguồn: Năng lượng biển)
Trong trận động đất lớn ở phía Đông Nhật Bản, "sóng" đã gây ra thiệt hại to lớn cho khu vực, nhưng trong tương lai, chúng tôi tin rằng chúng sẽ có thể được sử dụng hiệu quả làm năng lượng. Hy vọng rằng điều này sẽ giúp hồi sinh nền kinh tế địa phương và tạo ra thuê người làm.
Đê chắn sóng này được cho là sâu nhất và lớn nhất thế giới. Nó có cấu trúc với các lỗ dọc và ngang để giảm lực của sóng.
"Dùng chỗ này làm lối vào lỗ phun nước." Mặc dù cuối cùng nó đã bị phá hủy vào thời điểm xảy ra trận động đất lớn, nhưng nó có tác dụng làm giảm độ cao của sóng và trì hoãn thời gian ập đến khi sóng thần vượt quá mong đợi đến khu vực ven biển.
Có rất nhiều đê chắn sóng như vậy dọc theo bờ biển ở Nhật Bản và trên thế giới, ngay cả khi chúng không phải là đê chắn sóng lớn nhất thế giới như Kamaishi. Nếu nó có thể được đưa vào sử dụng thực tế ở Kamaishi, nó có thể lan rộng ra các khu vực ven biển có đê chắn sóng tương tự.
Hoạt động của cơ sở phát điện bắt đầu vào tháng 7 năm 2022. Các lỗ thông hơi và cấu trúc đóng vai trò là đường dẫn khí được đặt trên cấu trúc bê tông có lỗ ở phía đại dương của đê chắn sóng (Hình 3). Tua bin và các thiết bị phát/truyền tải điện khác, và buồng lái của người vận hành được đặt trên kết cấu bê tông ở phía trong đất liền.
Hình 3 Trạng thái tại thời điểm cài đặt
(Nguồn: Marine Energy, ảnh thứ 2 là Oikawa Construction)
Bấm để mở ảnh phóng to
Có vẻ như đã có rất nhiều khó khăn và khéo léo trong việc thiết kế và lắp đặt thiết bị phát điện, một phần vì chưa có tiền lệ thiết bị được gắn vào đê chắn sóng.
Về cấu trúc, Bộ Đất đai, Cơ sở hạ tầng, Giao thông và Du lịch yêu cầu một tiêu chuẩn cho các công trình cảng, và cũng có những điều kiện riêng để lắp đặt trên đê chắn sóng. Đê chắn sóng, với tư cách là thiết bị bảo vệ tính mạng và tài sản của con người, phải tuân theo các điều kiện nghiêm ngặt.
Có vẻ như sẽ cần phải sửa đổi các luật liên quan đến các quy định và giấy phép này để sử dụng thực tế.
Ví dụ, khi đặt một cấu trúc đóng vai trò lỗ thông gió hoặc đường dẫn khí lên trên kết cấu bê tông có lỗ ở phía đại dương của đê chắn sóng, thì không thể sửa đổi cấu trúc ở phía đê chắn sóng. Bạn có thể chỉ cần "đặt".
Do đó, để tránh hư hỏng đê chắn sóng, người ta đã đặt một vật liệu đệm cao su đặc biệt, và đặt một khung thép chữ H nặng khoảng 50 tấn lên trên và cố định ở đó. Vật liệu làm đệm cao su này đắt khoảng 300.000 yên/chiếc.
Bu lông neo, v.v. được phép đưa vào khu vực được bao phủ bởi cấu trúc bê tông ở phía trong đất liền. Bệ được cố định ở đây.
Một công ty ở thành phố Kamaishi có thể đảm nhận tất cả việc thiết kế và xây dựng các thiết bị phát điện, ngoại trừ tuabin. Tua bin được sản xuất bởi một công ty ở Mizusawa, thành phố Oshu, tỉnh Iwate và đã được thực hiện trong tỉnh.
Sự tích tụ của các công nghệ như vậy trong khu vực là do có nhiều công ty có khả năng công nghệ liên quan đến tàu và đại dương hướng ra biển. Ngoài ra, còn có Kamaishi Works của Nippon Steel, và thực tế là có nhiều công ty có công nghệ liên quan đến thép được cho là có nền tảng.
Lần này, hai loại tua-bin đã được sử dụng trong cơ sở phát điện trình diễn đã được lắp đặt (Hình 4). Một tuabin có thể tạo ra điện hiệu quả khi có sóng cao và một tuabin có thể tạo ra điện một cách hiệu quả khi có sóng thấp. Điều kiện sóng thay đổi theo từng thời điểm, vì vậy chúng tôi nhắm đến một cơ sở có thể tạo ra năng lượng hiệu quả hơn tùy theo điều kiện sóng.
