Thủy điện là chuyển đổi năng lượng nước của các con sông tự nhiên thành điện để con người sử dụng. Có nhiều nguồn năng lượng khác nhau được sử dụng để sản xuất điện, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, năng lượng nước trong sông và năng lượng gió do luồng không khí tạo ra. Chi phí sản xuất thủy điện bằng thủy điện rẻ và việc xây dựng các nhà máy thủy điện cũng có thể kết hợp với các dự án bảo tồn nước khác. Nước ta rất giàu tài nguyên thủy điện và điều kiện cũng rất tốt. Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng nền kinh tế quốc dân.
Mực nước thượng nguồn của một con sông cao hơn mực nước hạ lưu. Do sự chênh lệch mực nước của con sông, năng lượng nước được tạo ra. Năng lượng này được gọi là năng lượng tiềm năng hoặc năng lượng tiềm tàng. Sự chênh lệch giữa độ cao của nước sông được gọi là giọt, còn được gọi là chênh lệch mực nước hoặc cột nước. Giọt này là điều kiện cơ bản để hình thành thủy lực. Ngoài ra, độ lớn của thủy lực cũng phụ thuộc vào độ lớn của dòng nước trong sông, đây là một điều kiện cơ bản khác quan trọng như giọt. Cả giọt và dòng chảy đều ảnh hưởng trực tiếp đến thủy lực; thể tích nước của giọt càng lớn thì thủy lực càng lớn; nếu giọt và thể tích nước tương đối nhỏ thì sản lượng của nhà máy thủy điện sẽ nhỏ hơn.
Độ rơi thường được biểu thị bằng mét. Độ dốc là tỷ lệ giữa độ rơi và khoảng cách, có thể biểu thị mức độ tập trung của độ rơi. Độ rơi càng tập trung, việc sử dụng thủy lực càng thuận tiện. Độ rơi mà nhà máy thủy điện sử dụng là sự khác biệt giữa mặt nước thượng lưu của nhà máy thủy điện và mặt nước hạ lưu sau khi đi qua tua bin.
Lưu lượng là lượng nước chảy trong một con sông trên một đơn vị thời gian, và được biểu thị bằng mét khối trong một giây. Một mét khối nước bằng một tấn. Lưu lượng của một con sông thay đổi theo bất kỳ thời điểm nào, vì vậy khi chúng ta nói về lưu lượng, chúng ta phải giải thích thời gian của địa điểm cụ thể mà nó chảy qua. Lưu lượng thay đổi rất đáng kể theo thời gian. Các con sông ở nước ta nói chung có lưu lượng lớn vào mùa mưa vào mùa hè và mùa thu, và tương đối nhỏ vào mùa đông và mùa xuân. Nhìn chung, lưu lượng của sông tương đối nhỏ ở thượng nguồn; do các nhánh sông hợp nhất, lưu lượng hạ lưu tăng dần. Do đó, mặc dù giọt nước thượng nguồn tập trung, lưu lượng nhỏ; lưu lượng hạ lưu lớn, nhưng giọt nước tương đối phân tán. Do đó, thường kinh tế nhất là sử dụng sức mạnh thủy lực ở giữa sông.
Biết được lượng nước rơi và lưu lượng mà một nhà máy thủy điện sử dụng, sản lượng của nhà máy có thể được tính toán bằng công thức sau:
N = GQH
Trong công thức, N–đầu ra, tính bằng kilowatt, cũng có thể được gọi là công suất;
Q–lưu lượng, tính bằng mét khối trên giây;
H – độ rơi, tính bằng mét;
G = 9,8, là gia tốc trọng trường, đơn vị: Newton/kg
Theo công thức trên, công suất lý thuyết được tính mà không trừ đi bất kỳ tổn thất nào. Trên thực tế, trong quá trình sản xuất thủy điện, tua bin, thiết bị truyền tải, máy phát điện, v.v. đều có tổn thất điện năng không thể tránh khỏi. Do đó, công suất lý thuyết nên được khấu trừ, tức là công suất thực tế chúng ta có thể sử dụng nên được nhân với hệ số hiệu suất (ký hiệu: K).
