nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ

19 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI ĐIỆN CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU... Tua bin thủy điện với máy phát điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học viên : Hoàng Thanh Nam

Người HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Ngày hoàn thành đề tài :

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

HỌC VIÊN

Hoàng Thanh Nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả

trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chƣa từng đƣợc ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 11 năm 2011

Tác giả luận văn

Hoàng Thanh Nam

CHƯƠNG I NĂNG LƯỢNG MỚI, TÁI TẠO VÀ TRẠM PHÁT THỦY

1.1.3 Tiềm năng và ứng dụng năng lượng mới, tái tạo tại Việt Nam 13

1.2.2 Các công trình thiết bị chính trong nhà máy thủy điện 19 1.2.3 Hệ thống thủy điện công suất cực nhỏ (MHP) 19 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG

BIẾN ĐỔI ĐIỆN CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ VÀ

MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1.3 Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG

SUẤT CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ SỬ DỤNG

MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG NỐI LƯỚI

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN MATLAB &

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NLTT Năng lượng tái tạo

MHP Trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ (Micro Hydro Power)

NMTĐ Nhà máy thủy điện

PMSG Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet

Synchhronous Generator)

SCIR Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (Squirel Cage Induction Gennerator) DFIG Máy phát điện đồng bộ nam châm điện (Doubly- Fed Induction

Gennerator)

AC-DC Bộ chỉnh lưu xoay chiều sang một chiều

DC-DC Bộ biến đổi một chiều-một chiều

DC-AC Bộ nghịch lưu biến đổi một chiều thành xoay chiều

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1.14 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện trực tiếp với

1.15 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới

1.16 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không nối

2.4 Các phương pháp gắn nam châm vĩnh cửu vào rôto 30

3.1 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam

châm vĩnh cửu không nối lưới có nguồn dự phòng 32

3.2 Sơ đồ bộ chỉnh lưu AC - DC không điều khiển 33

3 3 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng áp

34

3 4 Mạch tương đương khi T1 dẫn, D2 tự khóa 35

3 6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác 41

3 8 Mạch tương đương của bộ buck: (a) khi van Q dẫn, (b) khi van Q khóa 44

3.12 Phương pháp điều chế lưỡng cực: sơ cấp biến áp luôn nhận + UDC hoặc

3.13 Phương pháp điều chế đơn cực: tùy theo nửa chu kỳ, sơ cấp MBA chỉ

4 2 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp 51

4 3 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy 53

4 4 Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy 54

4 5 Mô phỏng khối DC-AC, gồm 3 nghịch lưu một pha ghép lại 56

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đi cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới thì nhu cầu sử dụng năng lượng của con người cho sản xuất và đời sống ngày càng tăng cao Bước sang thế kỷ 21 con người đang phải đối mặt với rất nhiều nỗi lo về năng lượng đặc biệt đó là: sự giảm sút và cạn kiệt nhanh chóng của các nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời cũng chứng kiến nhiều sự cố của các công trình năng lượng hạt nhân gây nên các thảm họa kinh hoàng cho môi trường cả một vùng rộng lớn và ảnh hưởng trực tiếp đến sự tồn tại của con người Một chủ đề năng lượng đang con người quan tâm và đã

có một số nước ưu tiên phát triển đó là “năng lượng mới và tái tạo”, nguồn năng lượng này sẽ dần thay thế dần cho các nguồn năng lượng truyền thống Một trong những nguồn năng lượng mới và tái tạo đó được nghiên cứu sử dụng rỗng rãi ở rất nhiều nước đó là vi thủy điện Ở Việt Nam hiện nay, hầu hết các trạm vi thủy điện được xây dựng và lắp đặt hầu như là tự phát, các trạm sử dụng các thiết bị máy móc thô sơ, nhập khẩu từ Trung Quốc dẫn đến chất lượng điện năng đem lại không cao, gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ thiết bị dùng điện Một vấn đề cấp bách cần phải giải quyết hiện nay đó là phải nâng cao chất lượng điện cho các trạm vi thủy điện

Sau hơn hai năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học kỹ thuật Công

Nghiệp Thái Nguyên, tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dụng: ” Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ” Với sự giúp đỡ và ủng hộ của các thày cô giáo, các bạn bè đồng

nghiệp cũng sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành xong luận văn với đầy

đủ nội dung của đề tài Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức, trình độ ngoại ngữ có hạn,lĩnh vực nghiên cứu cong mới mẻ nên luận văn của tôi sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của các quý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến lĩnh vực này để bản luận văn của tôi được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn tới các thày cô giáo cùng với các cán bộ thuộc khoa sau đại học Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới thày giáo PGS.TS Nguyên Văn Liễn, hiện là giảng viên Trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã tận tình trang bị kiến thức, dùi dắt, chỉ bảo, động viên tôi trong suốt thời gian qua

Thái Nguyên, ngày tháng năm

HỌC VIÊN

Hoàng Thanh Nam

I.Tính cấp thiết của đề tài

Điện năng là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước và là điều kiện tiên quyết cho mọi hoạt động sản xuất công nghiệp và dịch vụ hiện nay Điện năng có ý nghĩa vô cùng quan trọng bên với quốc phòng, an ninh của mỗi quốc gia trên thế giới Với điều kiện kinh tế khó khăn như nước hiện nay hệ thống điện lưới quốc gia chưa thể kéo được đến toàn bộ các vùng miền, đặc biệt ở các hải đảo xa xôi, các vùng núi cao hẻo lánh, đồng thời nước ta đang phải đối mặt với tình trạng thiếu điện triền miên cho sản xuất và sinh hoạt dẫn đến việc cung cấp điện không được liên tục Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang từng bước được trú trọng và phát triển Một trong những nguồn năng lượng tái tạo mà nước ta đang hướng đến là việc xây dựng các trạm thủy điện cực nhỏ

Ở Việt Nam hầu hết các trạm thủy điện cực nhỏ được xây dựng và lắp đặt là tự phát, sử dụng các thiết bị máy móc thô sơ, nhập khẩu từ Trung Quốc dẫn đến chất lượng điện năng đem lại không cao, gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ thiết bị dùng điện Không chỉ dừng lại ở các hộ gia đình dùng điện mà hiện nay các khu du lịch sinh thái, các trạm thu phát sóng viễn thông được xây dựng ngày càng nhiều ở các vùng núi cao, hải đảo, chúng đòi hỏi phải có một nguồn điện năng có chất lượng cao

và liên tục Vì vậy việc thực hiện đề tài : Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi điện ứng dụng cho trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ” nhằm mục đích nâng cao

chất lượng điện áp, tính ổn định cho các trạm vi thủy điện là một vấn đề hết sức cần thiết

