NA UY – Hãy tưởng tượng rằng các dây dẫn đến ngôi nhà của bạn không chỉ phải chịu được dòng điện cao, thời tiết và gió mà còn phải chịu được nước mặn, dòng hải lưu, thay đổi nhiệt độ và chuyển động lớn. Đây là vấn đề lớn trong việc kết nối các công trình điện lớn trên biển với lưới điện.

Cáp động lực đắt tiền, phức tạp và phải có khả năng chịu được lực động học của đại dương

Cáp động lực (dynamic cables) là giải pháp cho nhiệm vụ đầy khó khăn này. Chúng là những loại cáp lớn, chắc chắn và linh hoạt, có khả năng chịu được lực của đại dương và trong các cấu trúc như nhà máy điện mặt trời nổi, lồng cá ngoài khơi, giàn khoan dầu khí và tua-bin gió ngoài khơi.

Cáp động lực hoạt động như dây nối cho cáp tĩnh dưới nước dẫn điện vào hoặc ra khỏi bờ.

Ông Naiquan Ye, Giám đốc nghiên cứu tại Công ty SINTEF, đã nói rằng: “Chúng giống như dây cáp điện mà chúng ta dùng cho tất cả các thiết bị điện để kết nối, thông qua phích cắm vào dây cáp cố định trên tường”.

Ông đang nỗ lực đảm bảo độ chắc chắn của cáp động lực, yếu tố có tác động lớn đến chi phí của nhiều dự án.

Ông Naiquan nói thêm: “Theo kế hoạch hiện tại, châu Âu sẽ cần 6.000 km cáp điện ngầm mỗi năm. Khoảng cách này bằng khoảng cách từ Na Uy đến Bermuda (ở tây bắc Đại Tây Dương)”.

Rất hiếm khi chúng ta gặp phải tình trạng dây cáp bị đứt trong hệ thống dây điện âm tường – nhưng đã bao nhiêu lần chúng ta phải vứt dây cáp sạc hoặc thay dây nối dài vì chúng bị cuộn hoặc xử lý không đúng cách quá nhiều lần?

Theo Lloyd Warwick, một công ty chuyên giải quyết khiếu nại cho ngành bảo hiểm, 83% khiếu nại bảo hiểm gió ngoài khơi là do lỗi cáp. Cáp trở nên dễ bị tổn thương khi chúng nóng lên bởi dòng điện chạy qua và bị di chuyển bởi dòng hải lưu, sóng biển và khoảng cách liên tục thay đổi giữa cấu trúc nổi và đáy biển cố định.

Có ba loại cáp ngầm:
– Cáp động lực có tính di động và mang theo năng lượng, và thường là cả thông tin, giữa hệ thống nổi và cáp ngầm tĩnh.
– Cáp điện ngầm tĩnh là cáp nằm cố định ở đáy biển và truyền năng lượng giữa các công trình trên biển và trên đất liền hoặc giữa các quốc gia. Chúng không phải chịu cùng ứng suất như cáp động lực.
– Cáp truyền thông giống như cáp điện ngầm tĩnh, nhưng chứa sợi quang và công nghệ thông tin khác.

Các loại cáp cũng có nhiều lớp để đảm bảo truyền tải điện đáng tin cậy. Các lớp này cần phải chống thấm nước, mang tín hiệu điều khiển, không bị ảnh hưởng bởi từ tính, không rò rỉ điện và cũng chịu được ứng suất của chuyển động liên tục trong nước biển lạnh giá và ấm hơn.

Giảm chi phí
Vì vậy, những loại cáp này có chi phí sản xuất cao. Nhu cầu về chúng cho đến nay vẫn thấp, với người mua chính là ngành dầu khí – ngành có ngân sách để trả thêm chi phí an toàn.

Điều này đang thay đổi khi chuyển sang năng lượng tái tạo.

Ông Naiquan Ye và nhà quản lý phòng thí nghiệm ông Kenneth Njuolla tại công ty SINTEF, chia sẻ rằng cáp động lực và những thành phần đi kèm đều được thử nghiệm tại đây.

Ngân sách ở đây thường eo hẹp hơn và không giống như giàn khoan dầu chỉ cần một dây cáp, một trang trại điện gió ngoài khơi cần một dây cáp ngầm động cho mỗi tua-bin gió.

Thiết kế và sản xuất phải được tối ưu hóa về mặt chi phí, nhưng cũng phải đảm bảo độ bền của cáp lâu nhất có thể.

