Hệ thống đẩy Hybrid – Hai nguồn năng lượng trên tàu thủy

31/12/2014 16:23 GMT+7

Trong lĩnh vực cung cấp năng lượng xăng dầu, do trữ lượng dầu mỏ trên thế giới cũng có giới hạn và động cơ chạy bằng nhiên liệu xăng dầu lại gây ra khí thải có hại cho môi trường nên từ lâu các nhà thiết kế đã cố tìm mọi phương cách để thay thế nguồn nhiên liệu chủ yếu này. Trong bối cảnh đó các loại phương tiện Hybrid đã ra đời nhằm từng bước giảm nhẹ vai trò có tính quyết định của dầu mỏ.

Khái niệm về tàu trang bị hệ thống đẩy Hybrid

Trong lĩnh vực cung cấp năng lượng xăng dầu, do trữ lượng dầu mỏ trên thế giới cũng có giới hạn và động cơ chạy bằng nhiên liệu xăng dầu lại gây ra khí thải có hại cho môi trường nên từ lâu các nhà thiết kế đã cố tìm mọi phương cách để thay thế nguồn nhiên liệu chủ yếu này. Trong bối cảnh đó các loại phương tiện Hybrid đã ra đời nhằm từng bước giảm nhẹ vai trò có tính quyết định của dầu mỏ.

Hybrid trong tiếng Latin có nghĩa là “lai”. Đây là sự phối hợp của 2 nguồn động lực khác nhau cho cùng một phương tiện vận chuyển. Thông thường, động cơ hybrid là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong thông thường với một động cơ điện dùng năng lượng ắc quy và pin mặt trời.

Tàu Hybrid là loại tàu mà hệ thống đẩy của nó sử dụng kết hợp một tổ hợp gồm hai nguồn năng lượng cung cấp động lực cho chân vịt quay. Cơ cấu phổ biến nhất của tổ hợp này là một động cơ điện chạy bằng ắc quy kết hợp với một động cơ diezel. Trong từng chế độ hoạt động, tùy theo sự vận hành mà bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào dùng động cơ điện và khi nào thì dùng động cơ đốt trong, khi nào vận hành đồng bộ và khi nào dùng tách rời từng động cơ.

Do tàu thủy có rất nhiều chế độ vận hành khác nhau (chạy nhanh, chạy chậm, tăng tốc, xuôi dòng, ngược dòng v..v.), có lúc cần công suất rất lớn, nhưng phần lớn thời gian chỉ cần một động lực vừa đủ để chuyển động mà công suất của động cơ không đủ độ linh hoạt để điều chỉnh cho phù hợp nên thường gây ra tình trạng lãng phí nhiên liệu và xả nhiều khí thải ra môi trường. Nay tổ hợp đẩy này được bổ sung thêm động cơ điện để vận hành trong những chế độ không tối ưu đối với động cơ thì sự kết hợp này sẽ mang rất nhiều ưu điểm nổi trội như: Tiết kiệm nhiên liệu; giảm khí thải động cơ, thân thiện hơn với môi trường; tiết kiệm chi phí vận hành.

Dưới đây là một số loại tàu thuyền trên thế giới đã sử dụng động cơ Hybrid

1

Xuồng cứu hộ Hybrid

Xuồng cứu sinh có trang bị hệ thống đẩy Hybrid do hãng Fast RSQ của Đức chế tạo để làm công tác cứu hộ trên biển hoặc ở vùng ven bờ biển. Điểm đặc biệt là xuồng được trang bị hệ thống đẩy Hybrid.

Xuồng được chế tạo bằng hợp kim nhôm, có chiều dài 7,2m, rộng 2,65m, trọng lượng không tải là 2,2T và khi đầy tải là 3,4T.

Hệ thống đẩy Hybrid bao gồm:

Một máy diezen Steyr công suất 230Hp ở vòng quay 4.200 v/p lai một chân vịt phun loại Alamarin 230. Với máy đẩy này, tốc độ lớn nhất của xuồng có thể đạt tới 34 hải lý/h.

