2.1.1 Điện thủy triều
2.1.1.1 Giới thiệu chung
Điện thuỷ triều đơn giản là một dạng năng lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong các khối nước chuyển động do thuỷ triều, hình 2.1.
Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý từ hàng thế kỷ nay. Vào thế kỷ 18, nhà máy năng lượng nước vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều được xây dựng ở New England. Bơm nước cống rãnh dùng năng lượng thủy triều ở Hamburg, Đức mãi đến năm 1880. Còn bơm nước sử dụng năng lượng thủy triều lắp đặt năm 1580 dưới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ. Những hệ thống này đã dần được thay thế bằng các động cơ tiện lợi và hiệu quả hơn.
Hiện nay, có các trạm điện thuỷ triều đang hoạt động tại Pháp, Nga, Trung Quốc và Canada. Tuy nhiên, năng lượng thuỷ triều hiện nay không phải là một nguồn năng lượng quan trọng trên thế giới, bởi vì chỉ có một số ít các vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát triển mang tính khả thi.
Hình 2. 1 Một số hình ảnh về thuỷ điện thuỷ triều
2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của điện thủy triều
Phân loại theo turbine sử dụng trong hệ phát điện thủy triều có hai loại chính. Loại thứ nhất dùng turbine nước và loại thứ hai dùng turbine khí.
Điện thủy triều sử dụng turbine nước:
Để thu được năng lượng từ thuỷ triều, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước. Khi thuỷ triều lên, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng xây dựng bên trong dải đất ven bờ biển, một phần được chìm dưới mặt nước biển. Khi nước dâng, không khí bên trong phòng bị đẩy ra theo một lỗ trống vào một turbine. Khi nước thuỷ triều rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng hút không khí đi qua turbine theo hướng ngược lại. Turbine xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện, hình 2.2.
Biển
Vịnh Khi thủy triều lên
Biển
Vịnh Khi thủy triều xuống
Turbine- Generator
Turbine- Generator
Hình 2. 2 Cơ chế vận hành turbine nước
Điểm mấu chốt của hệ thống này là việc sử dụng một thiết bị gọi là turbine, có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí.
Hệ thống Limpet là một điển hình về khai thác dạng năng lượng này. Hệ thống làm việc theo nguyên lý sau:
1- Lúc thuỷ triều xuống thấp: chu trình nạp. 2- Lúc thuỷ triều dâng cao: chu trình nén.
3- Thuỷ triều xuống thấp: chu trình xả, kết thúc và nạp cho chu trình tiếp theo. Sự thay đổi chiều cao cột nước làm turbine quay tạo ra điện năng, mỗi máy Limpet có thể đạt từ 250 kW đến 500 kW. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố công biến năng lượng thuỷ triều thành năng lượng có ích. Hiện nay, đã có công ty lắp đặt hệ thống thương mại trên thế giới sản xuất điện trực tiếp từ thuỷ triều. Chẳng hạn một máy Limpet có thể phát ra 500 kW, đủ cung cấp 400 hộ gia đình sử dụng.
Điện thủy triều sử dụng turbine khí:
Khi thuỷ triều dâng, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng được xây dựng bên trong dải đất ven bờ biển, một phần bị chìm dưới mặt nước biển. Khi nước dâng, không khí bên trong phòng bị đẩy ra theo một lỗ trống vào một turbine. Khi thuỷ triều rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng sẽ hút không khí đi qua turbine theo
hướng ngược lại. Turbine xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện. Các turbine này có các cánh quay theo cùng một hướng, bất chấp hướng chuyển động của luồng khí, hình 2.3.
Hình 2. 3 Cơ chế vận hành turbine phát điện kiểu khí
Nhưng hệ thống mới này cũng có những vấn đề của nó, các máy phát dính tới nước biển bị ăn mòn nhanh hơn nên chi phí bảo trì khá cao. Hơn nữa, máy móc đều có kích thước lớn cồng kềnh có thể cản trở giao thông đường thủy và đời sống hoang dã. Tuy nhiên theo tính toán của các chuyên gia, với giá thành sản xuất điện thủy triều là 0,1USD/kilowatt, cao hơn giá khí đốt và than một chút và tương đương giá thành của động cơ điện sức gió.