II.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1 Ý nghĩa khoa học:

Đề tài đã tổng hợp đánh giá, dự báo được tình hình phát triển nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng sạch và tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay Đồng thời đã đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cho các trạm thủy điện công suất cực nhỏ

2 Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả dự kiến giúp nâng cao chất lượng điện áp trong trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ, khai thác vận hành và cải tiến các thiết bị hiện có nhằm cung cấp điện áp có chất lượng cho nhu cầu sử dụng điện cho các hộ dùng điện

III Phương pháp thực hiện nghiên cứu

Để giải quyết được những vấn đề đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Tổng hợp, đánh giá sự phát triển các nguồn năng lượng mới, tái tạo trên thế giới

và của Việt Nam hiện nay

- Phân tích hệ thống thủy điện nói chung và trạm phát thủy điện công suất cực nhỏ nói riêng

- Xây dựng mô hình hệ thống, lựa chọn các bộ biến đổi điện và mô phỏng

IV Nội dung nghiên cứu

Bản luận văn được chia làm 4 chương với những nội dung chính như sau:

Chương I Năng lượng mới, tái tạo và trạm phát thủy điện nhỏ: Nêu lên tổng

quan về năng lượng mới và tái tạo, tiềm năng và ứng dụng tại Việt Nam Giới thiệu những kiến thức cơ bản về các công trình thủy điện nhỏ

Chương II Các phương án xây dựng cấu trúc hệ thống biến đổi điện điện cho trạm thủy điện công suất cực nhỏ và máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: Giới

thiệu một số cấu trúc hệ thống biến đổi điện cơ bản từ đó chọn ra phương án cấu trúc phù hợp với yêu cầu của đề tài, đồng thời nêu lên tổng quan về của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chương III Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi công suất cho trạm thủy điện công suất cực nhỏ sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu không nói lưới

Phân tích những bộ biến đổi cơ bản, chọn phương án điều khiển

Chương IV Mô phỏng các bộ biến đổi trên Matlab và Simulink Kiểm tra tính

đúng đắn của phương án thiết kế thông qua kết quả mô phỏng

CHƯƠNG I NĂNG LƯỢNG MỚI, TÁI TẠO VÀ TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1.1 Năng lượng mới và tái tạo

Năng lượng mới và tái tạo là những dạng năng lượng từ thiên nhiên liên tục, vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường chuyển thành dạng năng lượng cần thiết cho sản xuất và sinh hoạt mà không ảnh hưởng đến môi trường và hệ sinh thái Năng lượng mới và tái tạo bao gồm các dạng sau: Năng lượng mặt trời; Năng lượng gió; Thủy điện nhỏ; Năng lượng sinh khối;Năng lượng địa nhiệt; Năng lượng đại dương ( Thủy triều, sóng biển, nhiệt đại dương,…)

Năng lượng mới và tái tạo tránh được tất cả các nhược điểm của các nguồn năng lượng truyền thống và có rất nhiều ưu điểm như: không làm ô nhiễm không khí, không tạo ra hiệu ứng nhà kính, không tạo ra phế thải rắn và khí như các nguồn năng lượng do than đá, khí đốt và năng lượng nguyên tử, có thể thiết lập ngay tại khu đông đúc gia cư, hay ngay trên nóc các chung cư hay xưởng sản xuất lớn Đây là một loại năng lượng sạch, sản xuất ra không gây tiếng động, không độc hại, không sử dụng nguồn nguyên liệu có gốc hữu cơ, đáng tin cậy và trong một tương lai gần sẽ là một nguồn năng lượng rẻ nhất cho các đơn vị dân cư và cơ sở thương mại Tuy nhiên năng lượng mới và tái tạo lại có những hạn chế như giá thành xây dựng và lớp đặt cao, quy

mô đầu tư lớn, phức tạp, hiệu suất đem lại chưa cao so với các dạng năng lượng truyền thống nên chưa được đầu tư sử dụng rộng rãi

1.1.2 Các nguồn năng lượng mới và tái tạo

a Nguồn năng lượng mặt trời

Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của

sự sống trái đất Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòn bức xạ từ mặt trời xuống trái đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoản 5 tỷ năm nữa

Để biến nguồn năng lượng mặt trời thành dạng năng lượng có ích cho chúng ta,hiện nay con người đã nghiên cứu một số công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời này như sau:

- Công nghệ nhà kính:

Khi các tia xạ mặt trời được đưa vào một hộp đậy bằng kính trong đó có đặt tấm hấp thụ nhiệt kim loại mầu đen thì chúng bị hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt, tấm kim loại nóng lên này lại bức xạ nhiệt thứ cấp có bước sóng lớn hơn đi lên phía trên nhưng bị tấm kính đậy ngăn lại Chính vì như vậy khi chiếu ánh nắng liên tục vào hộp thủy tinh chúng sẽ bị giữ lại, làm cho tấm kim loại nóng dần lên đến hàng trăm độ C, năng lượng mặt trời lúc này chỉ vào nhưng không ra được

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm công nghệ nhà kính

- Công nghệ nhiệt điện mặt trời:

Người ta sử dụng kính hội tụ đi kèm với bộ dõi theo sự chuyển động của mặt trời để hội tụ các tia mặt trời một cách liên tục ứng với một diện tích yêu cầu Các bộ hội tụ là các máng Parapol, tia ánh sáng mặt trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội

tụ, tại đường tiêu hội tụ này nhiệt độ có thể đạt 4000 C hoặc cao hơn để từ đó làm nóng môi chất dùng để tạo ra hơi và áp suất quay tuabin máy phát điện.

