Như đã nói ở trên, thủy triều là hiện tượng nước đại dương dâng lên hạ xuống do lực hút của Mặt Trời, Mặt Trăng và sự quay của Quả Đất. Sự chuyển động tương đối của các hành tinh này tạo ra các chu kỳ thủy triều khác nhau như chu kỳ nửa ngày (semi – diurual cycle), chu kỳ “con nước lớn” (spring – reap cycle), chu kỳ nửa năm (semi – annual cycle) và các chu kỳ khác dài hơn. Các chu kỳ này ảnh hường đến độ chênh lệch của thủy triều. Để khai thác năng lượng thủy triều, để thiết kế và xây dựng các hệ thống năng lượng thủy triều, cần phải hiểu biết đầy đủ các quy luật vận động của thủy triều. Biên độ của các chu kỳ thủy triều tăng lên một cách rất đáng kể ở một số vùng biện có
149
địa hình đặc biệt như ở các cửa sông, ở các vịnh dạng hình phễu, ở các khu vực có các đảo hay các doi đất chia mặt biển thành từng ngăn tạo ra sự phản xạ và cộng hưởng sóng biển. Ở Severn Estury (nước Anh) do có sự kết hợp của một số điều kiện địa lý đặc biệt nói trên nên ở đây có thủy triều cao nhất trên thế giới.
Nguyên tắc khai thác năng lượng thủy triều nói chung cũng giống như khai thác năng lượng các dòng sông, nhưng đối với công nghệ và kỹ thuật phát điện từ năng lượng thủy triều có nhiều thuận lợi hơn. Khi thủy triều dâng lên, các cửa kênh dẫn được mở ra để nước biển chảy vào các hồ chứa và sau đó khi thủy triều rút các cửa kênh được đóng lại để tạo ra một cột nước giữa mặt biển và mặt nước trong hồ. Lượng nước giữ lại trong hồ được xả dần qua tuabin để phát điện. Có nhiều hệ thống phức tạp hơn cho phép phát điện theo hai chiều của dóng nước thủy triều, khi lên và khi xuống.
Để điều khiển mức nước trong hồ người ta thường phải xây dựng các đập. Tuy nhiên cũng có một số phương án không sử dụng đập chắn nước. Theo phương án này người ta đặt các tuabin rất lớn vào ngay trong dòng thủy triều giống như đặt các tuabin gió trong các luồng gió. Ở một số vịnh, các dòng thủy triều chảy vào và chảy ra rất mạnh tạo ra một nguồn động năng rất lớn làm quay các tuabin phát điện. Trong trường hợp này người ta không cần xây dựng các đập mà đặt nhiều tuabin phân tán trên một khu vực rộng. Phương pháp khai thác thủy triều này tuy đơn giản nhưng lại gây ra những ảnh hưởng lớn về môi trường.
Các hệ thống năng lượng thủy triều có hồ chứa có thể được thiết kế để hoạt động theo một trong ba phương thức sau:
- Phát điện khi triều xuống;
- Phát điện khi triều lên;
150
a- Phát điện khi triều xuống
Khi thủy triều đang lên người ta mở các cửa kênh dẫn cho nước chảy qua tuabin vào hồ chứa. Đến khi mức nước thủy triều đạt giá trị cao nhất người ta đóng các cửa kênh để giữ lại nước trong hồ. Mức nước trong hồ được giữ cho đến khi thủy triều đã rút xuống tạo ra một cột nước có độ cao xác định nào đó, người ta bắt đầu mở cửa kênh cho nước qua tuabin để phát điện. Khi đó cột nước giữa mặt nước trong hồ và mặt nước biển giảm dần xuống. người ta cho tuabin phát điện cho đến khi cột nước giảm chỉ còn khoảng một nửa so với cột nước ban đầu (thì cho tuabin ngừng phát điện). Hình 1.9 cho thấy chu trình phát điện của nhà máy điện thủy triều theo phương pháp này.
b- Phát điện khi triều lên
Phương thức phát điện này ngược lại với phương thức phát điện khi triều xuống. khi thủy triều ở mức thấp nhất người ta cho nước trong hồ chảy ra hết theo các kênh dẫn. Sau đó đóng các kênh lại. Khi thủy triều lên, mức nước phía ngoài cửa kênh (ngoài biển) và mức nước trong kênh (trong hồ) ngày càng chênh lệch, tạo ra cột nước giữa hai mức nước. Đến khi thủy triều ở mức cao nhất thì cột nước này cũng có giá trị cực đại. Khi đó người ta mở các cửa kênh cho nước xả qua các tuabin vào hồ và tuabin phát điện. Các tuabin làm việc cho đến khi cột nước giữa mức nước biển ngoài cửa kênh và trong hồ giảm khoảng một nửa thì dừng lại. Thực tế cho thấy rằng phương thức phát điện khi triều lên cho công suất điện thấp hơn so với nhà máy điện thủy triều hoạt động theo phương thức phát điện khi triều xuống.
c- Phát điện cả hai chiều
Phát điện cả hai chiều là sự kết hợp cả hai phương thức phát điện nói trên. Cuối giai đoạn phát điện khi thủy triều xuống các cửa kênh được mở ra để làm cho mức nước trong hồ hạ thấp xuống. Đến thời điểm mức nước trong hồ đã ở mức thấp nhất, người ta lập tức chuẩn bị cho giai đoạn phát điện khi triều lên. Cũng tương tự như vậy, ở cuối giai đoạn
151
phát điện khi triều lên người ta lại mở các kênh ngay lập tức để làm cho hồ đầy nước trước lúc chuyển sang giai đoạn phát điện khi triều xuống. Nguyên lý vận hành phát điện này đã được áp dụng ở Nhà máy Điện thủy triều ở La Rance (Pháp).
Ưu điểm chính của phương pháp phát điện hai chiều là làm tăng thời gian phát điện của nhà máy trong ngày. Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm. Đó là điện năng do nhà máy phát ra thấp hơn điện năng nếu nhà máy đó hoạt động theo phương thức phát điện khi triều xuống. Ngoài ra chi phí xây dựng nhà máy cao hơn khoảng 15 đến 20% so với chi phí xây dựng nhà máy cùng công suất hoạt động khi triều xuống. Một vấn đề khác nữa là nó còn gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự hoạt động bình thường của các cảng biển và hàng hải khu vực lân cận.
Để nâng cao hiệu quả của nhà máy phát điện thủy triều người ta thường kết hợp phát điện theo chu trình thủy triều tự nhiên và bơm cưỡng bức theo chiều ngược lại với chiều dòng thủy triều để duy trì độ cao cột nước có giá trị cao lâu hơn và do đó điện năng phát ra được lớn hơn. Hình 1.10 bày các chu kỳ phát điện và bơm nước ở một nhà máy điện thủy triều hoạt động theo phương thức hai chiều.
152
Hình 3.1 Công suất phát điện của một nhà máy điện thủy triều hoạt
động theo chu trình triều xuống.
Hình 3.2 Vận hành tuốc bin trong nhà máy điện thủy triều vận hành theo công nghệphát điện hai chiều kết hợp bơm nước
153