Đây chính là lúc nhóm nghiên cứu của Ông Naiquan Ye vào cuộc. Qua nhiều năm mô phỏng và thử nghiệm cáp, nhóm đã học được rất nhiều về cách các thành phần khác nhau của những loại cáp này hoạt động và cách chúng xử lý ứng suất bên trong và bên ngoài.

Ông Naiquan đã nói rằng: “Kể từ những năm 1980, các nhà nghiên cứu của công ty SINTEF đã phát triển các mô hình tiên tiến, để mô phỏng các đặc tính của cáp trong môi trường biển phức tạp. Các công cụ số này là những sản phẩm hàng đầu thế giới và ngành công nghiệp sử dụng chúng để đảm bảo sản xuất năng lượng từ đại dương an toàn và bền vững, cả trong ngành dầu khí và ngành năng lượng gió ngoài khơi”.

Tính mỏi của dây cáp
Mối đe dọa lớn nhất đối với tuổi thọ của cáp là sự mỏi. Nói một cách đơn giản, vật liệu bị mòn. Khi dòng điện chạy qua cáp, nó hoạt động giống như vòi nước trong vườn khi bạn mở nước – nó bắt đầu di chuyển và uốn cong.

Trong ống nước, đây không phải là vấn đề vì nước chảy qua dễ dàng, nhưng trong cáp điện, có nhiều dây kim loại – giống như mặt cắt ngang của cáp sạc ở nhà. Nếu bị xoắn và xoay quá nhiều, cuối cùng dây cáp sẽ nứt và sau đó đứt.

Ông Kenneth Njuolla và ông Kristian Minde tại công ty SINTEF đo độ bền của dây đồng, một trong nhiều thành phần trong cáp động lực. Dây bị mỏi đến mức bị đứt. Đây là những thí nghiệm đưa chúng ta từ giải pháp phức tạp và đắt tiền đến dây cáp nối thanh mảnh cho năng lượng gió ngoài khơi.

Sau đó là vật liệu cách điện, như cáp dữ liệu truyền tín hiệu điều khiển và bản thân dây cáp. Tất cả chúng đều bao gồm các vật liệu khác nhau có thể chịu được các mức độ chuyển động khác nhau theo thời gian.

Trên hết, mỗi vật liệu sẽ di chuyển khác nhau. Giống như cao su hoặc nhựa xung quanh bên ngoài của cáp gia dụng thông thường có độ di động hoàn toàn khác nếu loại bỏ phần bên trong.

Tính toán các yếu tố tác động
Ông Naiquan Ye đã nói rằng: “Tuy nhiên, đặc tính và chuyển động của cáp phức tạp hơn nhiều so với những gì các mô hình số có thể dự đoán. Các tạp chất trong vật liệu, sản xuất, lắp đặt và môi trường như nhiệt độ, có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của dây cáp”.

Nếu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện sớm trong một dự án điện gió ngoài khơi, nó có thể giúp giảm đáng kể chi phí cáp điện đồng thời tối ưu hóa thiết kế.

Kiểm tra trong phòng thí nghiệm là phương pháp quan trọng để xác định tác động của những ảnh hưởng này. Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi theo dõi cách dây cáp hoạt động trong thực tế và kết quả được đưa trở lại các công cụ số để tìm ra phương pháp chính xác hơn để ước tính tuổi thọ của dây cáp.

Ông Naiquan nói tiếp: “Một dự án điện gió ngoài khơi, nếu được thực hiện sớm trong phòng thí nghiệm, nó có thể giúp giảm đáng kể chi phí cáp điện, đồng thời tối ưu hóa thiết kế”.

Bằng cách xoắn và xoay dây cáp trong một loạt thử nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể thấy các thành phần khác nhau của dây cáp di chuyển tương đối với nhau như thế nào. Các thành phần này thường có thể di chuyển bên trong cáp khi chúng đang hoạt động. Các chuyển động thường không tuyến tính do ma sát giữa các thành phần – nghĩa là chúng không tỷ lệ thuận với các chuyển động xung quanh cáp. Đó là lý do tại sao rất khó để tính toán cách cáp và các thành phần của nó di chuyển.

Việc kiểm tra toàn bộ dây cáp, giúp chúng ta biết được dây cáp có thể chịu được lực bao nhiêu, độ bền của cáp ra sao và điểm yếu nào có thể khiến dây cáp bị đứt.

Để xem các tin bài khác về “Cáp động lực”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Maritime Executive