- Công nghệ Pin mặt trời:

Đây còn được gọi là công nghệ pin quang

điện, khác với công nghệ nhiệt điện mặt trời nhờ sự hội tụ các tia bức xạ để tạo thành nguồn nhiệt lớn thì công nghệ pin mặt trời biến đổi ngay năng lượng mặt trời thành điện năng nhờ các tế bào quang điện được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện Các Pin mặt trời liên tục sản xuất ra điện

chừng nào ánh sáng mặt trời còn chiếu đến nó

4 1

2

3

TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô Tia s¸ng mÆt trêi

1 2 3 4

Hình 1.2 Pin mặt trời

Khi ánh nắng mặt trời chiếu vào bề mặt pin, ánh sáng sẽ tạo trong lớp bán dẫn lân cận tiếp xúc pn các cặp điện tử - lỗ trống Các cặp này là các hạt dẫn điện mang điện tích âm (điện tử) và điện tích dương (lỗ trống) Do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bán dẫn, tại đó đã có sẵn một điện trường E tx Điện trường này ngay lập tức tách điện tử và lỗ trống trong các cặp điện tử-lỗ trống vừa được ánh sáng tạo ra và bắt hai loại hạt này chuyển động theo hai chiều ngược nhau tạo nên dòng điện Vì vậy nếu nối các điện cực trên và dưới bằng một dây dẫn có bóng đèn thì dòng điện sẽ đi qua dây dẫn đó làm cho bóng đèn sáng lên Hiện tượng chiếu ánh sáng vào lớp tiếp xúc bán dẫn pn ta thu được dòng điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng quang điện Như vậy pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trên

Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời đang được con người nghiên cứu và phát triển ứng dụng rộng rãi trong đời sống xã hội như: việc xây dựng các tòa nhà cao

ốc sử dụng ánh sáng mặt trời; tạo ra các loại máy sấy, lò sấy; hệ thống sản xuất nước nóng

b Nguồn năng lượng gió

Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đung nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và

áp suất giữa nhiều vùng khác nhau và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển sang những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi trên khắp các bề mặt của địa cầu Từ xa xưa người ta đã sử dụng năng lượng gió để vận chuyển đường thủy bằng những cánh buồm, cho đến khi xuất hiện khinh khí cầu

để đi lại, rồi đến máy phát điện

Hiện nay để sử dụng năng lượng gió thành những nguồn năng lượng phục vụ cho đời sống xã hội, co người đã có hai công nghệ như sau:

- Hệ thống cối xay gió: Cối xay gió là một loại máy chạy bằng sức gió Máy

này được thiết kế để biến năng lượng gió thành các dạng hữu dụng hơn Cối xay gió được thiết kế theo hai kiểu: trục đứng và trục ngang Ở châu Âu, ban đầu người ta dùng cối xay gió để xay bột, về sau, cối xay gió được dùng để bơm nước, và gần đây

nó đã cải tiến thành máy phát điện sức gió

- Công nghệ máy phát điện sức gió: Để lợi dụng các luồng gió thổi trên bề mặt

trái đât, người ta tiến hành xây dựng các trạm phong điện ở những nơi có lưu lượng, tốc độ gió tương đối lớn và ổn định Người ta tiến hành lắp đặt hệ thống tuabin gió gắn với một máy phát điện qua hệ thống bánh răng nhằm biến động năng của gió

thành động năng quay tua bin rồi kéo máy phát điện

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục, hộp bánh răng và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng Máy phát điện tuốc bin gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tuốc bin gió Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù hợp Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra

c Nguồn năng lượng thủy điện nhỏ

Thuật ngữ thủy điện nhỏ được dùng với các công trình thủy điện có công suất đến 10 MW Còn khái niệm thủy điện cực nhỏ (tên tiếng Anh: Micro Hydro Power viết tắt MHP) chỉ các thủy điện nhỏ có công suất dưới 100 KW Hệ thống có thể cung cấp điện cho một cộng đồng nhà hoặc một hộ dùng điện cô lập, hoặc đôi khi được kết nối với mạng lưới điện Hiện nay đã có rất nhiều các loại thủy điện nhỏ kiểu này được lắp đặt và xây dựng trên khắp thế giới; trong việc phát triển điện lưới quốc gia, ở một

số nước chúng có thể cung cấp một nguồn năng lượng sạch khá lớn mà không cần mua nhiên liệu hóa thạch Về nguyên lý tạo ra điện năng thì thủy điện nhỏ hay các công trình điện lớn đều dùng nguồn thủy năng dồi dào biến chúng thành động năng quay tuabin máy phát để tạo ra điện năng

Ở nhiều vùng đã phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo này, do nhu cầu năng lượng tương đối lớn và liên tục thì hệ thống vi thủy điện thường xuyên được lắp đặt cùng với các hệ thống năng lượng mặt trời để chúng hỗ trợ cho nhau trong việc cung cấp năng lượng điện cho đời sống xã hội Vào mùa hè khi mà nhu cầu năng lượng tăng lên đột biến, nhưng lưu lượng nước và công suất phát điện không tăng thì

hệ thống pin mặt trời lại bổ sung thêm nguồn năng lượng điện cho hệ thống MHP, nhưng ngược lại vào mùa đông khi ánh nắng mặt trời ở mức tối thiểu, dòng chảy vẫn được đảm bảo thì hệ thống MHP lại bổ sung năng lượng điện cho hệ thống pin mặt trời

d Nguồn năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối là nguồn khí nhiêu liệu được tạo ra từ việc phân hủy các chất hữu cơ, nguồn năng lượng này rất dồi dào và được xếp vào loại năng lượng tái tạo Sinh khối bao gồm các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ lạc, cà

phê các loại phế thải từ động vật như : phân gia súc, gia cầm Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch khác đang bị khai thác cạn kiệt, gây hủy hoại đến môi trường Tại một số địa phương ở nông thôn nước ta nguồn nhiên liệu khí đó đã được dùng trong các hộ gia đình nhờ đó sẽ giảm việc phụ thuộc vào khí ga, than trong việc phục vụ chăn nuôi và sinh hoạt

e Nguồn năng lượng địa nhiệt

Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên trong lòng đất, dưới một lớp không khí không dày lắm, nhiệt độ lên từ 1000 đến 4000 0