Hình 4 Sử dụng hai loại tuabin tùy theo điều kiện sóng
(Nguồn: Marine Energy, ảnh thứ 2 là Oikawa Construction)
Tùy thuộc vào điều kiện sóng, một van (van không khí) được sử dụng để chuyển đổi tuabin mà không khí đi qua. Việc chuyển đổi tua-bin được điều khiển tự động dựa trên phán đoán của trí tuệ nhân tạo (AI) dựa trên điều kiện sóng.
Sản lượng của cơ sở phát điện là 19,9 kW. Ban đầu, thiết kế được thực hiện với giả định là 40 kW, nhưng nó đã được thay đổi thành 20 kW ở giai đoạn giữa.
Điều này một phần là do đây là cơ sở có ít tiền lệ và người ta chỉ ra rằng các điều kiện để kiểm tra sẽ thay đổi sau khi 20 kW được tiếp tục thiết kế và sản xuất.
Khi chúng tôi bắt đầu phát điện, chúng tôi nhận thấy rằng có những thời điểm chúng tôi có thể tạo ra điện ở công suất cao và những thời điểm thì không, ngay cả khi những đợt sóng lớn đang đến.
Ví dụ, một cơn bão mạnh đã đi qua vào đầu tháng Mười. Tại thời điểm này, chúng tôi dự kiến sẽ phát điện gần hết công suất, nhưng công suất tối đa chỉ là 9,98 kW.
Điều này là do mặc dù sóng cao nhưng chúng không tương thích với hướng của sóng. Theo cách này, đầu ra bị ảnh hưởng rất nhiều bởi khả năng tương thích với hướng sóng.
Hàng năm, từ tháng 12 đến tháng 1, tại khu vực này xảy ra một hệ thống áp thấp mạnh gọi là "Bão Giáng sinh", thường đi qua bờ biển Sanriku đến quần đảo Kuril. Sóng được tạo ra vào thời điểm này dường như tương thích với thiết bị phát điện, vì vậy chúng tôi mong đợi tác động tích cực đến việc phát điện.
Vì những lý do này, khi bắt đầu kinh doanh, không chỉ điều kiện địa hình và đại dương, mà cả các cấu trúc như lỗ thông gió có chiều rộng 1 m và đường dẫn khí cũng được sử dụng để kiểm tra mối quan hệ với xu hướng sóng tại địa điểm trong khoảng thời gian khoảng một năm .Tôi nghĩ rằng nó cần phải được điều tra.
Trong phần trình diễn hiện tại, chúng tôi đang theo dõi từ xa không chỉ lượng điện năng được tạo ra mà còn cả tình trạng của các ổ trục.
Nguồn điện được tạo ra được lưu trữ trong pin lưu trữ và ngoại trừ nguồn điện được sử dụng để theo dõi và điều khiển thiết bị phát điện, nó được chuyển đổi thành 400V AC và truyền đến đài quan sát trên đất liền (Hình 5). Một dây cáp ngầm dài khoảng 1,5 km đã được đặt để truyền tải điện năng này.
Hình 5 Đài quan sát trên đất liền
(Nguồn: Nikkei BP, ảnh thứ 3 là Oikawa Construction)
Từ đài quan sát trên cạn, điện áp được hạ xuống 200V và truyền đến máy bơm cho cơ sở nuôi bào ngư. Ngay từ đầu, chúng tôi đã hình dung ra sự hợp tác với ngành thủy sản và ngành thủy sản, đồng thời đang tiến hành với sự hợp tác của các bên liên quan tại địa phương và các nhà nghiên cứu nuôi trồng thủy sản.
Thiết bị trình diễn được thiết kế sao cho có thể tạo thành nhiều khối nhất có thể, lắp ráp tại cảng Kamaishi, vận chuyển bằng tàu và lắp đặt. Cổ phần của Marine Energy bao gồm các công ty đóng tàu và kỹ thuật ngoài khơi, chế tạo, vận chuyển và lắp đặt các sản phẩm đó trong tầm tay.
Trong tương lai, nó dường như có khả năng mở rộng cao, chẳng hạn như tăng sản lượng tương đối dễ dàng bằng cách thêm một cái khác bên cạnh.
Ngoài ra, có thể cấu hình nó với cấu trúc nhỏ hơn, và trong khi toàn bộ được tiêu chuẩn hóa, dễ dàng thiết kế, sản xuất và lắp đặt theo tình hình đê chắn sóng ở mỗi nơi.
