2.2.1 Giới thiệu chung
Nhà máy thủy điện nhỏ (TĐN) thường được xây dựng phân tán trải dài trên các dòng sông, trong thành phần các hạng mục kết cầu chính không bao gồm đập ngăn. Vì vậy, chúng không gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Một ví dụ như trên Hình 2.15, một phần dòng chảy được đưa vào đường ống nước, còn gọi là ống dẫn áp lực dẫn đến gian máy chảy vào turbine thủy điện (trạm thủy điện).
Hình 2. 15 Mô hình trạm thủy điện nhỏ
Cấu trúc trạm TĐN Phụ thuộc vào thiết kế hệ thống, cho đến nay, hầu như các trạm điện kiểu này đều có kết hợp với thiết bị bù công suất đỉnh kiểu BESS (Battery Energy Storage System) để nâng cao chất lượng điện năng đồng thời trợ giúp cung cấp công suất đỉnh cho phụ tải khi phụ tải này vượt quá giá trị phát trung bình của máy phát.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện nhỏ
Trong nguyên lý chuyển hóa năng lượng tại TĐN, năng lượng của dòng chảy mà turbine nhận được dưới dạng cơ năng được chuyển hóa theo 3 cách: thế năng, áp năng và động năng, hình 2.16:
- Thế năng được sinh ra bởi sự chênh lệch độ cao (cột nước H); - Áp năng trong ống dẫn có thể tạo ra ở cuối đường ống;
Hình 2. 16 Mô tả sự biến đổi năng lượng mà turbine nhận được
Điều này có thể được mô tả bởi phương trình: E = z + 𝑃
𝛾 + 𝑣
2
2𝑔 (2.6)
Trong đó, các đại lượng có đơn vị tương ứng như sau:
STT Nội dung Tương ứng theo hệ Tiêu
chuẩn của Mỹ
Tương ứng theo hệ Tiêu chuẩn SI
1 cubic foot 7.4805 gal 0,02832 𝑚3
2 foot per second 0.6818 mph 0,3048 m/s 3 cubic foot per second 448.8 gal/min (gpm) 0,02832 𝑚3/s
4 Water density 62.428 lb/ft3 1000 Kg/𝑚3
5 pound per aquare inch 2.307 ft of water 6896 N/𝑚2
6 kW 737.56 ft-lb/s 1000 N-m/s
7 inch 1 inch 2,54 cm
8 feet 1 feet 0,3048 m
9 psi 14,2 psi 1 kg/cm2
Trên hình 2.17, HG được gọi là độ cao tổng thể, nó không bao gồm tổn thất đường ống làm giảm công suất hữu cho turbine. Độ cao thực H sẽ được tính bằng độ cao tổng thể từ đi độ cao do tổn thất trong đường ống. Các phần hao phí này xác định theo dòng chảy định mức qua đường kính ống theo toàn bộ chiều dài gồm cả các đoạn uốn cong, van và các khúc cua phải đi qua để tới turbine.
2.2.3 Tính toán kỹ thuật
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)
2.2.4 Turbine thủy điện nhỏ
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
3.1 MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN THỦY ĐIỆN NHỎ 3.1.1 Giới thiệu chung 3.1.1 Giới thiệu chung
Qua phân tích tổng quan về các dạng thủy điện nhỏ trong chương 2 cho thấy để có được một mô hình mạng điện sử dụng nguồn thủy điện nhỏ có chất lượng cao cần thiết phải thực hiện một số giải pháp về cấu trúc mạng và hệ điều khiển để khắc phục một một số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ.
Mạng điện nguồn thủy điện nhỏ được nghiên cứu tại luận văn này là một mạng điện điện địa phương, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài chục đến một vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối lưới. Mô hình tổng quát được thể hiện như trên hình 3.1
Pti+jQti ĐC Li (km) PCCi Turbine MF 50Hz Q n P1+jQ1 PCC1
Hình 3. 1 Mô hình tổng quát mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ.
Mô hình này đại diện cho một hình thức phát triển mạng điện trong đó điện năng được sản xuất theo công nghệ sạch, thích hợp đối với các khu vực miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến không thực hiện được bởi lý do về tính kinh tế hoặc về điều kiện địa hình địa lý không cho phép, mạng điện cục bộ trên cơ sở khai thác tiềm năng sẵn có trong điều kiện tự nhiên để cấp điện tại chỗ cho những cụm kinh tế địa phương, những trạm bơm nông nghiệp, chế biến nông lâm sản, phục vụ dân sinh, V.V sẽ mạng lại ý nghĩa to lớn cả về kinh tế và chính trị xã hội và điều quan trong hơn nữa là bảo vệ môi trường.
Trong đó:
- Một hộ phụ tải bất kỳ thứ i nào đó tại điểm kết nối PCCi cách nguồn bằng chiều dài đường dây là Li được phân tích thành hai thành phần, gồm:
+ Phần còn lại được đặc trưng bằng một phụ tải tính toán Sti=Pti+jQti
- Các phụ tải còn lại của mạng được quy đổi về đầu cực máy phát tại điểm PCC1, đặc trưng bằng một phụ tải tính toán tổng S1=P1+jQ1.
3.1.2 Phân tích hoạt động của sơ đồ Ưu điểm của thủy điện nhỏ: Ưu điểm của thủy điện nhỏ:
- Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng núi. Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm phát triển, không có điện lưới quốc gia.
- Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao.