Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ ba, 26/05/2009 16:34 (GMT+7)

Từ quan sát cá bơi đến phát điện bằng dòng nước chảy

Gần đây có một cách phát điện rất mới cần dòng nước nhưng không cần chảy mạnh, nước không cần trực tiếp tạo ra chuyển động quay vẫn phát điện được rất tốt. Loại máy phát điện này có tên là VIVACE do giáo sư M. Bernitsas ở đại học Michigan sáng chế ra, hoạt động theo một nguyên tắc rất mới: dao động nhờ dòng xóay.

1. Quan sát cá bơi

Hình 2. Một hình trụ trên các lò xo đặt trong dòng nước chảy ở VIVACE
Hình 2. Một hình trụ trên các lò xo đặt trong dòng nước chảy ở VIVACE

Trước hết ta chú ý con cá bơi ở dòng nước chảy. Cá thường có hai vây nhỏ ở trước bụng, trên lưng và sau đuôi là các vây to. Khi bơi ngược dòng nước, cá không phải vẩy mạnh hai vây nhỏ ở trước để tiến lên mà luôn uốn mình vẫy đuôi qua lại. Có vẻ như vậy cá mới tiến lên nhanh và thực sự quan sát thì thấy cá lội ngược dòng nhanh rất nhiều hơn ta tưởng. Để dễ quan sát người ta thêm vào nước những bọt khí nhỏ và đặt hòn đá cuội giữa dòng nước chảy mạnh. Nhờ có bọt khí nên thấy rất rõ phái trước dòng sau hòn đá là một dãy các xoáy nước tương đối có trật tự (hình 1), các xoáy rẽ dần ra hai bên, xoáy thứ nhất ở bên này, xoáy vòng theo chiều ngược lại và cứ thế tiếp tục. Người ta gọi đây là đường các xoáy Karman(Karman vortex street). Thả vào đấy một con cá cho nó bơi ngược dòng thì con cá cứ uốn đuôi lách qua lách lại giữa các xoáy sao cho chiều của các xoáy xứ đẩy cá về phía trước. Quan sát tỉ mỉ thì thấy cá còn nhịp nhàng lúc hơi phồng vẩy ra lúc co lại để hiệu quả của lực đẩy của các vòng xoáy tốt hơn.

Đối với dòng nước chảy không có vật chướng ngại như kiểu hòn đá cuội, cá cũng biết lợi dụng các vòng xoáy do nước chảy qua đầu và phần trước của thân cá gây ra và uốn đuôi qua lại để lợi dụng lục đẩy của các vòng xoáy. Ngay cả khi nước đứng yên, cá bơi cũng không phải chỉ dùng hai vây nhỏ đằng trước để ve vẩy tiến lên mà luôn dùng mình và đuôi uốn lượn qua lại tạo ra dòng xoáy để bơi được nhanh.

Như vậy sau các từ quen thuộc cá lượn, cá lội tung tănglà hiện tượng dòng xoáy không phải chỉ xảy ra ở trong nước, rất nhạy cảm với loài cá mà là có cả ở trong không khí, rất nhạy cảm đối với loài chim và cả đối với loài người khi sử dụng máy bay, khi gặp gió to, bão lớn…

2. Hiện tượng dao động do dòng xoáy VIV

Hình 3. Bố trí, tính toán về lực để hình trụ dao động
Hình 3. Bố trí, tính toán về lực để hình trụ dao động
Đã hơn 25 năm nay có những nhóm kỹ sư nghiên cứu rất kỹ hiện tượng dao động do dòng xoáy gây ra, gọi tắt là VIV (Vortexx inđuce vibrations). Chính hiện tượng này đã làm phá hỏng một cái cầu ởbang Washington (Mỹ) năm 1940 và 3 cái tháp làm lạnh ở nhà máy điện Ferrybridge ở Anh năm 1965. Phân tích kỹ nguyên nhân tại sao gió không mạnh lắm mà cầu sập, tháp đổ người ta thấy rằng căn nguyêncủa vấn đề rất giống như ở hiện tượng mà đàn cá đã biết lợi dụng để bơi nhanh ngược dòng chảy. Khi có gió mạnh thổi qua các cột tròn thì có các dòng xoáy không khí sinh ra làm cho cột tròn dao động.Nếu không may tần số dao động này phù hợp với tần số dao động riêng của cái cột thì hiện tượng cộng hưởng sinh ra, gió không quá to mà cột vẫn đổ. Gây ra tai hoạ chính là dòng xóay không khí. Rútkinh nghiệm trong thiết kế xây dựng các cột cao, đặt biệt các cột ống khói bằng thép, cột dây cáp treo…, người ta phải chú ý tránh không để xảy ra hiện tượng cộng hưởng có hại khi gió thổi. Nhiều khiphải làm thêm các chi tiết để thay đổi tần số riêng của các cơ cấu, thay đổi tần số của dao động do xoáy sinh ra.

3. Máy phát điện VIVACE

Nhưng thú vị hơn cả là công trình mới đây của các nhà khoa học ở Đại học Michigan (Mỹ) đứng đầu là giáo sư Michael M. Bernitsas. Ở đây không phải là tìm cách tránh tác dụng có hại của dao động do dòng xoáy gây ra VIV mà là tranh thủ lợi dụng VIV để làm ra máy VIVACE có nghĩa là máy phát điện từ dòng nước chảy tạo ra năng lượng sạch (Vortex Inđuce Vibrations Aquarel Clean Energy – năng lượng sạch lấy từ nước nhờ những dao động do cảm ứng với dòng xoáy).

Máy phát điện gồm những hình trụ trơn hai đầu treo trên các lò xo, tất cả đặt trong dòng nước chảy. Khi dòng nước gặp phải hình trụ chặn ngang, các xoáy nước sinh ra làm cho ở phía dưới dòng có các dãy các xoáy nước Karman. Nhưng việc sinh ra dãy các xoáy nước này lại là tác dụng ngược lại trên hình trụ những lực. Người ta lợi dụng các lực này, bố trí cho hình trụ dao động (hình 2 và hình 3).

Hình 4. Máy phát điện VIVACE gồm hệ các hình trụ dao động đặt trong dòng nước chảy.
Hình 4. Máy phát điện VIVACE gồm hệ các hình trụ dao động đặt trong dòng nước chảy.

Năng lượng của dòng nước chảy đã chuyển thành năng lượng dao động của hình trụ. Máy phát điện gồm nhiều hình trụ xếp theo kiểu bậc thang, đặt trong dòng nước chảy thu gom năng lượng dao động của các hình trụ rồi biến năng lượng dao động cơ này thành năng lượng điện (hình 4). Điều đặc biệt của máy VIVACE là dòng nước chảy rất chậm, vào cỡ trên 0,4 m/giây là chạy được trong lúc đối với máy phát điện chạy bằng sức nước thông thường, tối thiểu nước chảy phải nhanh hơn gần gấp 10 lần mới phát điện được.

Một đặc điểm quan trọng nữa của máy VIVACE là tất cả các hình trụ đều đặt chìm dưới nước, không nhô lên trên mặt nước choán chỗ, không cần phải đắp đập be bờ cho dòng nước chảy mạnh. Có thể đặt máy ở dưới sông, đặc biệt có thể đặt ở ngoài biển lợi dụng các dòng hải lưu. Tính toán ra thì với dòng nước chảy trung bình, chỉ cần vài hìnht rụ nằm theo hình bậc thang thả xuống dày nước là đủ để cấp điện cho một con tàu đang thả neo hay một ngôi nhà trên mặt nước. Nếu đủ độ sâu để thả xuống được một hệ thống hình trụ, xếp theo hình bậc thang kích cỡ bằng ngôi nhà nhỏ hai tầng thì điện có thể cung cấp dùng cho 100.000 hộ.

Giá thành về điện VIVACE này khá rẻ cỡ 5,5 xu/kWh (một đô la bằng 100 xu kWh là kilôat giờ). Để dễ so sánh, ta biết rằng năng lượng điện gió cỡ 6,9 xu/kwh, năng lượng điện Mặt trời cỡ từ 16 - 48 xu/kWh. Trong năm 2009, sẽ có một máy VIVACE phát điện thí điểm đặt ở song Detroit ở Mỹ bắt đầu hoạt động.