C.Càng đi sâu xuống dưới các tầng trong lòng đất thì nhiệt độ càng tăng Trên cùng là lớp vỏ trái đất nhiệt độ trung bình

là 15 0 C, lớp tiếp theo là 5400 C còn lớp lõi có nhiệt độ trung bình là 70000

C Theo đánh giá của các chuyên gia, thì có khoảng 10 % diện tích vỏ trái đất có chứa nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó,các nguồn này có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn Hiện nay nguồn năng lượng địa nhiệt mà chúng ta hay gặp như: các suối nước nóng, dòng hải lưu nước nóng, núi lửa Người

ta khai thác năng lượng địa nhiệt bằng cách khoan các giếng sâu xuống lòng đất ở tầng chứa nước nóng Nguồn nhiệt lượng này được đưa lên mặt đất dưới dạng hơi nóng hoặc nước nóng, và có thể sử dụng trực tiếp để sưới ấm nhà ở, sấy nông sản, sưởi ấm các nhà kính trồng rau xanh… hoặc dùng để sản xuất điện năng

f Nguồn năng lượng đại dương

Nguồn năng lượng đại dương được chia làm 3 loại chính: năng lượng thủy triều, năng lượng nhiệt đại dương, năng lượng sóng biển Tiềm năng của nguồn năng lượng này là vô cùng lớn Hiện nay trong các nguồn năng lượng đại dương thì năng lượng thủy triều đang được khai thác nhiều hơn cả, trong đó một số nước đã khai thác chúng bằng việc xây dựng các nhà máy điện thủy triều.Nguyên lý hoạt động của những nhà máy điện sử dụng năng lượng nước biển đã khai thác cũng giống như nhà máy thuỷ điện truyền thống: Thoạt đầu dòng nước chảy đầy những "thùng chứa" đặc biệt, làm quay tuabin phát điện, sau đó nước từ thùng chứa thoát ra trở lại đại dương Bên cạnh những mặt mạnh là không gây ô nhiễm môi trường, nhà máy điện sử dung năng lượng nước biển vẫn không tránh khỏi một số khiếm khuyết Tương tự trường hợp đập nước trên sông, nhà máy điện kiểu này cũng gây rào cản không thể vượt qua đối với hải sản và gây khó khăn cho giao thông đường thuỷ

1.1.3 Tiềm năng và ứng dụng năng lượng mới, tái tạo tại Việt Nam

Việt Nam được đánh giá có tiềm năng dồi dào về NLTT, nhưng việc phát hiện, khai thác và sử dụng NLTT đang còn là vấn đề mới được quan tâm, và tất nhiên chưa

có vị trí xứng tầm với tiềm năng của nó Các nguồn NLTT của Việt Nam rất đa dạng

và phong phú và có thể được chia thành hai lĩnh vực khai thác là thủy điện nhỏ và

phong điện, sinh khối và mặt trời Các nguồn năng lượng này, bằng nhiều hình thức

và hoạt động, một số đã được sử dụng, tuy nhiên phần lớn tiềm năng vẫn chưa được khai thác mà mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu, khảo sát

Ở nước ta hiện nay nhu cầu điện năng của đời sống và sản xuất ngày gia tăng nhanh chóng làm cho ngành điện lực không theo kịp để đáp ứng nhu cầu năng lượng, dẫn đến việc thiếu điện triền miên khu vực, nhiều địa phương Các dự án nhà máy điện đòi hỏi phải có vốn đâu tư rất lớn, quy mô, thời gian xây dựng dài, phức tạp do

đó việc đẩy mạnh xây dựng, phát triển các nhà máy điện là một điều vô cùng khó khăn của nền kinh tế nước ta hiện nay Nếu nghiên cứu ứng dựng, tiến hành đầu tư nguồn năng lượng mới và tái tạo lại càng trở nên khó khăn hơn bao giờ hết vì kinh phí đầu tư rất lớn Như vậy để đáp ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội chúng ta phải tận dụng tối đa mọi nguồn năng lượng sẵn có biến đổi thành điện năng Có một điều mà chúng ta chưa quan tâm nhiều đến đó là việc xây dựng và phát triển các hệ thống MHP Hiện nay ở Việt Nam MHP cũng đã được xây dựng, lắp đặt ở nhiều vùng trên miền núi phía Bắc và Tây Nguyên Tuy nhiên việc phát triển nó vẫn manh mún,

tự phát, có một số dự án triển khai đến các địa phương hẻo lánh nhưng không nhiều Với điều kiện kinh tế của nước ta hiện nay MHP cũng là một hướng đi tương đối hiệu quả , trong việc khắc phục tình trạng thiếu điện hiện nay

MHP nó có nguyên lý vận hành tương tự như các hệ thống thủy điện lớn đơn thuần , tuy nhiên nó đem lại rất nhiều tính ưu việt như: nó mang đặc điểm của nguồn năng lượng mới và tái taọ, nhưng điều đặc biệt ở đây là so với các hệ thống của nguồn năng lượng mới và tái tạo khác thì mô hình MHP có vốn đầu tư ít, thiết kế đơn giản,

nó có thể áp dụng rộng rãi trong đời sống dân sinh Đây là một nguồn điện năng cung cấp không nhỏ cho hệ thống điện quốc gia nếu được xây dựng và đầu tư đúng hướng

1.2 TRẠM PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ

1.2.1 Cấu trúc chung của nhà máy thủy điện

a Các đặc trưng cơ bản của thủy năng

Dòng nước chảy trên các con sông, con suối thường có lưu lượng và tốc tộ không giống nhau kể cả trên cùng một đoạn Muốn xây dựng một hệ thống thủy điện

dù to hay nhỏ ta đều phải tiến hành khảo sát tiềm năng của thủy năng ở đó có đủ lớn

để tiến hành triển khai công trình Để xác định được tiềm năng của thủy năng ta tiến hành nghiên cứu một dòng chảy sau:

Một dòng chảy tự nhiên (sơ đồ ), dòng chảy có chiều dài là L (km) xét hai mặt cắt ngang là I-I và II-II

Hình 1.3.Sơ đồ một đoạn dòng chảy thủy năng

Tại mặt cắt I-I : gọi chiều cao mức nước là z1, vân tốc trung bình của dòng chảy

v

p z

2

2 1 1 1 1

v1, p1: vận tốc và áp suất trung bình của dòng chảy tại mặt cắt

α1 : hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phân bỗ không đều của dòng chảy trên mặt

cắt

g = 9,81 m/sec2 là gia tốc rơi tự do (bởi trọng trường)

w: thể tích mặt cắt ngang của dòng chảy (m3)

Trong lý thuyết thủy khí động học thì thành phần trong ngoặc được gọi là cột áp, có thứ nguyên là m Nó bao gồm thành phần cột áp thủy tĩnh (z+p/) và cột áp thủy động (

g

2

 ) Về trị số, cột áp bằng năng lượng chứa trong một đơn vị trọng lượng nước

dưới dạng thế năng (tương ứng với cột thủy tĩnh) và động năng (tương tứng với cột thủy động) Với dòng chảy lý tưởng, không tổn hao chỉ chịu tác dụng của lực trọng trường thì cột áp tại mọi vị trí mặt cắt đều bằng nhau và năng lượng chứa trọng khối nước W sẽ không đổi khi chuyển động Đối với dòng chảy của các dòng sông năng lượng luôn luôn bị tổn thất do có một phần biến thành công (bào mòn đá, vận chuyển phù xa, ) Vì thế khi chuyển động đến mặt cắt II-II, năng lượng chứa trong khối nước