2.1.1.3 Tính toán kỹ thuật
Nguyên lý làm việc của nhà máy điện thủy triều là sử dụng thế năng độ chênh mức thủy triều như sau: Tại vị trí eo biển hẹp có độ chênh mức thủy triều lớn người ta xây đập chắn và đặt tổ turbine-máy phát điện. Khi thủy triều lên nước biển qua đập chắn qua turbine vào hồ chứa, khi thủy triều xuống nước từ hồ qua turbine thoát ra biển. Như vậy, cả hai chu trình nước biển vào, ra hồ chứa đều có khả năng quay turbine và phát ra điện. Năng lượng thủy triều E đối với điện thủy triều kiểu turbine nước được tính theo biểu thức quen thuộc sau:
E = 1
2𝜌𝐴ℎ2 (2. 1) Trong đó:
- E là công suất của nhà máy. - A là diện tích bể chứa.
- h là chiều cao thủy tĩnh.
2.1.2 Thủy điện hải lưu 2.1.2.1 Giới thiệu chung 2.1.2.1 Giới thiệu chung
Thủy điện hải lưu là nguồn điện được khai thác từ năng lượng của các dòng hải lưu mậu dịch trên biển, hình 2.4. Đây là một nguồn năng lượng lớn và có thể xem như là vô tận. Thủy điện hải lưu là một trong những ngành năng lượng mới và hiện đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và phát triển.
Hình 2. 4 Một số dòng hải lưu lớn trên thế giới
Các nhà khoa học đã tính toán cho thấy dòng hải lưu có một năng lượng cực lớn và nó sẽ làm quay turbine của nhà máy phát điện. Tổng cộng các dòng hải lưu trên toàn thế giới ước tính mỗi năm có thể cung cấp 8760 kWh, tương đương khi ta đốt 1 tỷ tấn dầu mỏ để sản xuất ra điện. Ngoài ra, dòng hải lưu để phát điện sẽ không làm ô nhiễm môi trường, không chiếm dụng điện tích đất liền, hình 2.5.
Hình 2. 5 Trạm phát điện hải lưu SeaGen, Bắc Ailen
2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện hải lưu
Ở một vài nơi trên thế giới, dòng hải lưu chảy qua eo biển hẹp, ở đó người ta có thể lắp đặt các turbine kiểu ngập để phát điện. Tốc độ dòng luôn tăng lên khi nước biển chảy từ một lòng dẫn sâu và rộng vào một lòng dẫn nông và hẹp. Khi nước biển
chảy qua những nơi như thế với vận tốc cao thì turbine kiểu ngập sẽ hoạt động với hiệu suất cao. Dòng hải lưu quanh Nam Cực kết hợp với dòng hải lưu Falkland đẩy nước biển chảy qua một eo biển hẹp có tên là Falkland Sound, ngăn cách Tây Falkland và Đông Falkland. Tại nơi hẹp nhất (và nông nhất), eo rộng khoảng một dặm, có thể lắp đặt turbine thuỷ. Dòng hải lưu quanh Nam Cực cũng chảy qua các eo biển tương tự ngăn cách các hòn đảo nằm ở phía nam Tierra Del Fuego phía Chile. Ở những nơi như thế, có thể sản xuất điện năng được từ dòng hải lưu với hiệu suất cao (trên 25%), công trình có thể khả thi và hiệu quả về kinh tế. Có thể khai thác năng lượng theo cách khác như đào một đường hầm dưới dải đất hẹp chia cắt hai vùng biển này.
Công nghệ xây dựng đường hầm trong đất đã được khẳng định và tiếp tục cải thiện và phát triển. Chi phí xây dựng một đường hầm dài 16 dặm dưới nước và dưới lòng đất ở vịnh Chignecto và eo biển Northumberland có thể cạnh tranh được với chi phí xây dựng đập ngăn nước và turbine kiểu ngập ở cửa vào vịnh Fundy rộng 40 dặm. Turbine trong đường hầm có thể hoạt động với hiệu suất biến đổi năng lượng trên 80% khi nước chảy nhanh trong khi thiết kế của turbine kiểu ngập sẽ chỉ hoạt động với hiệu suất gần 45% trong nước chảy chậm. Dần dần hiệu suất cao của turbine trong đường hầm có thể tạo ra đủ doanh số từ việc bán điện đến mức chi phí ban đầu cao hơn là có thể chấp nhận được.
