Nếu như năng lượng nước thể hiện qua 3 dạng: thế năng, áp năng, động năng thì cũng có 3 cách tiếp cận khác nhau để chuyển năng lượng nước thành cơ năng cần thiết để làm quay rotor của một máy phát điện. Turbine xung lực thu nhận động năng, turbine phản lực chỉ giữ một vai trò khiêm tốn và biến đổi hầu hết áp năng thông qua cánh turbine nhằm tạo ra mô men quay. Turbine xung lực hầu hết thích ứng với thủy
điện có mức nước đầu ống cao, trong khi turbine phản lực thì ngược lại, thích ứng với mức nưới thấp dòng chảy chậm nhưng mạnh mẽ, bánh xe công tác kiểu truyền thống sẽ chuyển đổi thế năng thành cơ năng. Việc quay chậm của bánh xe công tác là một sự thích ứng không hiệu quả với tốc độ cao yêu cầu của máy phát, thậm chí có thể là không áp dụng được.
Các turbine xung lực thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện siêu nhỏ. Turbine xung lực đầu tiên được phát triển và phát minh bởi Lester Pelton năm 1880, cho đến nay những bản sao hiện đại của nó vẫn được mang tên Ông. Trong một buồng chứa bánh xe Pelton, các ống phun nước của kim phun được đặt trên các vách cố định. Các cánh của bánh xe được thiết kế cẩn thận để tạo ra nhiều động năng nhất. Sơ đồ 4 đầu phun cho một bánh xe công tác Pelton được mô tả trên hình 2.20. Các turbine này có hiệu suất thường trong khoảng 70 – 90%.
Hình 2. 20 Mô hình turbine Pelton nhiều vòi phun
Dòng chảy định mức cho một bánh xe công tác Pelton được điều khiển bởi các kim phun. Khi nước qua một kim phun, áp lực đầu ra của nó được chuyển đổi thành động năng xác định như sau :
𝐻𝑁 = 𝑣
2
Từ vận tốc dòng chảy v và lưu lượng Q, ta có thể xác định được đường kính ống phun nước. Đường kính ống phun nước nhỏ hơn 10-20% so với kim phun, nhưng để đơn giản với các hệ thống nhỏ, chúng thường có xấp xỉ nhau. Sử dụng công thức Q = vA như (2.15), ta có thể xác định đường kính ống phun d cho turbine có n kim phun như (2.16) : Q = 𝑣𝐴 = √2𝑔𝐻𝑁 (𝜋 4) n𝑑2 (2.15) d = 0.949 (𝑔𝐻𝑁)1/4√𝑄 𝑛 (2.16)
Thực tế, hiệu suất của những thiết kế Pelton đầu tiên không cao đối với dòng chảy có lưu tốc lớn, bởi vì khi nước cố gắng thoát khỏi các cánh turbine sẽ gây nhiễu tới ống phun. Từ đó, một kiểu turbine xung lực khác ra đời, được gọi là bánh xe công tác Turgo, tương tự với Pelton, nhưng bánh đẩy có hình dạng khác và ống phun nước đập vào cánh từ một mặt, cho phép đẩy nước tới mặt còn lại, làm giảm nhiễu đồng thời làm quay tubin ở tốc độ cao hơn so với Pelton, cũng có nghĩa là phù hợp về tốc độ của máy phát.
Ngoài ra, có một loại turbine xung lực khác, đặc biệt hữu ích với dòng chảy thấp hoặc vừa (5-20m). Loại turbine này cũng được biết đến như một turbine Banki, Mitchell hoặc Ossberger – tên của Nhà phát minh đồng thời cũng là Nhà sản xuất cho đến nay. Các turbine này đặc biệt đơn giản để chế tạo nên phổ biến ở những nước đang phát triển.
Với dòng chảy chậm và lưu lượng lớn, các turbine phản lực thường được sử dụng hơn. Bánh xe công tác được tác động bởi chùm tia nước, như trường hợp turbine xung lực, còn đối với turbine phản lực thì bánh xe công tác lại được nhúng hoàn toàn trong nước và phát ra công suất từ khối nước chuyển động qua chúng hơn là từ vận tốc. Hầu hết turbine phản lực được sử dụng trong thủy điện siêu nhỏ đều có bánh xe công tác trông giống như motor chong chóng lắp ngoài. Chong chóng có thể có 3 đến 6 cánh với khớp cố định. Các chong chóng lớn hơn có thể bao gồm nhiều khớp cánh và các đặc điểm điều chỉnh được sẽ giống với turbine Kaplan. Một ví dụ của hệ thống truyền động góc phải được đặt trong một bình cầu có chứa hộp số giữa turbine và máy phát gắn ngoài như hình 2.21
Hình 2. 21 Turbine Right-Angle-Drire
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Nội dung chương 2 đã phân tích khá đầy đủ về các dạng thủy điện nhỏ, ưu nhược điểm và tiềm năng của mỗi loại khác nhau, V.V. Trong đó, yêu cầu của đề tài luận văn là tập trung nghiên cứu phát triển dạng nguồn thủy điện nhỏ kiểu kênh dẫn.
Đối với các mạng điện phân tán nguồn công suất nhỏ, đặc tính mềm và siêu mềm, vấn đề đáng quan tâm hàng đầu là ổn định điện áp cục bộ. Bản chất, đây là vấn đề cân bằng năng lượng thu - phát. Các nhân tố tác động làm mất ổn định cân bằng năng lượng cho hệ thống có thể đến từ hai phía, phía phát và phía thu. Về phía phát, năng lượng có thể không đáp ứng được tức thời do khả năng huy động công suất có giới hạn như đối với máy phát sức gió, pin mặt trời, hay có thời gian trễ lớn như lưu tốc của dòng chảy đối với thủy điện kênh dẫn. Trong khi đó, về phía thu, đặc tính tải tiêu thụ là không ổn định. Hơn nữa, các quá trình quá độ của thiết bị cũng gây nên nhân tố mất ổn định lưới (ví dụ: quá trình khởi động động cơ lớn). Để giải quyết vấn đề mất cân bằng này, hệ thống cần thiết có “vùng đệm” năng lượng. Trong một vài chục năm gần đây, khi công nghệ FACTS ra đời đã hiện thực hóa việc ứng dụng BESS trong các mạng điện có nguồn siêu mềm như thủy điện nhỏ đã trở thành đề tài hớp dẫn cho các nghiên cứu. Với mỗi trường hợp cụ thể sẽ cho ra đời một đóng góp riêng.
Tiếp sang chương 3, sẽ tiếp tục xây dựng mô hình mạng điện nguồn thủy điện nhỏ kiểu kênh dẫn.
CHƯƠNG 3
MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