Một động cơ điện công suất dài hạn là 7 kW và công suất ngắn hạn lớn nhất có thể đạt tới 10 kW. Với động cơ điện này xuồng có thể chạy với tốc độ 6 hải lý/h. Tùy thuộc vào dung lượng ắc quy mà thời gian hoạt động của động cơ điện có thể từ 45 phút đến 4 giờ.

Hơn nữa, động cơ điện này cũng có thể sử dụng để khởi động cho động cơ diezel. Việc nạp ắc quy được thực hiện nhờ máy nạp ắc quy được truyền động từ động cơ diezel.

Khi chân vịt chạy bằng động cơ điện thì chuyển động của động cơ diezel được tách ra. Khi xuồng chạy với tốc độ thấp thì động cơ điện với khả năng phát ra được những mô men lớn sẽ tốt hơn trong việc điều động so với động cơ diezel. Việc điều khiển cả hệ thống Hybrid này là hoàn toàn tự động tại bàn điều khiển do hãng Steyr chế tạo.

2

Sailor: Tàu thủy Hybrid được cấp nguồn từ gió và pin mặt trời

Loại tàu thủy này bình thường chạy bằng sức gió nhờ những cánh buồm như những thuyền buồm thông thường. Nhưng điều đặc biệt là ở trên những cánh buồm của tàu Solar Sailor lại được gắn những tấm pin mặt trời. Phát minh này là của ông Robert Dane, một bác sĩ sinh ra và lớn lên tại thị trấn chuyên nghề cá Ulladulla, bang New South Wales, Australia.

Dane bắt đầu tập trung vào nghiên cứu triển khai ý tưởng này và phát triển một loại cánh buồm trên đó gắn các panel pin mặt trời và đặt tên là “Solar Wings”. Sự kết hợp giữa các “cánh gió mặt trời” này với hệ thống động cơ đốt trong dùng nhiên liệu hóa thạch, tạo ra một giải pháp hết sức linh hoạt mang tên: Hybrid Marine Power, cho phép chiếc tàu có thể chạy nhờ vào nắng, sức gió, pin hoặc dầu, khí đốt, hoặc bằng sự kết hợp các nguồn năng lượng trên. Và chiếc tàu thủy hybrid (động cơ lai ghép) mang tên Solar Sailor ra đời.

Những “chiếc cánh gió mặt trời” của Solar Sailor được chế tạo chịu được sức gió lớn và có thể tự xoay theo hướng của mặt trời để thu được ánh sáng một cách tối ưu nhất mà đồng thời vẫn đón được lượng gió lớn nhất.

Khi gió quá mạnh hoặc không cần dùng, các cánh này sẽ được thu gọn lại xuống thuyền nhưng vẫn tiếp tục hấp thu năng lượng mặt trời. Tất cả những việc đó được điều khiển bởi một hệ thống máy tính thông minh, thông qua các cảm biến liên tục thu thập thông tin về lực và hướng gió cùng sức nắng mặt trời để ra quyết định điều chỉnh các cánh buồm

Cùng lúc đó, hệ thống sẽ tự động theo dõi quá trình nạp điện vào ắc quy và quyết định tỉ lệ kết hợp các nguồn năng lượng với nhau. Khi không cần đến vận tốc cao, hoặc lúc cập cảng, hệ thống này sẽ điều chỉnh để chiếc tàu chỉ di chuyển hoàn toàn dựa vào sức gió cộng với năng lượng điện thu từ năng lượng mặt trời. Còn khi cần tăng tốc (nhất là vào lúc gió lặng) các động cơ truyền thống sẽ hoạt động làm cho tàu chạy nhanh hơn.

Toàn bộ hệ thống điện sinh hoạt trên thuyền, bao gồm đèn chiếu sáng, tủ làm lạnh, điều hòa nhiệt độ, các hệ thống thông minh… đều hoạt động bằng năng lượng điện dự trữ trong ắc quy, được nạp điện từ năng lượng mặt trời hoàn toàn nên không cần dùng thêm máy phát phụ.