W chỉ còn lại là:

w gv p z

2

2 2 2 2 2

E = E1- E2= w

g

p p z

Thông thường với các dòng chảy tự nhiên p và v ít thay đổi (nếu coi tiết diện mặt cắt ngang không đều và áp suất khí quyển trên mặt thoáng như nhau tại mọi nơi), khi đó công do khối nước W sinh ra khi chuyển động từ I-I đến II-II có thể tính theo công thức gần đúng

Cũng từ các công thức tính năng lượng của dòng chảy như nêu trên (công thức 1-1) ta còn nhận thấy rằng, tiềm năng tiềm tàng trong mỗi dòng sông được phân bố trải khắp chiều dài dòng chảy Một đoạn ngắn bất kỳ của dòng sông đều có chứa một năng lượng, được tính theo (1-1) Tuy nhiên mật độ phân bố không đều, đoạn có độ dốc càn lớn thì năng lượng tập trung càng cao (do H lớn), đó cũng chính là những vị trí thuận lợi để xây dựng nhà máy thủy điện

Ngoài ra dựa theo công thức (1-1) và (1-2) ta cũng có thể trực tiếp đưa ra công thức tính công suất cho nhà máy thủy điện:

NTĐ= 9,81..Q.H0 (kW) (1-3)

Trong đó:

H0 là độ chênh lệch mức nước ở phía trước và phía sau NMTĐ, còn được gọi

là cột nước hình học của nhà máy

Q: là lưu lượng nước chảy qua NMTĐ

: là hiệu suất chung của NMTĐ

Khi thiết kế để đánh giá sơ bộ công suất của NMTĐ thì ta chọn  0,86 khi đó ta có:

NTĐ  8,3.Q H0 (kW) (1-4)

Như vậy việc tạo ta sự chênh lệch mức nước H0 là điều kiện tiên quyết để xây dựng NMTĐ

b Các loại nhà máy thủy điện

- Nhà máy thủy điện kiểu đập

Bằng cách xây dựng các đặp chắn ngang sông để tạo ra chênh lệch mức nước

H0 để xây dựng nhà máy thủy điện (viết tắt là NMTĐ) khi đó ta có NMTĐ kiểu đập Đập càng cao thì công suất của NMTĐ có thể nhận dược càng lớn Tuy nhiên chiều cao của đập phải được lựa chọn kỹ lưỡng theo các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và hàng loạt các yếu tố an toàn khác (môi trường, hệ sinh thái,quốc phòng, di dân ) Mặt khác khi xây dựng đập sẽ làm cho nước dâng lên cao sẽ làm ngập một vùng rộng lớn làng mạc, ruộng đồng, các di tích lịch sử, hầm mỏ chưa khai thác Có khi chính một số yếu tố này lại ảnh hưởng đến chiều cao của đập

Nói chung NMTĐ kiểu đập thường có thể xây dựng thuận lợi ở những nơi dòng chảy có độ dốc lớn, chảy ngang qua thưng lũng của những quả đồi lúc này ta lợi dụng địa thế đó chỉ xây dựng đập nối giữa các quả đồi để ngăn dòng sông

Hình 1.4 Mô hình máy thủy điện kiểu đập

* Ưu điểm:

Có thể tạo ra cá NMTĐ công suất lớn,, do có khả năng tận dụng được toàn bộ lưu lượng nước của dòng sông Hồ chứa nước được xây dựng không những đem lại lợi ích cho thủy điện mà còn có tác dụng vận hành tối ưu nhà máy điện, điều tiết lũ, phục vụ tưới tiêu

*Nhược điểm::

+ Vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu

+ Vùng ngập nước có thể ảnh hưởng nhiều đến hệ sinh thái môi trường một vùng rộng lớn như việc di dân, biến đổi khí hậu, thảm thực vật, hệ động vật

+Nhà máy điện kiểu đập được xây dựng rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam loại này cũng được xây dựng là chủ yếu, tiêu biểu thư: thủy điện Hòa Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ

- Nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Cột nước NMTĐ còn được tạo ra bằng việc sử dụng các kênh dẫn Hệ thống bao gồm 2 phần: phần kênh dẫn hở (kênh không áp) và phần kênh dẫn kín (kênh có áp) Phần kênh dẫn hở có nhiệm vụ dẫn nước mà dòng chảy có ở mức cao đến noi mà

có dòng chảy mức thấp (vị trí NMĐ) nhưng giữ nguyên mức nước tức keenh có độ dốc nhỏ.Phần sau là phần kênh dẫn kín có nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống thấp

để chạy Tuabin

Hình 1.5 Mô hình máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Do dòng chảy trong ống kín bảo toàn được cột áp thủy tĩnh nên cột nước của NMTĐ có thể được tính từ mức nước cuối kênh dẫn hở (phía trên ống dẫn kín) đến mức nước phía sau NMTĐ Dễ thấy cột nước của nhà máy kiểu kênh dẫn có thể rất lớn nếu nguốn nước lấy được xuất phát từ vị trí cao cũng cần nói thêm là sơ đò cấu trúc của NMTĐ kểu kênh dẫn nêu trên nhằm minh họa nguyên lý chung (trong đó kênh gồm 2 phần), thực tế không nhất thiết phải có phần kênh dẫn hở, phần này chỉ được tạo ra khi có thể với địa hình cho phép và đem lại hiệu quả kinh tế (có vốn đầu

tư nhỏ hơn ống dẫn kín) Có trường hợp phần kênh dẫn hở được thay thế bằng hầm dẫn nước Áp lực nước trong hầm có thể lớn hơn áp suất khí quyển (do có độ dốc, nhưng thường không lớn)

* Ưu điểm:

Vốn đầu tư nhỏ, công suất ổn định (ít phụ thuộc vào mức nước) Địa hình thích hợp là ở các vùng núi cao có các dòng sông, suối có độ dốc chảy từ trên cao xuống Hoặc được xây dựng nơi có hai dòng sông chạy cạnh nhau với mức nước chênh lệch lớn khi đó kênh được xây dựng dẫn nước từ dòng sông có mức nước cao xuống dòng sông có mức nước thấp nhà máy được xây dựng ở bờ sông có mức nước thấp và xả nước vào dòng sông này

