Nghiên cứu điều khiển hệ thống năng lượng thủy triều

Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng mới, có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường cho nhu cầu hiện tại và tươ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Phạm Hữu Định

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG THỦY TRIỀU

Chuyên ngành: Thiết bị điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo TS Trần Văn Thịnh và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa công bố trên bất cứ một công trình nào khác

Hà Nội, tháng 09 năm 2013

Học viên

Phạm Hữu Định

2

LỜI CÁM ƠN

Nhân dịp này em xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến thầy giáo tiến sĩ Trần Văn Thịnh - Trưởng Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử thuộc Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người đã tạo mọi điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ em tận tình trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp cao học khóa 2011B

Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, các thầy cô giáo trong Viện Điện đã dạy dỗ, truyền thụ cho

em những kiến thức thiết yếu trong quá trình học cao học, giúp em đạt được những kết quả như ngày hôm nay

Em xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên trong suốt thời gian học và trong quá trình làm luận văn

Mặc dù, em đã có rất nhiều cố gắng nhưng nội dung luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, em rất mong nhận được góp ý của thầy cô giáo, đồng nghiệp để nội dung của luận văn được hoàn chỉnh hơn

Xin trân trọng cám ơn!

Hà Nội, tháng 9 năm 2013

Học viên

Phạm Hữu Định

3

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CÁM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài 11

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn 11

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

4 Phương pháp nghiên cứu 12

5 Những đóng góp của luận văn 12

6 Kết luận 12

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN THỦY TRIỀU 13

1.1 Năng lượng thủy triều là gì 13

1.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại năng lượng thủy triều 16

1.2.1 Chuyển đổi thế năng của thủy triều thành điện năng 16

1.2.2 Chuyển đổi động năng của thủy triều thành điện năng 16

1.2.3 Chuyển đổi dòng triều thành điện năng 18

1.3 Những đặc điểm cơ bản của năng lượng thủy triều 19

1.3.1 Mực nước triều 19

1.3.2 Thủy triều theo chu kỳ 20

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến thủy triều 21

1.3.4 Dòng triều 21

1.4 Tác động của điện thủy triều 22

1 5 Phát triển điện thủy triều trên thế giới và Việt Nam 23

1.5.1 Phát triển điện thủy triều trên thế giới 23

4

1.5.2 Một số nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành tổ máy

điện thủy triều trên thế giới 24

1.5.3 Tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành tổ máy điện thủy triều ở Việt Nam 31

1.6 Kết luận Chương 1 34

Chương 2 - NHỮNG VẤN ĐỀ KINH TẾ KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN CÁC DỰ ÁN PHÁT ĐIỆN CHẠY BẰNG SỨC NƯỚC THỦY TRIỀU 35

2.1 Khảo sát các thông số thủy triều 35

2.2 Lựa chọn địa điểm 35

2.2.1 Tính toán điện lượng năm 35

2.2.2 Lựa chọn vị trí đặt nhà máy 36

2.3 Sơ đồ tổng quan về nhà máy điện thủy triều 36

2.3.1 Nguyên lý chung 36

2.3.2 Sơ đồ nhà máy điện thủy triều 37

2.3.3.Các thiết bị chính trong nhà máy điện thủy triều 38

2.3.4.Tuabin nước trong nhà máy điện thủy triều 39

Các bộ phận chính của tua bin nước 41

2.4 Một số hình ảnh trạm điện thủy triều tại Cát Bà, Hải Phòng (do Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo thiết kế, chế tạo và lắp đặt năm 2012) [12] 42

2.5 Kết luận Chương 2 42

Chương 3 - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐIỆN CHẠY BẰNG NĂNG LƯỢNG THỦY TRIỀU 44

3.1 Điều khiển của hệ thống điện thủy triều có những nhiệm vụ chính 44

3.2 Các vấn đề về tần số và công suất hữu công trong hệ thống điện 45

3.2.1 Dao động tần số và công suất trong hệ thống điện năng lượng thủy triều 45

3.2.2 Quan hệ giữa điều chỉnh tần số và công suất tác dụng 50

3.2.3 Tác động tương hỗ giữa các bộ điều tốc làm việc song song 54

5

3.2.4 Ảnh hưởng của ngưỡng không nhậy lên tác động tương hỗ của

các bộ điều tốc tua bin 55

3.2.5 Điều chỉnh và phân phối công suất hữu công giữa các máy phát làm việc song song 57

3.3 Điều chỉnh tốc độ và ổn định công suất 58

3.3.1 Các bộ điều tốc hiện nay 58

3.3.2 Cấu tạo và đặc điểm của bộ điều tốc 65

3.3.3 Nhiệm vụ và phương pháp điều khiển tốc độ tua bin thủy triều 66 3.4 Kết luận Chương 3 69

Chương 4 - PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 70

4.1 Giới thiệu về MATLAB 70

4.1.1 Matlab 71

4.1.2 Simulink 72

4.2 Nghiên cứu bộ điều tốc tua bin thủy triều 73

4.2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ [11,15] 73

4.2.2 Sơ đồ biểu diễn dưới dạng Simulink đơn giản hóa 74

4.3 Nghiên cứu các khâu trong bộ điều khiển tốc độ và ổn định công suất bằng Simulink 76

4.3.1 Bộ điều tốc đơn giản (theo thời gian) 76

4.3.2 Khâu giảm tốc trong bộ điều tốc 78

4.3.3 Điều khiển ổn định công suất phát của tổ máy 81

4.3.4 Sơ đồ đầy đủ của một bộ điều tốc 84

4.4 Mô phỏng các chế độ làm việc của bộ điều tốc 85

4.4.1 Chế độ của bộ điều tốc khi tổ máy phát điện chạy không tải 85

4.4.2 Chế độ của bộ điều tốc khi không có khâu phản hồi công suất và giá trị đặt công suất phát 86

4.4.3 Chế độ của bộ điều tốc khi có phụ tải, có vòng phản hồi công suất cùng tác động nhưng không có giá trị đặt công suất phát 87

6

4.4.4 Chế độ của bộ điều tốc khi cho phụ tải tác động, đặt giá trị công suất phát cùng tác động một lúc, nhưng không có vòng phản hồi công suất 89

4.4.5 Chế độ của bộ điều tốc khi cho đồng thời phụ tải, giá trị đặt công

suất phát cùng tác động và có phản hồi công suất 90

4.5 Mô phỏng chế độ ổn định công suất phát 93

4.5.1 Trường hợp công suất đặt nhỏ hơn công suất phụ tải 94

4.5.2 Trường hợp công suất đặt bằng công suất phụ tải 95

4.5.3 Trường hợp công suất đặt lớn hơn công suất phụ tải 97

4.6 Kết luận Chương 4 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

Kết luận 99

Kiến nghị 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Triều cường (Spring Tide) [16] 13