Do Solar Sailor sử dụng hệ thống năng lượng hybrid nên loại tàu thủy này giảm thiểu được tối đa các tác hại khí thải ra môi trường, giảm được tiếng ồn, tiết kiệm được nhiên liệu truyền thống.

3

Ghost G180H – Du thuyền Hybrid lớn nhất thế giới

Ghost G180H là một trong những du thuyền sang trọng, lớn nhất thế giới và đây đồng thời cũng là siêu du thuyền Hybrid đầu tiên.

Du thuyền Ghost G180H do công ty Ghost Yachts và Gloss Design của ý thiết kế và chế tạo. Đây là bước tiến mới trong công cuộc phát triển siêu du thuyền hiệu suất cao, bền vững và thân thiện môi trường. Công ty Imtech Marine & Offshore cung cấp động cơ Hybrid thông minh còn Gloss Design thiết kế thân tàu.

Nhằm tiết kiệm nhiên liệu, các cửa sổ của G180H đều được phủ lớp phim gốm để hấp thu 80% nhiệt lượng từ mặt trời cung cấp điện cho hệ thống ánh sáng trên tàu.

G180H có 12 phòng dành cho hành khách, nội thất được thiết kế tối ưu để tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Chẳng hạn, phòng chính và phòng ăn đều được trang bị cửa trượt hai bên để lấy gió mát, đồng thời sử dụng hệ thống đèn LED tiêu thụ ít điện năng. Với tất cả các trang bị bền vững với môi trường, Ghost G180H giảm tới 30% mức tiêu thụ nhiên liệu.

Thông số kỹ thuật của Ghost G180H:

- Chiều dài lớn nhất: 55m

- Chiều rộng: 9,2m

- Mớn nước : 3m

- Trọng tải: 755 T

- Máy phát điện: 4 x Volvo Penta D16 MG 450kW @ 1.500 v/ph/ 500kW, 1.800 v/ph

- Động cơ: 2 x Voith Turbo Inline Propulsors 750kW.

- Tốc độ hành trình: 15,5 hải lý/h.

- Tầm hoạt động: 4.500 hải lý với tốc độ trung bình 13 hải lý/h.

- Số khách: 12 người.

- Đoàn thủy thủ: 12 người + Thuyền trưởng.

Tàu chở ô tô Hybrid

Tàu chở ô tô Hybrid được đóng tại xưởng đóng tàu Mitsubishi Heavy Industries Kobe (Nhật Bản) vào năm 2010. Hãng tàu Mitsui OSK Lines (MOL) cho biết thiết kế bên ngoài và cơ bản của tàu chở ô tô hybrid giúp giải phóng lượng khí thải bằng không khi cập bến.

Tàu được trang bị một hệ thống cung cấp năng lượng điện Hybrid, kết hợp các tấm năng lượng mặt trời với pin lithium-ion để lưu điện. Hệ thống này là kết quả của một nhóm nghiên cứu hợp tác gồm các chuyên gia của Mitsubishi Heavy Industries, Tập đoàn Sanyo Electric và MOL. Với những tấm năng lượng mặt trời phẳng, phần trên boong thoáng, hệ thống này là hệ thống năng lượng mặt trời mạnh nhất trên thế giới, tạo ra được 160kW, hơn 10 lần hệ thống hiện tại trên các tàu khác.

Các loại pin lithium-ion có thể trữ được 2.2MWh điện. Năng lượng được tạo ra bởi các tấm pin hấp thụ năng lượng mặt trời khi tàu đang chạy và được trữ trong ắc quy và sử dụng để cung cấp năng lượng cho hệ thống tàu khi cập bến. Hệ thống này loại bỏ sự cần thiết máy phát điện chạy bằng diezel, cho phép tàu đạt được mức khí thải bằng 0 tại các bến tàu.