*Nhược điểm:

Không có hồ chứa nước do đó không điều tiết được nước và điều chỉnh công suất Khắc phục đặc điểm này trong nhiều trường hợp với địa hình cho phép người ta xây dựng các hồ nhân tạo ở các vị trí cao (phía cuối các kênh dẫn hở) Nhưng lúc này vốn đầu tư xây dựng lại tăng lên rất nhiều

- Nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp

Ở một số địa hình thích hợp, bằng việc kết hợp xây dựng đập và kênh dẫn người ta tạo ra NMTĐ kiểu hỗn hợp với công suất lớn, vốn đầu tư nhỏ, kinh tế Sơ đồ điển hình của kiểu này như hình vẽ sau Sử dụng đập ngăn phí trước và dùng kênh dẫn phía sau đập đưa dòng nước đến ống dẫn kín và xả xuống tuabin nhà máy Khi đó cột nước vẫn được tính từ mặt thoáng của hồ đến mức nước hạ lưu phía sau nhà máy tức

H= H1 + H2 Ngoài ưu điểm về kinh tế NMTĐ kiểu hỗn hợp đập và kênh dẫn có cột nước cao, công suất ổn định, có khả năng điều tiết nhờ có hồ chứa nước

Hiện nay ở Việt nam NMTĐ kiểu hỗn hợp đã được xây dựng điển hình như thủy điện YALI Dễ thấy rằng NMTĐ kiểu hỗn hợp là thực hiện từ nguyên tắc tập trung lưu lượng và tập trung độ dốc, nó đã làm nâng cao rất lớn công suất cho nhà máy Hồ chứa cho phép tập trung lượng nước còn đập và kênh dẫn tập trung cột nước

Ngoài 3 loại NMTĐ cơ bản trên còn có một số dạng khác như: nhà máy thủy triều, nhà máy thủy điện tích năng Tuy nhiên đối với các trạm MHP thì kiểu kênh dẫn vẫn được lắp đặt nhiều nhất do đại đa số các hộ dân ở những vùng núi cao tận dụng dòng chảy của các con suối nhỏ để chạy tuabin

Hình 1.6 Mô hình máy thủy điện kiểu hỗn hợp

1.2.2 Các công trình thiết bị chính trong nhà máy thủy điện

Tuy có các phương án khác nhau xây dựng NMTĐ, nhưng nói chung trong mỗi

công trình thủy điện đều có những thành phần chính sau:

- Công trình cột nước (đập, kênh dẫn, );

- Công trình điều tiết nước (hồ chứa, bể điều tiết, đường ống);

- Thiết bị biến đổi năng lượng :tuabin, máy phát ;

- Thiết bị phân phối điện: máy biến áp, máy cắt ;

- Các công trình phụ như: đập tràn, lối xả lũ, xả cát, đập tràn

1.2.3 Hệ thống thủy điện công suất cực nhỏ (MHP)

a Nguyên lý hoạt động của hệ thống MHP và các kiểu xây dựng

Như phần trước đã luận văn đã giới thiệu thì trạm thủy điện công suất cực nhỏ (MHP) là những công trình thủy điện chỉ có công suất dưới 100 KW MHP có nguyên

lý hoạt động không có gì khác so với các nhà máy điện công suất lớn đều được tạo ra bằng việc chênh lệc mức nước H0 để biến thủy năng thành động năng làm cho quay tuabin máy phát điện Tuy nhiên việc xây dựng, tính toán thiết kế đơn giản, dễ thực hiện, giá thành hạ, phù hợp cho việc cung cấp điện cho các hộ cá thể để sinh hoạt ở các vùng núi

Hiện nay tùy từng điều kiện địa hình, kinh tế cho phép mà hệ thống MHP của chúng ta có thể xây dựng lắp đặt theo kiểu kênh dẫn hoặc kiểu hỗn hợp giữa đập và kênh dẫn Mặc dù vậy khi nghiên cứu và xây dựng hệ thống ta chỉ cần thu nhỏ các nhà máy thủy điện lớn lại và rồi áp dụng với từng điều kiện cụ thể Nếu ở địa phương nào có những con suối dốc, lưu lượng nước ổn định ta sử dụng ngay phương án kênh

dẫn còn lại ở địa phương nào mà đã có sẵn hồ đập ở trên cao thì ta lắp đặt theo kiểu

hỗn hợp

+ Kiểu kênh dẫn Hệ thống này bao gồm hai phần : phần đầu là phần kênh hở

có nhiệm vụ dẫn nước từ nguồn (suối), kênh này có độ dốc nhỏ và phần thứ hai là phần ống dẫn kín có nhiệm vụ đưa nước từ trên cao xuống để chạy tuabine Tuy nhiên trên thực thế tại các hộ dùng điện mà công suất máy nhỏ thì không cần phải xây dựng

hệ

thống kênh hở mà sử dụng ngay các đường ống kín để dẫn nước trực tiếp

từ các dòng suối về để chạy tuabin Kiểu kênh dẫn có vốn đầu tư nhỏ, công suất ổn đinh (ít phụ thuộc vào mức nước), địa hình thích hợp là ở các vùng núi ở đó có các dòng suối chảy từ trên cao xuống Nhưng do

hệ thống này không có hồ chưa nước nên không có khả năng điều tiết và điều chỉnh công suất Để khắc phục nhược điểm này người ta

đã phải xây thêm một cái bể nhỏ phía thượng nguồn (phía sau các kênh hở)

+ Kiểu hỗn hợp

Đây là kiểu mang lại công suất phát điện lớn, vốn đầu tư không nhiều mà rất hiệu quả cho các nhà máy điện ,đó là sự kết hợp cả mô hình nhà máy phát điện kiểu đập và nhà máy phát điện kiểu kênh dẫn Không những tận dụng sự chênh lệch

độ cao phía dưới đập có thể nâng cao công suất máy lên đáng kể bằng việc lắp đặt thêm dẫn từ trên cao xuống