Hình 1.2: Triều kiệt (Neap Tide) [17] 13

Hình 1.3: Sơ đồ trạm phát điện từ năng lượng thủy triều [16] 15

Hình 1.4: Tua bin phát điện dùng động năng (dòng triều) của thủy triều [18] 17

Hình 1.5: Mô hình nhà máy điện dòng triều [13] 18

Hình 1.6: Thiết bị phát điện kiểu Cá đuối (Stingray) của Mỹ [13] 19

Hình 1.7: Đồ thị mực nước triều [18] 20

Hình 1.8: Tua bin hướng trục (dạng bóng đèn - Capsun) [13] 26

Hình 1.9: Mô hình nhà máy điện thủy triều Sihwa-ho – Hàn Quốc [14] 27

Hình 1.10: Mô hình hệ thống rắn biển (sea snake) [12,13] 28

Hình 1.11: Thiết bị Rồng Sóng (Wave Dragon) [12,13] 28

Hình 1.12: Thiết bị Đu Sóng Acsimet (Archimedes Wave Swing) [12,13] 29

Hình 1.13: Thiết bị Cột nước dao động [12,13] 29

Hình 2.1: Sơ đồ xác định năng lượng dòng chảy [10] 36

Hình 2.2: Sơ đồ sơ họa nhà máy điện thủy triều dạng đập chắn 38

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện 38

Hình 2.4: Tua bin hướng trục [10] 40

Hình 2.5: Tuabin hướng chéo [10] 41

Hình 3.1: Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan của một trạm phát điện 49

Hình 3.2: Đường đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’) 52

Hình 3.3: Phân bố phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song khi tần số thay đổi [8,15] 54

Hình 3.4: Đặc tính điều chỉnh với ngưỡng không nhạy 56

Hình 3.5: Đặc tính phối hợp công suất tác dụng giữa các máy phát làm việc song song 58

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc ly tâm có đặc tính hữu sai 59

9

Hình 3.7: Đường đặc tính điều chỉnh tốc độ (điều tốc ly tâm đặc tính hữu sai) 60

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc ly tâm có đặc tính vô sai 60

Hình 3.9: Đường đặc tính điều chỉnh tốc độ (điều tốc ly tâm đặc tính vô sai) 61

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin kiểu hướng tâm 61

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của máy điều tốc tua bin 64

kiểu điện thủy lực 64

Hình 3.12: Điều khiển tần số và phân phối công suất tác dụng trong HTĐ 65

Hình 4.1: Cửa sổ làm việc của Matlab 72

Hình 4.2: Cửa sổ thư viện các khối chức năng trong Simulink 73

Hình 4.3: Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc tua bin thủy triều thông thường [11] 74

Hình 4.4: Sơ đồ bộ điều tốc biểu diễn dưới dạng Simulink đơn giản hóa 75

Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc đơn giản 76

Hình 4.6: Đáp ứng của bộ điều tốc với bộ điều tốc đơn giản 77

Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc có khâu giảm tốc ở trạng thái ổn định 79

Hình 4.8: Đáp ứng của bộ điều tốc có khâu giảm tốc ở trạng thái ổn định 79

Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc có khâu giảm tốc ở trạng thái quá độ và ổn định 80

Hình 4.10: Đáp ứng của bộ điều tốc có khâu giảm tốc ở trạng thái quá độ và ổn định 81

Hình 4.11: Sơ đồ mô phỏng ổn định công suất phát của tổ máy 82

Hình 4.12: Đáp ứng của bộ điều tốc có khâu đặt công suất phát 83

Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc hoàn chỉnh 84

Hình 4.14: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc ở chế độ không tải 85

Hình 4.15: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển 86

Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc 86

Hình 4.17: Đáp ứng tần số của bộ điều tốc 87

Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng chế độ của bộ điều tốc 87

Hình 4.19: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển 88

10

Hình 4.20: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc 89

Hình 4.21: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển 90

Hình 4.22: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khi cho đồng thời phụ tải, phản hồi công suất, và giá trị đặt phụ tải cùng tác động 91

Hình 4.23: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển 92

Hình 4.24: Quá trình quá độ của bộ điều tốc khi đóng phụ tải 93

Hình 4.25: Sơ đồ mô phỏng công suất phát 94

Hình 4.26: Đáp ứng đặc tính công suất ra và tần số công suất đặt nhỏ hơn phụ tải 95 Hình 4.27: Đáp ứng đặc tính công suất ra và tần số công suất đặt bằng công suất phụ tải 96

Hình 4.28: Đáp ứng đặc tính công suất ra và tần số 97

11

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng như các nguồn năng lượng khác trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là vô cùng lớn Phát triển kinh tế cho một lượng dân số không ngừng gia tăng với những nhu cầu về tiện nghi cuộc sống ngày càng cao trong điều kiện nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong đó, đặc biệt

là các dạng năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, để bổ sung cho nguồn năng lượng ngày càng thiếu hụt và không làm mất cân bằng về môi trường sinh thái cũng như sự ảnh hưởng đến các thế hệ tương lai là thách thức lớn nhất mà nhân loại đang đối diện Trước tình hình đó, việc sử dụng năng lượng hiệu quả, đảm bảo an ninh năng lượng đã trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế đang trở thành mục tiêu và giải pháp chung của nhiều quốc gia trên thế giới

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng mới, có khả năng tái tạo

và thân thiện với môi trường cho nhu cầu hiện tại và tương lai như: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện vừa và nhỏ, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều, địa nhiệt và các dạng năng lượng mới như Hydro, Nitơ…đã trở thành mối quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam

Khi các nhà máy điện thủy triều được quan tâm nghiên cứu, chế tạo và vận hành có hiệu quả thì công việc “điều khiển” toàn bộ hệ thống hết sức quan trọng Vấn đề làm sao đảm bảo chất lượng điện áp, chất lượng tần số và thu công suất một cách tối ưu nhất Các bộ phận như: hệ thống thủy năng, hệ thống cơ, hệ thống điều khiển và bộ phận kết nối lưới phải được phối kết hợp một cách chặt chẽ, linh hoạt

và chính xác

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Luận văn tập trung vào nghiên cứu, phân tích tổng quan về năng lượng thủy triều, mô hình hiện nay đang thực hiện và các phương pháp điều khiển hệ thống phát điện bằng thủy triều đảm bảo chất lượng điện, vận hành ổn định để làm cơ sở cho việc lựa chọn tổ máy phát điện bằng thủy triều phù hợp với những điều kiện

12

thủy triều ở các vùng khác nhau, cũng như việc vận hành và sử dụng sau này cho một dự án phát điện sử dụng năng lượng thủy triều ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận văn là ổn định tần số và công suất máy phát điện cho các tổ máy phát điện thủy triều

- Phạm vi nghiên cứu của luận văn được giới hạn trong phạm vi phát điện thủy triều với dạng đập chắn nước, phân tích phương pháp điều chỉnh tốc và ổn định công suất khi làm việc độc lập, song song giữa các máy phát với nhau

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành; nghiên cứu cấu trúc…

- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu hệ thống điều khiển lưu lượng và công suất tại nhà máy điện thủy triều

- Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học ở Viện Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; ý kiến của các Kỹ sư đồng nghiệp

5 Những đóng góp của luận văn

- Luận văn nghiên cứu tổng quát về hệ thống điện thủy triều, ứng dụng lý thuyết điều khiển để nâng cao chất lượng điện và ổn định hệ thống điện

- Luận văn đã mô tả được chất lượng của hệ thống điện thủy triều với các thông số ra phù hợp với lưới điện Việt Nam

- Kết quả mở ra hướng chế tạo các thiết bị cho nhà phát điện nhờ năng lượng của biển như: sóng biển, dòng triều…

6 Kết luận

Với những ưu điểm như giá thành không quá cao, không gây hại nhiều cho môi trường, các nguồn năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, đặc biệt là sản xuất điện từ năng lượng thủy triều được xem là một nguồn năng lượng thay thế hữu ích, đang được nhiều nước chú trọng phát triển