Đường hầm cho phép sử dụng năng lượng đại dương để phát điện trong vịnh Fundy vào lúc thủy triều không thay đổi. Năng lượng này được tạo ra do dòng hải lưu và gió tây. Turbine đường hầm hoạt động kết hợp với các trạm phát điện thuỷ triều ở sông Saint John và vịnh Minas làm cho việc chuyển hoá điện năng từ đại dương ở vịnh Fundy mang tính khả thi và cạnh tranh về giá cả. Trước đây ý tưởng kết hợp hai lớp nước qua một đường hầm được xem là không thực tế. Tiến bộ của công nghệ xây dựng đường hầm và công nghệ turbine thuỷ lực làm cho phương thức xây đường hầm mang tính cạnh tranh ở những nơi như cực đông của vịnh Fundy và ở giữa vịnh Placentia và vịnh Triniti.
Trong nhà máy sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu, công suất P (kW) được tính bằng: P =1 2𝐴𝑣3 (3. 2) Trong đó: - P là công suất (kW). - η là hiệu suất turbine.
- ρ là tỷ trọng của nước biển (1025 kg/m ). - A là diện tích cánh turbine (m2).
- v là vận tốc dòng chảy (m/s).
2.1.3 Thủy điện sóng biển 2.1.3.1 Giới thiệu chung 2.1.3.1 Giới thiệu chung
Năng lượng sóng biển được khai thác từ động năng sinh ra từ sóng biển. Có thể nói đây là một nguồn tài nguyên dồi dào và vô tận, chỉ cần 1 km2 mặt nước biển và với những công nghệ rất bình thường là ta đã có thể tạo ra 1 nguồn năng lượng điện rất lớn phục vụ cho con người, hình 2.6.
Hình 2. 6 Mô tả năng lượng của sóng biển nhà máy thuỷ điện sóng biển
2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện sóng biển Phương pháp Cockrell Raft:
Phương pháp sản xuất điện từ sóng: để thu được từ sóng người ta dùng phương pháp dao động cột nước. Ngoài ra còn dùng một số cách khác như: Máy cuộn sóng, máy phát điện cánh ngầm, thiết bị anaconda (Anh), hình 2.7.
Hình 2. 7 Máy phát điện sóng biển cánh ngầm
Bộ biến đổi DEXA được phát minh năm 1980 bởi Christopher cockerell. Ban đầu, Cockerell Raft bao gồm 2 cái phao nổi được lắp bản lề với nhau và được làm ướt với 1 hệ thống truyền năng lượng thủy lực. Trong DEXA, Cockerell Raft bao gồm 2 cái phao và 1 hệ thống thủy lực từ công nghệ ban đầu, hình 2.8.
Cockerell Raft DEXA conveter
Cockerell Rafl Phao đặc
Phương pháp DEXA:
DEXA dựa trên nguyên lý có một cái phao phẳng, di chuyển ra khỏi vị trí cân bằng của nó. Nó sẽ lấy lại cân bằng với 1 lực của 44% trong khối lượng tổng của nó. Bằng cách bố trí lực nổi và khối lượng tại điểm cuối bên ngoài của phao, lực nổi có thể được tối ưu hóa chống lại tiêu hao vật liệu. Vì vậy, lực giữ thăng bằng bây giờ là 50% thay vì 44% và tiêu hao vật liệu cũng được giảm bớt khi so sánh với phao đặc. Mỗi phao DEXA gồm 2 phao dạng ống được nối với thanh giằng chắc chắn để sự phân phối năng lượng được tối ưu, hình 2.9.
Hình 2. 9 Cơ cấu DEXA 2 phao
Phao DEXA xuất hiện với 4 cái phao nhưng chỉ có các phao ống được nối đôi => vì vậy, có thể xem như chỉ có 2 phao, hình 2.10.
Hình 2. 10 Mô tả sự truyền lực trong DEXA Converler trong suốt ¼ chu kỳ sóng
Lực được sinh ra có thể nén và đẩy xylanh thủy lực, cho phép truyền năng lượng kép. Nếu lực được tách ra n chu vi ngoài của phao nghiêng => lực sẽ là 44% (hay 50%) khối lượng tổng hay lực nổi của phao => quãng đường S tương đối lớn và lực
F yếu đi trong những giới hạn của hệ thống thủy lực. Điều này sẽ làm giảm chu vi truyền năng lượng, hình 2.11.
Hình 2. 11 Mô tả quan hệ lực tạo ra với bước sóng
Quãng đường được giảm xuống nhưng lực được tăng lên. Khi năng lượng là tích số giữa lực (N) và quãng đường (m) thì năng lượng không thay đổi. Mỗi sóng với chiều cao trên giới hạn lực nâng sẽ bắt đầu chuyển động của lưu chất trong hệ thống và phát ra điện năng.
2.1.3.3 Tính toán kỹ thuật
Giả sử mỗi phao nặng 2 tấn và lực nổi của mỗi phao như hình 2.12.