Ống dẫn kín này vẫn bảo toàn cột áp nên cột nước vẫn được tính từ mặt thoáng của hồ cho đến hạ lưu phía sau nhà máy Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng cho các nhà máy điện lớn mà thôi, nhưng nếu ở địa phương nào mà có những sẵn hồ, đập ở trên cao thì ta vẫn có thể tận dụng phương pháp này cho các MHP bằng cách dẫn nước trực tiếp qua các các bờ đập xuống hệ thống đường ống để chạy tuabin

b Cấu trúc của hệ thống MHP

Hình 1.8.Trạm MHP hỗn hợp

Hình 1.7.Trạm MHP kênh dẫn

Như đã phân tích ở trên hiện nay có hai kiểu xây dựng nhà máy điện chính đó là: kiểu kênh dẫn, kiểu hỗn hợp giữa đập và kênh dẫn Nhưng đối với hệ thống vi thủy điện thì điều đó chỉ thể hiện khác nhau về nguồn nước dẫn vào đường ống mà thôi, còn về cấu tạo và sự vận hành của các loại hệ thống MHP là như nhau Để tìm hiểu rõ hơn về một hệ thống MHP cụ thể Ta đi nghiên cứu một hệ thống MHP kiểu kênh dẫn

sử dụng cho các hộ gia đình mà không cần xây dựng kênh hở

Cấu trúc của MHP gồm ba phần: hệ thống tạo cột áp, thiết bị biến đổi năng lượng, thiết bị biến đổi và phân phối điện

- Hệ thống tạo cột áp

Hệ thống này có tác dụng tạo ra cột áp hay còn được gọi là độ chênh lệc mức nước Ho, biến thế năng và động năng của nước thành động năng quay tuabin máy phát điện Hệ thống bao gồm: bể tràn, đường ống dẫn nước

+ Bể tràn

Bể tràn được xây dựng lớn hay nhỏ tùy vào công suất cuả hệ thống Nước từ dòng suối một phần được đưa vào cửa bể và qua lọc rác (1), được giữ lại cho đến khi ngập tràn thành bể Nước tràn trên thành bể được đưa ra ngoài trở về nguồn, còn nước ở phần dưới bể được chảy qua lưới lọc rác (2) và đi vào đường ống dẫn kín cung cấp nước đến tuabin

`

Nhờ việc xây dựng thêm bể tràn mà rác có thể trôi qua thành bể ra ngoài hoặc được giữ lại trước khi vào đường ống Mặt khác bể tràn có tác dụng giữ lượng nước vào hệ thống đường ống một cách ổn định

+ Đường ống: Có hai loại là ống dẫn và ống xả

Đối với ống dẫn nó có tác dụng đưa nước từ bể tràn xuống tuabin, biến động năng

và thế năng của nước nước thành mômen quay của tuabin Để có khả năng điều chỉnh công suất máy phát người ta còn lắp thêm một cái van điều chỉnh lượng nước phía

BỂ TRÀN

LƯỚI LỌC RÁC 1

VAN TIẾT LƯU ỐNG DẪN

DÒNG SUỐI

LƯỚI LỌC

TUABIN

Hình 1.9.Cấu tạo bể tràn

cuối đường ống trước khi vào tuabin Còn ống xả dùng để xả nước từ tuabin để quay

về hạ lưu của nguồn

Đường ống phải kín thường được làm bằng sắt, gỗ, bê tông cốt thép, nhựa

PVC Chúng có đường kính phụ thuộc công suất của máy phát Hiện nay ống PVC

được dùng khá phổ biến nhờ giá thành rẻ, dễ vận chuyển, bảo quản sửa chữa thay thế

đơn giản, không bị ôxi hóa

- Thiết bị biến đổi năng lượng

Để biến đổi thủy năng thành điện năng, hệ thống vi thủy điện sử dụng tuabin thủy điện và máy phát

+ Tuabin

Tuabin có tác dụng biến động năng của dòng nước thành momen quay máy phát điện Do máy phát không yêu cầu tốc độ vòng quay lớn nên tuabin được nối cứng đồng trục với máy phát mà không cần qua hệ thống truyền động bánh răng

Hiện nay các hệ thống MHP phần lớn sử dụng tuabin sung kích hình gáo Pentol

áp dụng điều kiện cột áp cao ( máy ngồi ) và tuabine phản kích Propeller dạng cánh ứng dụng cho nơi có cột áp thấp (máy đứng)

* Tua bin Pentol

Tuabin sung kích Pentol là loại chỉ sử dụng phần động năng của dòng chảy.Ở loại Tuabine này dòng nước sau khi ra khỏi vòi phun thì toàn bộ năng lượng dòng chảy đều biến thành động năng để đảy bánh xe công tác

Quá trình hoạt động của Tuabin như sau:

Nước từ ống dẫn (1) chảy qua vòi phun (2) Ở đây lưu lượng nước được điều chỉnh trước khi phóng vào bánh xe công tác nhờ van điều chỉnh (3), rồi nước được tăng áp suất phóng vào cánh gáo (4) của Tuabin, làm cho Tuabin (5) quay Nước đập vào cánh gáo bị bắn ra theo hai phía và được vỏ (6) gom lại rồi chảy xuống cửa xả (7)

* Turbine phản kích Propeller (dạng cánh)

Tuabin phản kích là loại sử dụng phần thế năng và một phần động năng của dòng nước ở phía trước bánh xe công tác lớn hơn phía sau của nó Khi chảy qua rãnh tạo bởi bề mặt cong của các cánh, dòng nước sẽ thay đổi hướng tác dụng lên cánh và làm quay bánh xe công tác Tuabin cánh quạt gồm có bầu gắn từ 3 đến 9 cánh, thông thường từ 4 đến 8 cánh Cánh có thể tạo liền với bầu thành một khối thống nhất hoặc chế tạo riêng biệt sau đó gắn chặt vào bầu bằng bu lông

+ Máy phát điện

Trong các trạm MHP thường sử dụng 3 loại máy phát chủ yếu : Máy phát không đồng bộ rô to dây quấn, máy phát không đồng bộ rô to lồng sóc và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1 Máy phát đồng bộ rôto dây quấn còn được gọi là không đồng bộ nguồn kép (Doubly- Fed Induction Gennerator: DFIG) Máy phát DFIG có stato ghép trực tiếp với hệ thống lưới cấp cho tải, còn phía rôto nối với lưới thông qua hệ thống điều khiển

2 Máy phát không đồng bộ rôto lồng sóc (Squirel Cage Induction Gennerator : SCIR) Khác với DFIG, máy phát này có stato nối trực tiếp với lưới của tải còn rôto không có mạch kích từ

3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là máy phát hoạt động ở tốc độ đồng bộ, tốc độ quay của rô to luôn luôn bằng tốc độ quay của từ trường được tạo ra ở các cuộn dây Stato Stato được nối với lưới của tải còn roto được đúc bằng lõi sắt bên ngoài có dập các rãnh nhỏ để gắn nam châm vĩnh cửu