Từ học tập con cá bơi đến làm ra điện một cách đơn giản nhờ dòng nước chảy là như vậy đó. Có thể kiểu máy VIVACE này sẽ đóng góp rất tích cực cho việc sử dụng năng lượng tái tạo mà thế giới đang hướng tới hiện nay.

Xem Thêm

Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.
Ứng dụng công nghệ số toàn diện là nhiệm vụ trọng tâm của VUSTA giai đoạn tới
Ứng dụng công nghệ số toàn diện, xây dựng hệ sinh thái số là bước đi cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và phát huy sức mạnh đội ngũ trí thức của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA). Qua đó cho thấy, VUSTA không chỉ bắt kịp xu thế công nghệ mà còn chủ động kiến tạo những giá trị mới, khẳng định vai trò tiên phong của đội ngũ trí thức trong thời đại số.

Tin mới

Liên hiệp Hội Việt Nam chủ trì tổ chức họp các đoàn dự Đại hội đại biểu toàn quốc MTTQ Việt Nam lần thứ XI
Căn cứ Thông tri số 10/TT-MTTQ-UB của Ủy ban Trung ương MTTQ Việt Nam về việc triệu tập đại biểu dự Đại hội đại biểu toàn quốc MTTQ Việt Nam lần thứ XI, với vai trò là Trưởng các Đoàn của tổ chức chính trị, tổ chức chính trị - xã hội, các tổ chức Liên hiệp, Liên hiệp Hội Việt Nam đã chủ trì tổ chức họp các đoàn để triển khai thực hiện thông tri của MTTQ Việt Nam.
Thủ tướng Lê Minh Hưng lên đường tham dự Hội nghị cấp cao ASEAN lần thứ 48 tại Philippines
Nhận lời mời của Tổng thống nước Cộng hòa Philippines Ferdinand Romualdez Marcos Jr, Chủ tịch ASEAN năm 2026, ngày 7/5, Thủ tướng Chính phủ nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Lê Minh Hưng dẫn đầu Đoàn đại biểu cấp cao Việt Nam lên đường tham dự Hội nghị cấp cao ASEAN lần thứ 48 tại Cebu, Philippines từ ngày 7 đến 8/5/2026.
Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam: Điểm tựa khoa học công nghệ gắn với chuyển đổi số quốc gia
Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam với gần 40 năm phát triển đang thể hiện rõ vai trò tổ tổ chức xã hội - nghề nghiệp uy tín trong lĩnh vực vô tuyến, điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin đồng thời đóng góp thực chất vào tiến trình chuyển đổi số quốc gia theo tinh thần Nghị quyết 57-NQ/TW của Bộ Chính trị.
Đầu tư khoa học công nghệ giải quyết điểm nghẽn của ngành Thủy sản Việt Nam
Phát biểu tại Hội nghị khoa học công nghệ thủy sản và kiểm ngư toàn quốc năm 2026, Thứ trưởng Bộ Nông nghiệp và Môi trường Phùng Đức Tiến đã nhấn mạnh sự cần thiết của đổi mới sáng tạo khoa học công nghệ trong giải quyết điểm nghẽn về logistics, môi trường, nâng cao sức cạnh tranh của ngành Thủy sản trong nước.
Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng nhận danh hiệu Giáo sư danh dự Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga
Sáng 30/4/2026, tại Trường Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga (MPEI), TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch VUSTA đã vinh dự đón nhận danh hiệu Giáo sư danh dự của MPEI. Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng là công dân đầu tiên của Việt Nam được trao tặng danh hiệu Giáo sư tại MPEI, đứng trong bảng danh dự cùng với các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới.
51 năm thống nhất đất nước: Khơi thông nguồn lực tri thức trong kỷ nguyên mới
Thông tấn xã Việt Nam giới thiệu bài phỏng vấn với Phó Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) về vai trò của lực lượng trí thức và những giải pháp đột phá để hiện thực hóa khát vọng hùng cường vào năm 2030 và 2045.