13

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN THỦY TRIỀU

1.1 Năng lượng thủy triều là gì

Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó, ảnh hưởng của mặt trăng tới thủy triều lớn hơn Có hai lần triều cao và thấp trong một ngày (do sự tự quay của trái đất quanh trục của nó) Nước triều cường và triều kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày

Thủy triều cực đại [16]: Triều cường khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn lớn nhất

- lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất giống như thẳng hàng, xảy ra ngay sau khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh lệch lớn giữa độ cao nước dâng và nước hạ (hình 1.1)

Hình 1.1: Triều cường (Spring Tide) [16]

Thủy triều kiệt [17]: khi ảnh hưởng của sức hút thấp nhất - khi đường thẳng nối trái đất và mặt trăng tạo thành góc 900 với đường thẳng nối trái đất và mặt trời (hình 1.2)

Hình 1.2: Triều kiệt (Neap Tide) [17]

Vậy, Thủy triều là hiện tượng nước dâng lên hay hạ xuống dưới sự tương tác

giữa trái đất, mặt trăng, mặt trời, các hành tinh khác và chuyển động quay của trái đất gây nên sự lên xuống của mực nước biển trên khắp các đại dương

14

Để đánh giá năng lượng triều tạo ra trung bình cho một năm, cho một hồ chứa (vịnh, vũng – có đập chắn), khi chấp nhận sai số 10%, người ta thường sử dụng công thức đơn giản 1.1 [18]:

E = K.S.A2 (1.1)

Ở đây:

K: Hệ số tỷ lệ;

S: Diện tích hồ chứa nước khi mức nước đạt cao nhất (km2);

A: Biên độ thuỷ triều (m);

E: Năng lượng thuỷ triều (triệu Kwh/năm );

Với L là độ dài của đập chắn nước, tỉ số L/E đặc trưng cho lợi ích kinh tế Rõ ràng là những vùng nào có biên độ thuỷ triều càng cao, diện tích mặt nước khi mực nước cao nhất càng lớn, thì năng lượng triều càng cao và lợi ích kinh tế càng lớn khi

tỉ số L/E càng nhỏ

Để tính toán các chế độ đặc trưng của thuỷ triều tại các vùng vịnh, người ta phân tích điều hoà các sóng triều thành phần từ các chuỗi quan trắc từng giờ liên tục trong nhiều năm tại một số trạm ven bờ Qua mô hình nội suy số trị thuỷ động, sẽ được hằng số điều hoà của nhóm sóng triều chính tại từng địa điểm của vũng, vịnh, sau đó người ta tính toán dự báo cho một số năm Căn cứ vào số liệu dự báo từng giờ của một năm liên tục, người ta tính ra độ lớn dao động thuỷ triều từng ngày, sau

đó tính ra độ lớn thuỷ triều trung bình trong cả năm Đó chính là đại lượng cần thiết

để tính năng lượng thuỷ triều ở khu vực cần khai thác Ngoài ra, để thấy được mức biến động của độ lớn thuỷ triều trong việc điều tiết khả năng cung cấp năng lượng trong một năm, người ta tiến hành tính tần suất theo từng khoảng độ lớn dao động thuỷ triều trong suốt năm tại từng vũng, vịnh và lòng chảo Những khoảng quy định

để tính tần suất là: từ 0,5 – 1m ; 1 – 1,5m ; 1,5 - 2,0m ; 2,0 -2,5m ; 2,5 - 3,0m và lớn hơn 3m [18]

Việc chế ngự nguồn năng lượng này đã được chú ý 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

15

Hamburg, nước Đức, năm 1880 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng thủy triều được lắp đặt năm 1580 dưới cầu London, nước Anh đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ Bình thường, sự chênh lệch mực nước giữa triều dâng và triều hạ khoảng 0,5m Tuy nhiên, một số vùng bờ biển với vịnh hẹp có sự chênh lệch rất lớn giữa hai mực nước triều Ví dụ như, vịnh Fundy ở Nova Scota (Đông Nam Canada), có mức triều lớn nhất thế giới, độ chênh lệch có thể lên đến 16m Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta có thể điều khiển được nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng Một hồ chứa thủy triều (tidal basin) là một hồ chứa đầy nước và cạn nước khi thủy triều lên

và xuống Khi nước qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin nước và phát ra điện Tại mức thủy triều lên cao nhất, cửa lấy nước đóng lại và nước được giữ lại trong hồ chứa Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nước lại chảy qua các tua bin trở về đại dương, quay tua bin và phát điện (hình 1.3) [16]

Hình 1.3: Sơ đồ trạm phát điện từ năng lượng thủy triều [16]

Nhà máy điện thủy triều đầu tiên được xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra Đại Tây Dương trên vùng biển Brittany, hoàn thành năm 1968, nó có công suất 240Mw, hồ chứa (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông (13,7 km2) và có mực triều dâng cao nhất là 27,6 feet (8,41m)

Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis (Canada), nơi đổ vào vịnh Fundy, hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20Mw Vấn đề đặt ra bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi trường Năng lượng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển, nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dương [10] Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa nước ngọt và mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có năng suất cao Cá và vô số động

Đập

Tua bin

Biển

Hồ chứa

Mức nước thấp Mức nước cao Cửa van

16

vật thân mềm đến đây sinh sản Vì thế, việc xây dựng đập cũng sẽ ảnh hưởng đến sinh thái khu vực

1.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại năng lượng thủy triều

Điện thủy triều là lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều [18]

Có 2 phương pháp được sử dụng nhiều nhất:

+ Sử dụng đập chắn thủy triều (thế năng)

+ Sử dụng hàng rào thủy triều (động năng)

Ngoài ra còn phương pháp chuyển đổi dòng chiều thành điện năng

1.2.1 Chuyển đổi thế năng của thủy triều thành điện năng

Đây là loại truyền thống, người ta xây một đập chắn ở vùng cửa sông đổ ra biển hay ở một vịnh nào đó Khi triều lên người ta mở cửa cống cho nước biển chảy vào Khi nước trong vịnh dâng lên cao nhất người ta đóng cống lại Khi nước biển xuống thấp, người ta mở cửa cống xả nước vào tuabin phát điện Nguyên lý này giống như nguyên lý của các nhà máy thuỷ điện Nó thích hợp cho các nơi có biên

độ thuỷ triều lớn từ 5 – 6m trở lên [18]

Điển hình là 2 nhà máy Rance của Pháp và Kislaya Guba của Nga là những này máy sử dụng thế năng của thủy triều để phát điện Những loại này có một số nhược điểm là chỉ phát điện vào một số giờ khi triều xuống

Ở nước ta biên độ thuỷ triều là không lớn, do vậy, chúng ta chỉ nên xây các trạm phát điện bằng năng lượng thuỷ triều có dạng đập chắn nước giống của thuỷ điện cột nước thấp, tạo chênh lệch cột nước của thủy triều để phát điện ở các vịnh thuộc tỉnh Quảng Ninh và Bà Rịa - Vũng Tàu (nơi có biên độ triều không cao nhưng diện tích vịnh lại lớn)

1.2.2 Chuyển đổi động năng của thủy triều thành điện năng

Là loại sử dụng năng lượng của dòng triều [18] Ở loại này có thể phát điện trong giai đoạn triều rút hoặc trong giai đoạn triều lên, hoặc phát điện trong cả 2 kỳ triều Với loại phát điện trong cả 2 kỳ triều, tuy phát được điện liên tục, song hiệu suất của tuabin này không cao, thường thích hợp ở nơi có dòng triều lớn, vận tốc 2-