Công suất thiết kế của máy phát điện trong nhà máy thủy điện được gọi là công suất định mức, còn công suất thực tế được gọi là công suất thực tế. Trong quá trình chuyển đổi năng lượng, việc mất một phần năng lượng là điều không thể tránh khỏi. Trong quá trình sản xuất thủy điện, chủ yếu là tổn thất của tua bin và máy phát điện (cũng có tổn thất trong đường ống). Các loại tổn thất trong nhà máy thủy điện nhỏ nông thôn chiếm khoảng 40-50% tổng công suất lý thuyết, do đó sản lượng của nhà máy thủy điện thực tế chỉ có thể sử dụng 50-60% công suất lý thuyết, tức là hiệu suất khoảng 0,5-0,60 (trong đó hiệu suất tua bin là 0,70-0,85, hiệu suất của máy phát điện là 0,85 đến 0,90 và hiệu suất của đường ống và thiết bị truyền tải là 0,80 đến 0,85). Do đó, công suất thực tế (sản lượng) của nhà máy thủy điện có thể được tính như sau:
K – hiệu suất của nhà máy thủy điện, (0,5～0,6) được sử dụng trong tính toán sơ bộ của nhà máy thủy điện nhỏ; giá trị này có thể được đơn giản hóa như sau:
N=(0,5～0,6)QHG Công suất thực tế=hiệu suất×lưu lượng×giảm dần×9,8
Việc sử dụng thủy điện là sử dụng sức nước để đẩy máy móc, được gọi là tua bin nước. Ví dụ, bánh xe nước cổ đại ở nước ta là một tua bin nước rất đơn giản. Các tua bin thủy lực khác nhau hiện đang sử dụng được điều chỉnh theo các điều kiện thủy lực cụ thể khác nhau, để chúng có thể quay hiệu quả hơn và chuyển đổi năng lượng nước thành năng lượng cơ học. Một loại máy móc khác, máy phát điện, được kết nối với tua bin, để rôto của máy phát điện quay cùng với tua bin để tạo ra điện. Máy phát điện có thể được chia thành hai phần: phần quay cùng với tua bin và phần cố định của máy phát điện. Phần được kết nối với tua bin và quay được gọi là rôto của máy phát điện và có nhiều cực từ xung quanh rôto; một vòng tròn xung quanh rôto là phần cố định của máy phát điện, được gọi là stato của máy phát điện và stato được quấn bằng nhiều cuộn dây đồng. Khi nhiều cực từ của rôto quay ở giữa các cuộn dây đồng của stato, một dòng điện được tạo ra trên các dây đồng và máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Điện năng do nhà máy điện tạo ra được chuyển hóa thành cơ năng (động cơ điện hoặc mô tơ điện), năng lượng ánh sáng (đèn điện), nhiệt năng (lò điện)... nhờ các thiết bị điện khác nhau.
thành phần của nhà máy thủy điện
Cấu tạo của một nhà máy thủy điện bao gồm: kết cấu thủy lực, thiết bị cơ khí và thiết bị điện.
(1) Công trình thủy lợi
Nó có đập tràn, cửa hút, kênh (hoặc đường hầm), bể chứa áp suất phía trước (hoặc bể điều chỉnh), ống dẫn áp suất, nhà máy điện và đường ống xả, v.v.
Một đập tràn (đập) được xây dựng trên sông để chặn nước sông và nâng mặt nước lên tạo thành hồ chứa. Theo cách này, một giọt nước tập trung được hình thành giữa mặt nước của hồ chứa trên đập tràn (đập) và mặt nước của sông bên dưới đập, sau đó nước được đưa vào nhà máy thủy điện thông qua việc sử dụng đường ống nước hoặc đường hầm. Ở những con sông tương đối dốc, việc sử dụng các kênh dẫn nước cũng có thể tạo thành một giọt nước. Ví dụ: Nhìn chung, giọt nước trên một km của một con sông tự nhiên là 10 mét. Nếu một kênh được mở ở đầu trên của đoạn sông này để đưa nước sông vào, kênh sẽ được đào dọc theo sông và độ dốc của kênh sẽ phẳng hơn. Nếu giọt nước trong kênh được thực hiện trên một km, nó chỉ giảm 1 mét, do đó nước chảy 5 km trong kênh và mặt nước chỉ giảm 5 mét, trong khi nước giảm 50 mét sau khi đi 5 km trong kênh tự nhiên. Lúc này, nước từ kênh được dẫn trở lại nhà máy điện bằng đường ống nước hoặc đường hầm, và có một giọt nước tập trung 45 mét có thể được sử dụng để phát điện. Hình 2
Việc sử dụng các kênh dẫn nước, đường hầm hoặc đường ống dẫn nước (như ống nhựa, ống thép, ống bê tông, v.v.) để hình thành một nhà máy thủy điện có giọt nước tập trung được gọi là nhà máy thủy điện kênh dẫn nước, đây là cách bố trí điển hình của các nhà máy thủy điện.
(2) Thiết bị cơ khí và điện
Ngoài các công trình thủy lợi nêu trên (đập, kênh, sân trước, đường ống áp lực, nhà xưởng), nhà máy thủy điện còn cần các thiết bị sau:
(1) Thiết bị cơ khí
Có tua-bin, bộ điều tốc, van cửa, thiết bị truyền động và thiết bị không phát điện.
(2) Thiết bị điện
Có máy phát điện, tủ điều khiển phân phối, máy biến áp và đường dây truyền tải.
Nhưng không phải tất cả các nhà máy thủy điện nhỏ đều có các kết cấu thủy lực và thiết bị cơ điện nêu trên. Nếu mực nước ở nhà máy thủy điện có mực nước thấp dưới 6 mét, thì kênh dẫn nước và kênh dẫn nước hở thường được sử dụng, và không có hồ chứa áp lực và đường ống nước áp lực. Đối với các nhà máy điện có phạm vi cung cấp điện nhỏ và khoảng cách truyền tải ngắn, thì áp dụng truyền tải điện trực tiếp và không cần máy biến áp. Các nhà máy thủy điện có hồ chứa không cần xây đập. Việc sử dụng các cửa hút sâu, đường ống bên trong đập (hoặc đường hầm) và cống tràn giúp loại bỏ nhu cầu về các kết cấu thủy lực như đập tràn, cửa hút, kênh và hồ chứa áp lực.
Để xây dựng một nhà máy thủy điện, trước hết phải tiến hành khảo sát và thiết kế cẩn thận. Trong công tác thiết kế, có ba giai đoạn thiết kế: thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật và chi tiết thi công. Để làm tốt công tác thiết kế, trước tiên cần phải tiến hành công tác khảo sát kỹ lưỡng, tức là phải hiểu đầy đủ các điều kiện tự nhiên và kinh tế tại địa phương – tức là địa hình, địa chất, thủy văn, vốn, v.v. Tính chính xác và độ tin cậy của thiết kế chỉ có thể được đảm bảo sau khi nắm vững các tình huống này và phân tích chúng.
Các thành phần của nhà máy thủy điện nhỏ có nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào loại nhà máy thủy điện.
3. Khảo sát địa hình
Chất lượng công tác khảo sát địa hình có ảnh hưởng lớn đến bố trí kỹ thuật và ước tính khối lượng công trình.
Khảo sát địa chất (hiểu biết về điều kiện địa chất) ngoài việc hiểu biết và nghiên cứu chung về địa chất lưu vực và dọc theo sông, còn phải hiểu nền móng của phòng máy có vững chắc hay không, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của chính nhà máy điện. Một khi đập chứa một lượng hồ chứa nhất định bị phá hủy, không chỉ gây thiệt hại cho chính nhà máy thủy điện mà còn gây ra tổn thất lớn về người và tài sản ở hạ lưu.
