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 khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
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.

Tin mới

Nghệ An: Khai mạc vòng chung kết Cuộc thi sáng tạo dành cho thanh, thiếu niên, nhi đồng
Sáng 7/8, Liên hiệp Các hội khoa học và kỹ thuật tỉnh phối hợp với Sở Giáo dục và Đào tạo, Sở Khoa học và Công nghệ, Tỉnh đoàn và trường Cao đẳng công nghiệp Việt Nam – Hàn Quốc tổ chức khai mạc vòng chung kết Cuộc thi sáng tạo dành cho thanh, thiếu niên, nhi đồng tỉnh năm 2026.
Chủ tịch Phan Xuân Dũng dự Đại hội Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Vĩnh Long
Ngày 7/8, tại Vĩnh Long, GS.TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam dự và phát biểu tại Đại hội đại biểu Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Vĩnh Long lần thứ I, nhiệm kỳ 2026-2031. Đây là Đại hội đầu tiên sau hợp nhất Liên hiệp Hội ba tỉnh Bến Tre, Trà Vinh và Vĩnh Long, mở ra một giai đoạn phát triển mới của đội ngũ trí thức KH&CN trên địa bàn tỉnh.
Thống nhất quy định để doanh nghiệp không phải khai báo nhiều lần
Sáng 7/8, Tổ 15 (gồm Đoàn ĐBQH tỉnh Phú Thọ, TP. Đà Nẵng) thảo luận về: dự án Luật Phát triển đô thị; dự án Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của 10 luật có liên quan đến thủ tục hành chính, điều kiện kinh doanh trong lĩnh vực nông nghiệp và môi trường; dự án Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Tần số vô tuyến điện, Luật Viễn thông, Luật Giao dịch điện tử và Luật Chuyển giao công nghệ.
Góp ý kiến cho Dự án Luật Phổ biến, giáo dục pháp luật (sửa đổi)
Tăng cường ứng dụng công nghệ số, trí tuệ nhân tạo, các nền tảng số và mạng xã hội để nâng cao hiệu quả tiếp cận pháp luật trong giai đoạn mới. Đây là nội dung được nhiều chuyên gia, nhà khoa học góp ý tại hội thảo “Góp ý Dự án Luật Phổ biến giáo dục pháp luật (sửa đổi) do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam phối hợp với Hội Khoa học Tâm lí - Giáo dục Việt Nam tổ chức chiều ngày 6/8.
Hoàn thiện thể chế thúc đẩy phát triển ngành xuất bản trong kỷ nguyên số
Sáng ngày 6/8, VUSTA tổ chức Hội thảo đóng góp ý kiến cho dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Xuất bản. Các chuyên gia, nhà khoa học từ các hội thành viên, đơn vị trực thuộc đã tham góp nhiều ý kiến góp phần hoàn thiện hành lang pháp lý cho hoạt động xuất bản trước sự phát triển nhanh chóng của công nghệ số, trí tuệ nhân tạo và những thách thức ngày càng lớn trong bảo vệ bản quyền.
Nghệ An: Trao 162 giải thưởng Olympic Hóa học 19-5
Cuộc thi đã truyền đi thông điệp mạnh mẽ về sự hấp dẫn của Hóa học và lan tỏa tình yêu của Hóa học đương đại đến mọi người. Thành công của cuộc thi là lời khẳng định về vai trò của Hóa học trong đời sống và tương lai của đất nước.
Xây dựng hành lang pháp lý phát triển đô thị Việt Nam
Chuyển mạnh từ tư duy quản lý đô thị sang kiến tạo phát triển đô thị là một trong những nội dung được nhiều chuyên gia góp ý tại Hội thảo “Đóng góp ý kiến cho dự thảo Luật Phát triển đô thị” do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam phối hợp cùng Hội Quy hoạch phát triển đô thị Việt Nam và Tổng Hội Xây dựng Việt Nam tổ chức sáng 5/8, tại Hà Nội.
Gia Lai: Liên hiệp các Hội tổ chức tập huấn kỹ năng truyền thông
Ngày 4/8, Liên hiệp các Hội KH&KT Gia Lai (Liên hiệp Hội) đã tổ chức lớp tập huấn “Kỹ năng xây dựng tin, bài trong bối cảnh truyền thông hiện nay” với sự tham dự của ông Lê Anh Tuân – Phó Chủ tịch Liên hiệp Hội, Nhà báo Lương Văn Danh – Phó Giám đốc Báo và Phát thanh – Truyền hình Gia Lai, báo cáo viên của lớp tập huấn; cùng khoảng 50 học viên đến từ các đơn vị thành viên Liên hiệp Hội.