17

3m/s trở lên, hình 1.4 mô tả các dạng phát điện từ dòng thủy triều

Hình 1.4: Tua bin phát điện dùng động năng (dòng triều) của thủy triều [18]

Bảng 1.1: Các trạm điện thủy triều lớn trên thế giới [13]

18

1.2.3 Chuyển đổi dòng triều thành điện năng

a) Dòng triều làm quay tuabin “Tua bin dòng chảy (Marine Current Turbine)” hoạt động như tua bin gió

Hình dạng của loại tuabin này được chỉ ra trên hình 1.5, năm 2005 – 2006 đã thử nghiệm cho giai đoạn khả thi trên 7 vùng biển có triển vọng tại Bắc Mỹ với các kích cỡ nhà máy phát điện thương mại Hiện nay, đang tiến hành giai đoạn thử nghiệm loại tuabin “dòng chảy biển” tại vị trí km 11 phía bắc Foreland Point gần Lynmouth tại kênh Bristol Giai đoạn 1 của đợt thử nghiệm 1999 – 2003 sử dụng tua bin 300Kw với đường kính 11m sau đó (2002 – 2004) khai thác hai tuabin 150Kw với đường kính 8m Giai đoạn 2003 – 2005 nối với mạng điện quốc gia và thử nghiệm với kích cỡ thực 2 tuabin với công suất 750 ÷ 1000Kw khai thác cho cả

2 hướng dòng chảy Theo kế hoạch, giai đoạn nghiên cứu phát triển đã kết thúc vào năm 2009 và sau đó chuyển sang giai đoạn thương mại Dự kiến vào 2015 sẽ cung cấp 300 Mw, phụ thuộc vào vị trí, kích cỡ nhà máy, các phương án đầu tư, điện năng sẽ có giá từ 5 – 12 Cent/Kwh tương đương với giá thấp của điện năng từ gió

và thấp hơn giá thành của điện mặt trời [13]

Hình 1.5: Mô hình nhà máy điện dòng triều [13]

Ở cửa các sông thuộc tỉnh Quảng Ninh, Vũng Tàu, Kiên Giang… thường vận tốc dòng triều khá lớn (hơn 1 m/s) cũng thích hợp dùng các thiết bị phát điện bằng dòng triều kiểu này, tại các khu vực có vịnh, đầm phá thuộc miền Trung có thể thiết

kế các dạng cống, đê biển thích hợp để có thể vừa kết hợp nuôi trồng hải sản vừa

19

làm tăng lưu lượng dòng triều Các trạm điện thủy triều có thể kết hợp để làm các khu nuôi trồng hải sản, các đê chắn có thể kết hợp làm đường giao thông… Công nghệ phát điện kiểu này có thể tham khảo ở những nhà máy điện dòng thuỷ triều như trong hình 1.5

b) Dòng triều làm chuyển động của máy thuỷ lực

Những thiết bị loại này đang được công ty The Engineering Business (Anh) phát triển, loại thiết bị này có tên là Cá đuối (Stingray) [13] Thiết bị này bao gồm các dàn thép hỗ trợ và các cánh kiểu thuỷ khí động học Dòng chảy của thuỷ triều

sẽ tác động lên các cánh này làm cho nó dao động lên xuống, dao động này lại tác động tới một xy lanh thuỷ lực nén làm quay động cơ thuỷ lực nối với một máy phát điện (hình 1.6) Thiết bị Cá đuối (Stingray) được thử nghiệm vào mùa hè 2002 tại Yell Sound giữa đảo Bigga và Yell ở khu vực các đảo Shetland

Hình 1.6: Thiết bị phát điện kiểu Cá đuối (Stingray) của Mỹ [13]

1.3 Những đặc điểm cơ bản của năng lượng thủy triều

1.3.1 Mực nước triều

Mực nước triều là đồ thị của quá trình thay đổi mực nước triều theo thời gian

t, được ký hiệu là Z(t) (hình 1.7)

20

Hình 1.7: Đồ thị mực nước triều [18]

1.3.2 Thủy triều theo chu kỳ

Để nghiên cứu hiện tượng thuỷ triều, người ta đưa ra một số khái niệm liên quan như: Thời gian triều dâng, thời gian triều xuống, biên độ triều, chu kỳ triều [18]

- Triều dâng: là dao động mực nước biển lên cao dần rồi đạt tới vị trí cao nhất, hay là sự dâng cao của mực nước từ lúc nước ròng tới lúc nước lớn

- Triều xuống: là dao động mức nước biển xuống dần rồi đạt tới vị trí thấp nhất, hay là sự hạ thấp mực nước biển từ lúc nước lớn đến lúc nước ròng

- Nước lớn: là vị trí cao nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động

- Nước ròng: là vị trí thấp nhất của nước biển trong một chu kỳ dao động

- Biên độ triều: là khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa mực nước lớn và mực nước ròng kế tiếp hay khoảng cách giữa mực nước ròng và mực nước lớn kế tiếp

- Độ cao triều: là vị trí mực nước vào lúc nước lớn trên một mức nào đó được quy ước là mực số 0

- Thời gian chiều dâng: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước ròng và nước lớn kế tiếp

- Thời gian triều xuống: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nước lớn và nước ròng kế tiếp

Các thời điểm triều dâng (lên) và triều xuống (rút) bằng nhau, các độ cao nước lớn và nước ròng kế tiếp nhau hầu như bằng nhau và biến thiên theo quy luật trong một tháng

Người ta còn gọi thuỷ triều có tính chất và đặc điểm như trên là bán nhật triều đều hoặc bán nhật triều thuần nhất

Bán nhật triều có thời gian triều dâng chênh lệch nhiều với thời gian triều rút được gọi là triều nước nông, vì loại triều này thường quan trắc thấy ở các vùng nước nông, chủ yếu ở vùng cửa sông

Chu kỳ nhật triều dài gấp đôi chu kỳ bán nhật triều, trong một ngày mặt trăng, có thể quan trắc thấy một lần nước lớn và một lần nước ròng Trông gần giống nhật triều, có khi lại gần giống bán nhật triều, người ta gọi đó là triều hỗn hợp hay tạp triều

Triều hỗn hợp được chia làm hai loại: Bán nhật triều không đều và nhật triều, thực tế còn có loại thuỷ triều thay đổi theo chu kỳ, có khi không đều tuỳ theo nó giống nhật triều hay giống bán nhất triều hơn

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến thủy triều

- Địa hình lòng sông cao dần khi bờ thu hẹp lại;

- Lưu lượng dòng chảy trong sông;

- Quá trình truyền triều vào sông

1.3.4 Dòng triều

- Dòng triều là dòng chuyển dịch ngang có tính chất tuần hoàn của các phần

tử nước mà tốc độ và hướng biến thiên trong ngày quan hệ với chu kỳ và biên độ thủy triều

Q+ : Thành phần lưu lượng có giá trị dương

Q- : Thành phần lưu lượng có giá trị âm

Như vậy:

Nếu Q > 0: Dòng triều lên

Nếu Q < 0: Dòng triều xuống

Nếu Q = 0: Điểm ngưng triều

+ Tốc độ dòng triều: được đặc trưng bởi phân bố tốc độ tại mặt cắt ngang và giá trị bình quân của nó tại mặt cắt đó, ký hiệu V