4. Kiểm tra thủy văn
Đối với các nhà máy thủy điện, dữ liệu thủy văn quan trọng nhất là hồ sơ về mực nước sông, lưu lượng, hàm lượng phù sa, tình trạng đóng băng, dữ liệu khí tượng và dữ liệu khảo sát lũ lụt. Quy mô dòng chảy của sông ảnh hưởng đến bố trí tràn xả lũ của nhà máy thủy điện. Đánh giá thấp mức độ nghiêm trọng của lũ lụt sẽ gây ra thiệt hại cho đập; phù sa do sông mang theo có thể nhanh chóng lấp đầy hồ chứa trong trường hợp xấu nhất. Ví dụ, kênh dẫn nước vào sẽ khiến kênh bị bồi lắng, phù sa hạt thô sẽ đi qua tua bin và gây mòn tua bin. Do đó, việc xây dựng các nhà máy thủy điện phải có đủ dữ liệu thủy văn.
Do đó, trước khi quyết định xây dựng nhà máy thủy điện, trước tiên chúng ta phải điều tra hướng phát triển kinh tế trong khu vực cung cấp điện và nhu cầu điện trong tương lai. Đồng thời, ước tính tình hình các nguồn điện khác trong khu vực phát triển. Chỉ sau khi nghiên cứu và phân tích tình hình trên, chúng ta mới có thể quyết định có cần xây dựng nhà máy thủy điện hay không và quy mô nên là bao nhiêu.
Nhìn chung, mục đích của công tác khảo sát thủy điện là cung cấp thông tin cơ bản chính xác và đáng tin cậy cần thiết cho việc thiết kế và xây dựng các nhà máy thủy điện.
5. Điều kiện chung để lựa chọn địa điểm
Điều kiện chung để lựa chọn địa điểm có thể được giải thích từ bốn khía cạnh sau:
(1) Địa điểm được lựa chọn phải có thể sử dụng năng lượng nước theo cách tiết kiệm nhất và tuân thủ nguyên tắc tiết kiệm chi phí, tức là sau khi nhà máy điện hoàn thành, số tiền bỏ ra ít nhất và lượng điện tạo ra nhiều nhất. Thông thường có thể đo lường bằng cách ước tính doanh thu phát điện hàng năm và đầu tư xây dựng nhà máy để xem vốn đầu tư có thể thu hồi được bao nhiêu thời gian. Tuy nhiên, điều kiện thủy văn và địa hình ở các nơi khác nhau là khác nhau, nhu cầu điện cũng khác nhau, do đó chi phí xây dựng và đầu tư không nên bị giới hạn bởi một số giá trị nhất định.
(2) Địa hình, địa chất, thủy văn của địa điểm lựa chọn phải tương đối tốt, có khả năng thiết kế, thi công. Khi xây dựng các nhà máy thủy điện nhỏ, việc sử dụng vật liệu xây dựng phải tuân thủ nguyên tắc “vật liệu địa phương” trong khả năng có thể.
(3) Địa điểm được chọn phải gần nguồn điện và khu vực xử lý càng nhiều càng tốt để giảm thiểu đầu tư vào thiết bị truyền tải điện và tổn thất điện năng.
(4) Khi lựa chọn địa điểm, nên tận dụng tối đa các công trình thủy lợi hiện có. Ví dụ, có thể sử dụng giọt nước để xây dựng nhà máy thủy điện trong kênh tưới, hoặc có thể xây dựng nhà máy thủy điện bên cạnh hồ chứa nước tưới để phát điện từ dòng nước tưới, v.v. Vì các nhà máy thủy điện này có thể đáp ứng nguyên lý phát điện khi có nước nên ý nghĩa kinh tế của chúng rõ ràng hơn.
Thời gian đăng: 19-05-2022
