2.2.3.1 Tính tổn thất đường ống
Hình 2.18 chỉ ra tổn thất ma sát, được tính trên mỗi feet cột nước HG của đường ống dài 100 feet của đường ống cho ống PVC và PE với nhiều đường kính khác nhau.
Hình 2. 18 Biểu diễn quan hệ tổn thất đường ống phụ thuộc loại ống
Ống PVC ít tổn thất do ma sát hơn và có chi phí thấp hơn so với PE nhưng ống PE đường kính nhỏ dễ lắp đặt hơn do nó linh động hơn và có thể được mua theo cuộn từ 10 m đến 30m. PE đường kính lớn hơn sẽ cho chiều dài ngắn hơn và đã được hàn sẵn hai đầu. Cả 2 loại này đều cần được bảo vệ khỏi ánh nắng mặt trời vì nếu bị phơi ra dưới tia cực tím thì các vật liệu này sẽ giòn và nứt.
Có thể tính năng lượng nhận được từ một hệ thống thủy điện siêu nhỏ như sau :
P(kW) = 9.81eQ(m3/s)HN(m) (2.7)
Với e là hiệu suất của turbine/máy phát. Từ (2.7) với hiệu suất khoảng 50% thì :
P(kW) ≈ 5 Q(m3/s)HN(m) (2.8)
Giả thiết rằng kích cỡ ống đã xác định được vì một lý do nào đó, có thể nó là đường kính ống lớn nhất thuận lợi, có thể là mức có thể chịu đựng lớn nhất hoặc có thể là kích cỡ lớn nhất có thể mua được. Câu hỏi đưa ra là liệu có một dòng chảy tối ưu lớn nhất qua ống không ? Nếu dòng chảy càng cao, tổn thất đường ống tăng lên và công suất phát ra giảm. Nếu dòng chảy chậm, tổn thất công suất giảm nhưng cũng làm giảm công suất nhận được. Vì vậy, phải có một dòng chảy định mức lý tưởng nhằm cân bằng 2 yếu tố này và tạo ra được công suất lớn nhất với mỗi kích cỡ đường ống có sẵn.
Bắt nguồn từ lý thuyết xác định công suất lớn nhất nhận được với mỗi đường ống thẳng đứng, đường cong cho bởi hình 2.18 có thể xấp xỉ qua quan hệ :
ΔH = k𝑄2 (2.9)
Với : k là hằng số bất kỳ.
Công suất nhận được từ đường ống phụ thuộc vào HN với hệ số tỷ lệ xấp xỉ c:
P = c𝐻𝑁Q = c (𝐻𝐺 – ΔH)Q = c(𝐻𝐺 − k𝑄2)Q (2.10) Tại điểm công suất cực đại :
𝑑𝑃
𝑑𝑄 = 0 = 𝐻𝐺 − 3k𝑄2 = 𝐻𝐺 – 3ΔH (2.11)
Điều này dẫn tới kết luận rằng công suất cực đại về lý thuyết nhận được bởi một đường ống là :
ΔH = 1
3𝐻𝐺 (2.12)
Trong khi các minh họa trên cho thấy dòng chảy chậm có thể tăng công suất nhận được bởi ống nước không có nghĩa là điều đó sẽ giúp đơn giản hóa việc đặt một van nào đó trên đường ống để điều chỉnh. Điều này sẽ có thể gây lãng phí công suất hơn là có lợi. Thay vì nó được xem như thiết kế miệng ống đúng đắn để điều khiển dòng chảy mà không gây tổn thất nhiều. Và nó sẽ được chỉ ra rằng nghiên cứu đầu tiên nhằm làm tăng công suất nhận được là luôn luôn xem xét đến một ống lớn hơn. Giữ dòng chảy định mức dưới 5ft mỗi giây và tổn thất ma sát giảm 20% dường như là những gợi ý thiết kế tốt.
2.2.3.2 Tính toán đo đạc lưu tốc dòng chảy
Như trên đã thấy, việc xác định lưu tốc hữu ích là cần thiết để quy hoạch và thiết kế một hệ thống. Trong một số trường hợp, nguồn có thể quá lớn và yêu cầu cần phải có đánh giá sơ bộ. Đối với những nguồn có lưu tốc thay đổi lớn theo mùa trong năm, cần thiết phải có các khảo sát tính toán kỹ lưỡng trước khi đầu tư xây dựng thủy điện. Trong trường hợp đó, các bước khảo sát, đo đạc thông thường được thực hiện thông qua việc xây dựng biểu đồ thủy văn theo năm, mô hình tính toán được vẽ như trên hình 2.19.
Hình 2. 19 Phương pháp đo lưu tốc
Các phương pháp dự đoán lưu tốc của dòng suối có thể thực hiện theo phương pháp từ đơn giản nhất là tính khối lượng và bấm giờ đến các phương pháp tinh xảo hơn, bao gồm việc đo vận tốc dòng suối chảy qua mặt cắt ngang của nhánh sông sử dụng một công tơ nước. Với các thủy điện siêu nhỏ, cách tiếp cận tốt nhất bao gồm việc xây dựng một vách ngăn bằng gỗ dán tạm thời, tường bê tông hoặc kim loại, được gọi là đập chắn chặn ngang nhánh sông. Độ cao của nước khi nó chảy qua rãnh trong đập có thể được sử dụng để xác định dòng chảy.
Rãnh trong đập có thể có một số hình dạng khác nhau, bao gồm hình chữ nhật, tam giác và hình thang. Cần phải có một bờ cứng chắc để nước không dốc thẳng đứng ngay lập tức khi nước qua đập. Để chính xác, nó phải tạo ra một bể nước di chuyển rất chậm phía sau nó đến mức bề mặt của nó hoàn toàn bằng phẳng khi nó chạm vào đập và độ cao của nước từ đầu suối cần phải được đo. Các mối quan hệ hình học đối với loại đập hình chữ nhật chỉ ra trên hình 2.19, với độ cao h là hơn 5cm hoặc 2 inch, lưu tốc dòng chảy có thể tính được như sau :
Q = 1.8(W – 0.2 h)h2/3 đơn vị Q (m3/s), h(m), W(m) (2.13)