Ta có: V = Q/A (1.3) Với A là diện tích mặt cắt ngang sông

Nếu V+ : Khi chảy xuôi dòng

Nếu V- : Khi chảy ngược dòng

+ Quá trình dòng triều là sự thay đổi lưu lượng hoặc tốc độ dòng triều theo thời gian Q(t) hoặc V(t)

+ Tổng lượng triều là lượng nước chảy qua mặt cắt nào đó tại đoạn sông ảnh hưởng triều trong một khoảng thời gian nhất định, ký hiệu là W

1.4 Tác động của điện thủy triều

Sản xuất điện thuỷ triều có nhiều lợi thế, chẳng hạn giúp cải thiện giao thông (các đập chắn có thể làm cầu nối qua cửa sông) và không tạo ra khí thải nhà kính

Là nguồn năng lượng lý tưởng trong tương lai, làm giảm sự phụ thuộc một phần vào dầu mỏ và các năng lượng hóa thạch khác, đảm bảo được nền an ninh năng lượng Tuy nhiên, để sản xuất năng lượng thủy triều cần chi phí đầu tư, chi phí bảo trì cao

23

và gây ra một số tác động về môi trường đã làm cho điện thuỷ triều trở nên ít hấp dẫn hơn Việc xây dựng một đập chắn thuỷ triều tại cửa sông sẽ làm thay đổi mức thuỷ triều ở lưu vực cửa sông Sự thay đổi này khó có thể dự đoán, làm cho mức thuỷ triều tăng hoặc giảm Thuỷ triều thay đổi tác động rõ nét tới quá trình lắng đọng trầm tích và độ đục của nước tại lưu vực cửa sông

1 5 Phát triển điện thủy triều trên thế giới và Việt Nam

1.5.1 Phát triển điện thủy triều trên thế giới

Điện thủy triều chiếm một tỷ trọng không đáng kể trong mạng lưới điện tại các quốc gia, đã có một số công trình được xây, nhưng chỉ có nhà máy điện thủy triều La Rance tại Pháp được thực hiện và vận hành tốt Các công ty sản xuất điện vẫn đang theo dõi để đánh giá liệu điện thủy triều có hấp dẫn để đầu tư hay không? Điện thủy triều bắt đầu được quan tâm từ những năm 1960, nhưng chi phí quá đắt nên số lượng rất hạn chế Hiện nay, trên thế giới có hơn 70 nhà phát triển năng lượng thủy triều đang nỗ lực nghiên cứu nhằm cung cấp những công nghệ đột phá, tạo ra nguồn điện thủy triều dồi dào với chi phí kinh tế nhất Theo tính toán, nếu được đầu tư khai thác, điện thủy triều có thể đáp ứng được 15% nhu cầu sử dụng điện trên toàn thế giới [13]

Tuy Pháp là quốc gia tiên phong trong lĩnh vực điện thủy triều, nhưng Scotland nói riêng và Anh nói chung lại đang giữ vị trí dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng này Vương quốc Anh hiện là thị trường hàng đầu thế giới về năng lượng tái tạo, với hơn 300Mw điện từ các dự án điện thủy triều trong những năm tới Ireland, Bồ Đào Nha và Úc cũng nghiên cứu và đầu tư [13]

Một chuyên gia phân tích năng lượng cấp cao của His Global Insight cho biết

“công nghệ đột phá trong sản xuất tuabin thủy triều đã thu hút được các nhà sản xuất thiết bị gốc trong ngành điện” Sự tham gia của các nhà nghiên cứu gốc lớn sẽ giúp ngành điện thủy triều vượt qua thách thức công nghệ và giảm chi phí Quỹ đầu

tư “Venture Capital” khá hồ hởi với tương lai nguồn năng lượng này Họ tin rằng thủy triều có thể đáp ứng 20% nhu cầu năng lượng cho châu Âu vào năm 2020 và

dự kiến đầu tư vào nhiều dự án điện thủy triều sắp tới [13]

Tại Nga, cũng xây dựng các nhà máy điện thuỷ triều lớn như nhà máy ở Vịnh Lumbôvxki với công suất 5,2Mw/1 tổ máy (gồm 64 tổ) Tại đây, độ cao thuỷ triều trung bình là 4,2m Tại Henxinski (Phần Lan), có độ cao thuỷ triều trung bình đạt 5,37m, đã lắp đặt tổ máy có công suất đến 20Mw [13]

Tháng 6 – 2003, tại phía Bắc bờ biển Devon, các kỹ sư người Anh đã thử nghiệm thành công trạm điện dùng lưu tốc dòng chảy Tua bin có hai cánh quạt dài 11m, công suất thiết kế 300Kw, tua bin phát điện được đặt trực tiếp giữa dòng chảy,

nó có thể liên tục hoạt động và cung cấp điện [13]

Nhà máy Kislogubskaya: Dự án này được xây dựng từ năm 1964 và 1968 trên bờ biển Bắc cực của Nga trong Vịnh Kislaya của biển Barents Do thiết kế đặc biệt của nó, phương pháp xây dựng và kỹ thuật khai thác, nhà máy điện thủy triều Kislogubskaya được bảo vệ bởi Liên Bang Nga và được coi là một kỳ quan kỹ thuật Một tính năng đặc biệt của nhà máy Kislogubskaya, nó là cơ cấu năng lượng duy nhất tại Nga làm việc trong một môi trường nước biển, lợi dụng năng lượng thủy triều, dưới khí hậu khắc nghiệt tại Bắc Cực Kislogubskaya là mô hình nhà máy điện thủy triều nổi đầu tiên, với một nhà máy điện thủy triều xây dựng trên vùng vịnh Kislaya bao quanh là biển và được lắp đặt trên một hệ thống xà lan nổi Việc xây dựng nhà máy yêu cầu sử dụng vật liệu bền, bê tông chịu được môi trường nước biển, một cấu trúc bê tông cốt thép mỏng, và một hệ thống bảo vệ chống lại sự

25

ăn mòn điện hóa học và sinh học Những tính năng này đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật năng lƣợng tái tạo trên biển, một số trạm điện thủy triều đã và đang đƣợc xây dựng (bảng 1.2 và 1.3)

Bảng 1.2: Các nhà máy điện thủy triều đã đƣợc xây dựng [13]

Bảng 1.3: Các nhà máy điện thủy triều đang triển khai [13]

26

Tua bin phát điện dùng lưu tốc dòng thuỷ triều không gây tiếng ồn, có hiệu suất cao và không phá vỡ cảnh quan thiên nhiên, không phương hại tới các loài động vật biển do cánh quạt chỉ quay với vận tốc rất thấp, chỉ vài chục vòng/phút

Tại khu vực châu Á, Trung Quốc là nước đầu tiên xây dựng trạm điện thuỷ triều vào năm 1980, năm 1984 trạm đi vào hoạt động, công suất tổ máy 600Kw, tổ máy hướng trục (dạng bóng đèn – Capsun) (hình 1.8)

C¸nh huíng dßng

Hình 1.8: Tua bin hướng trục (dạng bóng đèn - Capsun) [13]

Vào tháng 1 – 2006 tại tỉnh Zhejiang phía Đông Trung Quốc trạm điện thuỷ triều công suất 40Kw được xây dựng và đi vào hoạt động

Tại Hàn Quốc, nhà máy điện thủy triều Sihwa-ho xây dựng và khánh thành vào tháng 11-2009 [5,7,14] Theo thiết kế, nhà máy sẽ có công suất 254.000 Kw (với 10 tua bin phát điện), khi hoàn thành, Sihwa-ho sẽ trở thành nhà máy điện thuỷ triều lớn nhất thế giới Với sản lượng điện ước tính mỗi năm là 550 triệu Kw, nhà máy được kỳ vọng sẽ giúp Hàn Quốc tiết kiệm khoảng 39 tỷ won chi phí nhập khẩu nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí thải CO2 (hình 1.9)