- Thiết bị biến đổi điện:

+ Bộ chỉnh lưu (Biến AC thành DC)

Hình 1.11 Tuabin propeller

Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ : AC biến đổi thành DC nạp điện cho ắc quy để tích lũy năng lượng và cung cấp nguồn điện DC có chất lượng đến biến tần để chuyển đổi DC thành AC

+ Ắc quy: Bằng cách sử dụng các phản ứng hóa học hồi phục, một ngân hàng

pin được trang bị để lưu trữ năng lượng dư thừa khi điện được sản xuất ra có công suất lớn hơn so với tiêu thụ Trong quá trình hoạt động ắc quy thường xuyên được nạp đầy, khi nhu cầu sử dụng tăng lên quá giới hạn cho phép hoặc lưu lượng nước giảm đột ngột thì ắc quy cũng sẽ phóng điện.Việc nạp điện chỉ cần một hoặc hai ngày lưu trữ là đủ Khi tải giảm đến một lúc nào đó thì Ắc quy sẽ tự động nạp Ắc quy axít chì thường được sử dụng nhiều trong hệ thống MHP

+ Bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu được trang bị dùng để biến đổi điện một chiều DC lấy từ bộ biến đổi (AC- DC) và ngân hàng Pin thành điện xoay chiều AC ổn định , có chất lượng cung cấp cho tải

+ Các thiết bị khác: Tùy theo yêu cầu công nghệ của từng hệ thống mà ta còn

có thêm một số bộ biến đổi điện khác, máy biến áp, áp tô mát…

Hình 2.7

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI ĐIỆN CHO TRẠM THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT CỰC NHỎ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN

ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1 Các phương án xây dựng cấu trúc hệ thống MHP

Việc sử dụng và lựa chọn các loại máy phát điện tương ứng các thiết bị biến đổi điện đi cùng ảnh hưởng rất nhiều đến cấu trúc hệ thống, giá thành,chất lượng điện năng của MHP Hiện nay có 3 loại cấu trúc hệ thống máy phát điện MHP sau:

- Tua bin thủy điện với tốc độ cố định máy phát điện cảm ứng lồng sóc

- Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm điện

- Tua bin thủy điện với máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu

2.1.1 Tua bin thủy điện với tốc độ cố định máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIR)

Máy phát điện cảm ứng lồng sóc pha 3 pha 4 cưc hay 6 cực lồng sóc hoạt động với tuabin có tốc độ cao và ổn định

Đầu ra của máy phát là hệ thống điện 3 pha có thể kết nối với lưới điện có tần

số 50 hoặc 60 H

Ta nối stato của động cơ không đồng bộ ba pha vào lưới điện, trục của động cơ được nối với một động cơ sơ cấp Dùng động cơ sơ cấp kéo rôto quay cùng chiều n1, nhưng với tốc độ n > n1 của từ trường quay Do rôto quay nhanh hơn từ trường nên dòng điện trong rôto sẽ có chiều ngược với chiều của dòng điện i2 ở trong rôto khi máy điện được dùng làm động cơ, trong khi đó chiều của từ trường quay vẫn như cũ nên điện từ tác dụng lên rôto sẽ đổi chiều và tạo ra mômen quay ngược chiều với chiều quay của rôto, gây ra mômen hãm cân bằng với mômen quay của động cơ sơ cấp Lúc này máy điện làm việc ở chế độ máy phát, hệ số trượt của máy là:

SOFT START

C

L-íi ®iÖn MBA ATM

Hình 1.12.Hệ thống MHP sử dụng máy phát cảm ứng lồng sóc

đồng bộ công suất phản kháng Q vì vậy hệ số công suất cos của lưới điện giảm xuống Khi máy phát làm việc độc lập, do hiện tượng từ dư ta có thể dùng tụ điện nối

ở đầu cực máy để kích từ cho máy Đây là nhược điểm của máy phát không đồng bộ

vì thế nó rất ít được sử dụng trong thực tế

Hệ thống máy phát điện xây dựng và bảo trì dễ dàng, không rung động lớn, chi phí thấp, trực tiếp kết nối vào lưới Tuy nhiên do phải yêu cầu công suất phản kháng làm cos  của lưới giảm xuống, phải có thiết bị hòa lưới, chỉ áp dụng cho tuabin có tốc độ cao và cố định, không áp dụng cho máy phát có số đôi cực 2p>20

Đối với hệ thống MHP ta không sử dụng loại máy phát này do tốc độ dòng chảy chậm, không ổn định, số đôi cực phải nhiều, máy phát yêu cầu phải có nguồn sơ cấp, điện áp tạo ra chất lượng không cao khó hòa vào lưới

2.1.2 Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm điện (DFIG).

Đây là máy phát đồng bộ từ trường được tạo ra có tốc độ bằng tốc độ quay của roto Rô to làm bằng các lá thép kỹ thuật điện và có rãnh để đặt dây quấn Khi ta cung cấp một nguồn DC thì rô to tạo thành một nam châm điện

Để máy phát kết nối với lưới có tần số f cố định (f = 50Hz), ta thực hiện bằng 2 cách:

+ Bộ biến đổi điện nằm giữa máy phát và lưới điện có tần số cố định Dòng điện kích thích được lấy ra sau khi dòng AC sau bộ biến đổi được chuyển lại thành DC nối vào roto qua chổi than

+ Các cuộn dây stato của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào điện lưới 50 Hz Cuộn dây rôto được kết nối thông qua chuyển đổi tần số và đi kèm với biến áp điện

Đây là hệ thống máy phát hay được dùng trong thực tế ở các trạm phong điện

có hộp số tỉ số truyền lớn, các turbin hơi …ở đó có tốc độ tuabin lớn Tuy nhiên sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện thì thường xuyên phải bảo trì hệ thống chổi than vành góp Tốc độ đòi hỏi của tuabin tương đối lớn do đó không sử dụng được cho MHP có công suất nhỏ với lưu lượng và cột nước thấp

2.1.3 Tua bin thủy điện với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(PMSG)

Hệ thống này sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu do đó không sử dụng hệ

thống kích từ, điện áp ra của hệ thống có thể được nối với trực tiếp với lưới

Hình 1.14 Hệ thống MHP sử dụng máy phát đồng bộ nam châm điện trực tiếp với lưới

f 1 , U 1

MBA f ATM

1 ,