Hình 2. 12 Mô tả nguyên tắc sinh công
Chiều cao sóng được giả định là 20 cm (nơi mà làm lưu chất chảy). Chiều cao thực tế là 60 cm với chu kỳ là 3 giây (s).
- Mỗi sóng sẽ sinh ra một lực nâng cho trọng lượng 1 tấn của phao là 9,8 kN. - Do sử dụng bán kính truyền năng lượng của 1:4 => lực nâng để trọng lượng 4 tấn là: 4 x 9,8 kN = 39,2 kN.
Đường kính ngoài của chuyển động là: (60 - 20/2) cm = 50 cm => Do đó, bán kính bên trong PTO là 12,5 cm.
Năng lượng do sóng sinh ra:
Q = F.S ( KJ). (2.3)
Công suất do sóng sinh ra:
Với F (kN), S (m), Tp (s).
Vì công suất trục là 1 kW nên phải giảm công suất ra bằng cách đưa sự mất mát hệ thống thủy lực ra khỏi hệ thống.
Ta lấy mốc quy chiếu là lít/phút.
Ta sử dụng 1 xylanh 50 cm cung cấp 180 bar áp suất làm việc (chọn xy lanh phù hợp cho 200 bar áp suất làm việc ở 39 kN ). Lưu lượng lưu chất trong 1 dao động sóng ( kí hiệu: FLW ) được tính:
FL = r2..l = 1,52 (cm). 3,4.50 (mm) = 0,5 lít/dao động. Tp = 3 (s) → số lần dao động n: n = 20 dao động/phút.
→ Lưu lượng lưu chất chạy qua động cơ trong 1 phút ( FLM ): FLM = FLW.N = 0,25.20 = 5 lít/phút.
Từ datasheet của động cơ thủy lực: cứ đưa vào động cơ 1 lượng lưu chất là 4 lít/phút thì sẽ phát ra 1 kW.
Do đó, với lưu lượng là 5 lít/phút thì: Công suất dự kiến là: 5/4 = 1,25 kW.
Công suất này trên trục động cơ thủy lực là phù hợp với dự kiến mất mát của hệ thống thủy lực là 25 – 30%.
2.1.4 Thủy điện dòng suối (kênh dẫn) 2.1.4.1 Giới thiệu chung 2.1.4.1 Giới thiệu chung
Thủy điện dòng suối là nguồn điện được lấy từ năng lượng từ các dòng chảy của những dòng suối nhỏ có độ dốc thích hợp. Điện năng lấy từ nước có thể được khai thác bằng nhiều cách khác nhau, bằng cách xây dựng một đập trên một cửa sông và xả nước một cách kiểm soát thông qua một turbine. Đây là một công nghệ đã được sử dụng từ rất lâu trên thế giới. Thủy điện nói chung có thể khai thác với nhiều quy mo lớn nhỏ khác nhau. Trong thực tế có thể phân loại thủy điện theo quy mô công suất.
- Thủy điện lớn, từ 100 MW trở lên thuộc hệ thống quốc gia; - Thủy điện vừa, 15-100 MW thường được hòa lưới khu vực;
- Thủy điện nhỏ, 1-15 MW có thể hòa lưới phân tán, nhưng dưới 1MW thường đứng một mình hoặc hòa lưới phân tán (địa phương);
- Vi thủy điện, từ 5kW lên đến 100 kW; thường được cung cấp năng lượng cho một nhỏ cộng đồng hay ngành công nghiệp nông thôn vùng sâu vùng xa không có điện lưới.
- Pico-thủy điện từ một vài trăm W đến 5kW, sử dụng các hộ gia đình;
Thủy điện nhỏ là sự khai thác quy mô nhỏ của năng lượng từ dòng chảy của nước. Ví dụ: khai thác thủy năng từ một con sông địa phương để cấp năng lượng cho một nhà máy sản xuất nhỏ hoặc một địa phương, hay một cộng đồng dân cư nhỏ mà ở đấy lưới điện quốc gia không vươn tới được. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đề cập đến loại thủy điện nhỏ dòng suối.
Trong vài thập kỷ qua, đã có một nhận thức ngày càng cao ở các nước đang phát triển. Các dự án thủy điện nhỏ có một vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế ở các khu vực nông thôn, đặc biệt là miền núi. Các dự án thủy điện nhỏ có thể cung cấp năng lượng cho công nghiệp, nông nghiệp. Điện năng được sản xuất thông qua một