Công ty Năng lượng Verdant Power (Mỹ) lắp 06 tuabin điện thủy triều với tổng công suất là 200Kw trên sông East ở New York trong tháng 9 năm 2008, dự án trị giá 4,5 triệu USD, New York có cánh đồng tuabin thuỷ triều đầu tiên trên thế giới để sản xuất điện xanh, công ty này hy vọng sẽ lắp đặt thêm 200-300 tuabin dọc con sông Trụ sở của Liên Hiệp Quốc ở Manhattan là một trong nhiều tổ chức muốn

sử dụng nguồn năng lượng xanh này Công ty của Taylor chọn New York là địa điểm thử nghiệm bởi thành phố này tiêu thụ rất nhiều điện và do bang New York có chính sách khuyến khích chuyển sang sử dụng nguồn năng lượng tái sinh Ông hy

Cánh hướng dòng

27

vọng một ngày nào đó, tua-bin thuỷ triều sẽ được sử dụng trên toàn nước Mỹ và tại các nước đang phát triển, bởi tiềm năng của chúng là rất lớn

Hình 1.9: Mô hình nhà máy điện thủy triều Sihwa-ho – Hàn Quốc [14]

Có rất ít nỗ lực chinh phục điện thuỷ triều, đặc biệt là khi so sánh với năng lượng gió, mặt trời hoặc địa nhiệt Tuy nhiên, các động thái cắt giảm khí thải nhà kính từ nhà máy điện đang làm mọi người quan tâm tới công nghệ này trên khắp thế giới

Đã có thời người ta nghĩ rằng, phương cách chính để khai thác năng lượng thuỷ triều là xây dựng đập lớn chắn ngang qua cửa sông sâu có thuỷ triều, triều lên thì giữ nước lại, sau đó để nước chảy trở lại qua tua bin, tương tự như ở các nhà máy thuỷ điện Khoảng 20% điện năng ở Anh có thể được cung cấp từ các đập loại này Tuy nhiên, xây dựng các công trình đập này lại quá tốn kém (có thể lên tới 10

tỉ bảng Anh đối với đập Severn, công suất 8,6Gw tương đương với 8 nhà máy điện hạt nhân, cung cấp được khoảng 6% nhu cầu điện năng ở Anh), lại tác động xấu đến môi trường trên diện rộng nên hiện nay phương án này không được quan tâm theo đuổi nữa Một ý tưởng khác được đưa ra, đó là xây dựng các hồ chứa có đập bao quanh ngoài biển, tại vùng nước nông thay vì đập tại cửa sông sâu, như vậy có thể

sẽ rẻ hơn và ít tác động hơn về môi trường [5,12]

Công ty Ocean Power Delivery hiện đang triển khai một hệ thống nổi trên mặt nước mang tên Pelamis dạng ống có khớp nối với nhau, giống như con rắn biển

28

(sea snake, hình 1.10)

Hình 1.10: Mô hình hệ thống rắn biển (sea snake) [12,13]

Công ty có kế hoạch lắp đặt ngoài khơi hệ thống phát điện năng lượng sóng, công suất 750 kW, kế hoạch tiếp theo là xây dựng một trại năng lượng sóng (tương

tự như các trại năng lượng gió hiện nay) gồm 40 tổ máy công suất 50Mw Việc khai thác năng lượng sóng cũng tiến triển nhanh ở khắp nơi trên thế giới Cụ thể như thiết bị với công suất 20Kw mang tên Rồng Sóng (Wave Dragon) của Đan Mạch hiện đang được thử nghiệm ngoài biển, sau đó là dự án xây dựng một hệ thống công suất 10Mw ở vùng biển sâu vào năm 2006 (hình 1.11)

Hình 1.11: Thiết bị Rồng Sóng (Wave Dragon) [12,13]

Thiết bị bao gồm hai tường phản xạ sóng để tập trung sóng trào lên bức tường dốc rồi đổ vào hồ chứa, cột nước tạo ra sẽ được sử dụng để làm quay tuabin Đan Mạch cũng tiến theo hướng mới với “Waveplane”, theo đó sóng với độ cao khác nhau được dồn vào một chuỗi các kênh, tạo ra dòng xoáy làm quay tuabin

Trong khi đó, Hà Lan lại triển khai loại thiết bị mới mang tên chiếc Đu Sóng

29

Acsimet (Archimedes Wave Swing) Chiếc đu này bao gồm một số buồng không khí hình nấm, dâng lên hạ xuống theo sóng và bơm không khí qua tuabin để phát ra điện (hình 1.12)

Hình 1.12: Thiết bị Đu Sóng Acsimet (Archimedes Wave Swing) [12,13]

Ở Ôxtrâylia, thiết bị có tường phản xạ loại mới công suất 300 Kw của hãng Energetech hiện đang được thử nghiệm tại Port Kimbla, cách Sidney 100 km về phía nam, đây là một thiết bị Cột nước dao động (hình 1.14)

Hình 1.13: Thiết bị Cột nước dao động [12,13]

Theo Energetech, các thiết bị của họ sẽ phát ra điện năng với giá thành 10 cent/Kwh, còn đối với thiết bị thế hệ sau giá sẽ chỉ còn là 4 cent/Kwh

đã lắp đặt thiết bị Cột sóng dao động (oscillating water column) công suất 500 Kw trên đảo Islay [13]

Công ty Tidal Electric (Mỹ) đã đi theo hướng “đầm phá thuỷ triều” (tidal lagoon), họ đã lập kế hoạch về ba dự án ngoài khơi xứ Wales: Một dự án 30Mw gần Fifoots Point trong vùng eo biển Bristol; một dự án 30Mw tại vịnh Swansea và một

dự án điện thuỷ triều lớn hơn nhiều, 423MW tại North Wales Tuy nhiên, một phương án khác đã được mở ra, đó là sử dụng dòng thuỷ triều, tức là dòng nước theo chiều ngang chứ không phải là triều lên xuống Ý tưởng thiết kế này đang được khảo sát ở nhiều nơi trên thế giới, mặc dù còn ít được triển khai nhất so với các năng lượng tái tạo khác của biển, nhưng triển vọng của năng lượng dòng thuỷ triều lại rất sáng sủa [13]

Từ những vấn đề trên thấy rằng, trên thế giới, các nước như đã nêu ở trên chủ yếu họ xây dựng các trạm điện thủy triều có công suất để cung cấp điện lên lưới điện Quốc gia, do vậy, họ chỉ quan tâm và xây dựng các trạm thủy điện công suất lớn để nâng cao hiệu quả kinh tế và năng lượng Mặt khác, khoa học công nghệ tại các quốc gia đó đã phát triển ở trình độ cao nên có khả năng xây dựng các trạm điện thủy triều có công suất lớn Ngoài ra, tại các nước này có điều kiện tự nhiên và địa hình cho phép họ có thể xây dựng các trạm điện thủy triều có công suất lớn Các trạm điện thủy triều có công suất nhỏ cỡ vài chục đến vài trăm Kw cũng đã được xây dựng nhưng do hiệu quả kinh tế không cao so với các trạm có công suất lớn nên

họ cũng chỉ xây dựng để cung cấp điện cho những nơi không có lưới điện quốc gia

Theo độ lớn của dao động thuỷ triều, phân bố năng lượng thuỷ triều các vũng, vịnh tuân theo quy luật tương tự, nghĩa là mật độ nặng lượng thuỷ triều khá lớn ở khu vực Quảng Ninh 3,65Gwh/km2, đến Nghệ An 2,48Gwh/km2, rồi giảm đến khu vực Thừa Thiên Huế là cực tiểu 0,3Gwh/km2

