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

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

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.

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.