, sau đó lại tăng dần vào miền Nam, đến Phan Thiết là 2,11Gwh/km2, đạt cực đại tại khu vực Bà Rịa – Vũng Tàu 5,23Gwh/km2[5,12]

Do kích thước các vịnh to nhỏ khác nhau nên năng lượng thuỷ triều tàng trữ

có thể khai thác cũng khác nhau, lớn nhất là toàn vịnh Hạ Long, công suất năm tổng

là 4,729Gwh, tiếp đến các vịnh có năng lượng trên 100Gwh gồm Diễn Châu (620 Gwh), Quy Nhơn (135Gwh), Văn Phong - Bến Gội (308Gwh), Cam Ranh (185Gwh), Phan Rang (190Gwh), Pa Đa Răng (171Gwh), Mũi Né (109Gwh), Phan Thiết (675Gwh), Đồng Tranh (137Gwh), Rạch Gía (139Gwh) [5,12]

Ở Việt Nam, dọc theo các vùng ven biển từ Quảng Ngãi đến Ninh Thuận, luôn luôn tồn tại một dòng chảy lạnh, quanh năm chảy theo hướng ven bờ từ Bắc xuống Nam Trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc, dòng chảy lạnh này phát triển rất mạnh và tốc độ cực đại có thể đạt tới gần 1m/s, tốc độ trung bình khoảng 0,5-0,6m/s Thời kỳ gió mùa Tây Nam và các thời kỳ chuyển mùa khác tốc độ trung bình đạt khoảng 0,4-0,5 m/s, với sự ổn định về hướng tốc độ của dòng chảy này, có thể cho phép khai thác nguồn năng lượng này để phát điện [12]

Khống chế bởi chế độ hoàn lưu gió nên hệ dòng chảy vùng ven bờ Miền Trung thể hiện những nét tương phản trên hai vùng Bắc và Nam rõ rệt Tại vùng Đà Nẵng –Ninh Thuận tồn tại một luồng chảy Bắc – Nam cường độ mạnh và tính chất

32

ổn định theo thơi gian (cả năm) Tại vùng biển Bình Thuận (từ Vịnh Phan Rang trở vào) dòng chảy ven bờ thay đổi theo hai mùa, mùa gió Đông Bắc là dòng có hướng Bắc – Nam theo vệt bờ, tốc độ trung bình đạt trên 50cm/s; mùa gió Tây Nam là dòng có hướng Nam - Bắc, tốc độ không khác mấy

Ngoài ra, qua kết quả khảo sát thực địa nhận thấy tại vùng ven bờ và cửa sông khu vực Hải Phòng - Quảng Ninh và Vũng Tàu –Trà Vinh, do độ lớn thuỷ triều lớn nên dòng triều ở đây cũng rất lớn (V 12 m/s), đây cũng là nơi có nhiều tiềm năng phát triển do dòng chảy [12]

Các kết quả đo đạc thống kê cho thấy, độ chênh mực nước thuỷ triều ở ven biển nước ta tương đối lớn, trung bình khoảng 1,5m, tại Hòn Gai là 2,06m, lớn nhất

là 4,7m Chế độ thuỷ triều tương đối đa dạng, từ nhật triều đều đến bán nhật triều đều và triều hỗn hợp Nhiều vùng được đánh giá có tiềm năng khai thác điện thuỷ triều như lưu vực hệ thống sông Cửu Long, bờ biển Vịnh Bắc Bộ

Năm 2000, Cục Hàng hải đã đặt mua bộ máy phát điện bằng năng lượng sóng (Model TGW - 3A - Wave Activated Generator) với giá 2.917USD của Nhật Bản

và lắp đặt thiết bị này để chạy đèn tín hiệu báo luồng ra vào cảng tại phao số “0” tại cảng Cửa Lò Cho đến nay, thiết bị này đang hoạt động tốt, đạt hiệu quả rất cao trong các điều kiện thời tiết nguy hiểm

Nguyên nhân chính gây hạn chế việc sử dụng các nguồn năng sóng biển so với các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống khác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió là việc chế tạo các thiết bị phức tạp hơn Do vậy, giá thành các máy phát điện cao hơn nhiều lần (giá bộ máy phát điện bằng năng lượng sóng nêu trên cao hơn 5 lần so với giá giàn pin mặt trời trang bị cho các phao tiêu) Tuy nhiên, từ thực

tế sử dụng cho thấy trong các điều kiện thời tiết gió mùa đông bắc, có sương mù các giàn pin mặt trời thường làm việc kém hiệu quả Trong khi đó, các động cơ phát điện bằng năng lượng sóng lại có thể làm việc suốt ngày đêm trong mọi điều kiện

về thời tiết

Một trong các kết quả nghiên cứu khoa học về sử dụng năng lượng sóng ở nước ta là đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Nghiên cứu sử dụng năng lượng sóng biển làm

33

nguồn chiếu sáng phao tín hiệu hoạt động ngoài khơi biển Việt Nam” Đề tài được thực hiện trong năm 2000, 2001 do Bộ Giao thông vận tải là cơ quan chủ quản và Viện Khoa học công nghệ giao thông vận tải là cơ quan chủ trì với sự hợp tác của Khoa Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội và Cục Hàng hải Việt Nam Kết quả của đề tài là đã chứng minh được khả năng sử dụng năng lượng sóng để tạo ra nguồn điện thắp sáng đèn trên phao tín hiệu và chế tạo thử nghiệm được một mô hình hệ thống thiết bị phát điện bằng năng lượng sóng biển Đề tài đã được hội đồng cấp Bộ nghiệm thu loại xuất sắc và được đề nghị cho tiến hành dự án sản xuất thử nghiệm phao tín hiệu thắp sáng bằng năng lượng sóng Đề tại cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam “Đánh giá tiềm năng năng lượng biển Việt Nam” do PGS.TS

Đỗ Ngọc Quỳnh, Viện Cơ học chủ trì đã được tiến hành trong các năm 2002-2003 Kết quả chính của đề tài là đã đưa ra bức tranh tổng hợp của tiềm năng năng lượng thủy triều, sóng và dòng chảy ở vùng biển Việt Nam

Năm 2007 đề tài cấp trường do Trung tâm Năng lượng mới - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì nghiên cứu ứng dụng điện thuỷ triều có công suất dưới 1KW cho vùng ven biển Quảng Ninh

Năm 2011-2012 đề tài cấp bộ do Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo – Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam chủ trì “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt tổ máy điện thủy triều có công suất đến 2KW và 5kW phục vụ dân sinh kinh tế vùng ven biển và hải đảo”, trạm điện thủy triều được xây dựng theo kết cấu đập chắn

Hiện nay, còn tồn tại một số vấn đề trong việc khai thác năng lượng tái tạo tại Việt Nam, đóng góp năng lượng còn thấp, nhận thức về năng lượng tái tạo còn hạn chế, mới chỉ có những nghiên cứu bước đầu Ngoài ra, đầu tư cho xây dựng năng lượng thủy triều còn ít, công nghệ ứng dụng và triển khai còn hạn chế Chưa khai thác được tiềm năng năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng thủy triều nói riêng Chúng ta có nhiều cơ hội ứng dụng năng lượng thủy triều tại Việt Nam như

có môi trường quốc tế thuận lợi, kế hoạch đề ra của các nước Đông Nam Á, nhiều

tổ chức quan tâm đến phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam, hơn nữa, nguồn tài nguyên trong nước sẵn có và dồi dào để khai thác, Chính phủ đã và đang có các

mô hình, hiện trạng công nghệ, công suất lắp đặt

Từ các phân tích ở trên cho thấy việc xây dựng các nhà máy điện sử dụng năng lượng thủy triều cho các vùng đảo, ven biển là hợp lý và sẽ mang lại hiệu quả cao nhằm đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng điện hiện nay Đặc điểm địa hình và thủy triều của Việt Nam sử dụng đập chắn thủy triều để phát điện là hợp lý hơn cả

Do đó, ở các chương sau luận văn chỉ tiến hành nghiên cứu về dạng phát điện thủy triều dạng đập chắn

Để có thể hiểu tổng thể, nhận biết về quá trình xây dựng cũng như kết cấu, lựa chọn thiết bị của một dự án điện thủy triều, vấn đề này sẽ tìm hiểu ở Chương 2 tiếp theo sau

35

Chương 2 - NHỮNG VẤN ĐỀ KINH TẾ KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN

CÁC DỰ ÁN PHÁT ĐIỆN CHẠY BẰNG SỨC NƯỚC THỦY TRIỀU

2.1 Khảo sát các thông số thủy triều

Công việc này được thực hiện bằng cách sử dụng các số liệu về thủy triều của

cơ quan hải dương học, đồng thời đặt các thiết bị đo vận tốc dòng triều, độ cao của thủy triều tại nơi định xây dựng nhà máy điện thủy triều, đo lưu vực để từ đó lập báo cáo nghiên cứu khả thi và tính toán đầu tư cho một dự án xây dựng nhà máy phát điện bằng thủy triều

2.2 Lựa chọn địa điểm

2.2.1 Tính toán điện lượng năm

Công thức tính công suất lý thuyết Nlt và điện năng lý thuyết Elt [18] được xác định theo công thức 2.1 và 2.2:

Nlt = 225*A2 * F (Kw) (2.1)

Elt = 1,97*106* A2F (Kwh/năm) (2.2) Trong đó:

N = Nlt*0,8 = 504*0,8 = 403,2 Mw Một năm có 3 tháng mùa lũ coi như không phát điện (trong thực tế vào mùa

lũ vẫn phát điện khi tháo lũ lúc triều xuống, những năm lũ lớn rất ít, thời gian lũ cũng không dài, nhưng để an toàn nên không tính) nên chỉ đạt 75% thời gian hoạt động của tuabin Vì lý do vận hành, nên thời gian tua bin hoạt động đạt khoảng 80%, tổng thời gian sử dụng công suất lắp máy sẽ là: 8760*0,75*0,8 = 5256 giờ

36

2.2.2 Lựa chọn vị trí đặt nhà máy

Việc lựa chọn địa điểm cũng như việc quy hoạch địa điểm thích hợp sẽ đóng vai trò quyết định đối với việc giảm thiểu các ảnh hưởng của nhà máy tới môi trường cũng như vận hành kinh tế sau này Vì vậy, việc lựa chọn địa điểm chiếm vị trí ưu tiên hàng đầu, phải tiến hành qua nhiều bước và thỏa mãn một số điều kiện sau đây:

- Lưu vực phải đảm bảo đủ dung tích cho phát điện theo yêu cầu;

- Đảm bảo độ cao mực nước tối thiểu để có thể phát điện

2.3 Sơ đồ tổng quan về nhà máy điện thủy triều

2.3.1 Nguyên lý chung

Khi thủy triều lên tới ngưỡng cao nhất, sau đó thủy triều rút thì nước trên vịnh, vũng, lòng chảo, cửa sông sẽ chảy ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo nó một năng lượng, năng lượng này gọi là thuỷ năng

Để xác định năng lượng đó ta xác định dòng chảy (hình 2.1) tại một vị trí có chiều dài là L, được giới hạn bởi các mặt cắt 1-1 và 2-2 [10]

Hình 2.1: Sơ đồ xác định năng lượng dòng chảy [10]

Theo phương trình Becnuli cho mặt cắt 1-1 (chỉ số 1), mặt cắt 2-2 (chỉ số 2)

ta có năng lượng riêng tại từng mặt cắt [10]:

Công suất nước của dòng chảy trên đoạn sông là:

N = Q.H (2.7)

Để sử dụng năng lượng của đoạn sông thì phải tập trung năng lượng dòng nước phân bố trên đoạn sông đó tại một chỗ, tạo độ chênh mực nước thượng và hạ lưu nghĩa là phải tạo nên cột áp

2.3.2 Sơ đồ nhà máy điện thủy triều

Nhà máy điện thủy triều là một tổ hợp nhiều thiết bị, sử dụng năng lượng của thủy triều để sản xuất điện năng, thông thường gồm 3 tuyến (hình 2.2):

- Tuyến áp lực

- Tuyến năng lượng

38

- Tuyến hạ lưu

Hình 2.2: Sơ đồ sơ họa nhà máy điện thủy triều dạng đập chắn

2.3.3.Các thiết bị chính trong nhà máy điện thủy triều

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện Trong đó: 1 Cửa nhận nước; 2 Kênh dẫn (ống dẫn); 3 Tuabin; 4 Máy phát điện; 5 Điều tốc, thiết bị phụ; 6 Hệ thống thiết bị phụ; 7 Thiết bị điện; 8 Kênh xả;

§Ëp ch¾n

VÞnh, Vòng, lßng ch¶o

- Tuabin + Tuabin, cánh hướng … + Bộ điều tốc

39

9 Cửa van hạ lưu

2.3.4.Tuabin nước trong nhà máy điện thủy triều

Tua bin nước là một trong các thiết bị quan trọng nhất của nhà máy điện thủy triều, nhiệm vụ chính là chuyển đổi thủy năng thành cơ năng làm quay rotor máy phát điện và sinh ra điện năng

Ta khảo sát các thành phần năng lượng của dòng chảy, năng lượng đơn vị của dòng chảy truyền cho cánh tua bin bằng độ chênh năng lượng riêng giữa hai tiết diện cửa vào chỉ số 1(tại cửa nhận nước) và cửa ra chỉ số 2 ( tại tua bin nước), ta có cột nước

- g là gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s2)

- Q là lưu lượng tính toán (m/s)

- H là cột nước tính toán (m)

-  là hiệu suất của tua bin (%)

- NT là công suất trên trục tua bin (W)

Tùy thuộc vào dạng năng lượng (công thức 2.8) mà chia tuabin nước thành hai hệ khác nhau: Tuabin xung lực và tua bin phản lực [10]

Tua bin xung lực chỉ có phần động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe

công tác còn phần thế năng bằng không Hệ tua bin này phát ra công suất nhờ động năng của dòng chất lỏng, còn áp suất ở cửa vào và cửa ra của tua bin là áp suất khí trời

Tua bin phản lực là loại tua bin làm việc nhờ cả hai phần thế năng và động

năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy Trong hệ tua bin này, áp suất ở cửa vào luôn lớn hơn ở cửa ra Dòng chảy qua tua bin là dòng liên tục điền đầy toàn bộ