năng lượng tái tạo và năng lượng thủy triều



I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO
1. Năng lƣợng tái tạo là gì?
Năng lƣợng tái tạo hay năng lƣợng tái sinh là năng lƣợng từ những nguồn liên
tục mà theo chuẩn mực của con ngƣời là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng
năng lƣợng tái tạo là tách một phần năng lƣợng từ các quy trình diễn biến liên tục
trong môi trƣờng và đƣa vào sử dụng trong kỹ thuật. Các nguồn năng lƣợng này chủ
yếu là đƣợc thúc đẩy từ Mặt trời.
Năng lƣợng tái tạo còn đƣợc hiểu là những nguồn năng lƣợng hay những
phƣơng pháp khai thác năng lƣợng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con ngƣời thì
là vô hạn. Vô hạn ở đây ta hiểu theo 2 nghĩa:
+ Hoặc là năng lƣợng tồn tại nhiều đến mức không thể trở nên cạn kiệt vì sự sử
dụng của con ngƣời: năng lƣợng Mặt trời.

+ Hoặc là năng lƣợng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục.
Việc sử dụng khái niệm tái tạo theo cách nói thông thƣờng là dùng để chỉ đến
các chu kỳ tái tạo mà đối với con ngƣời là ngắn đi rất nhiều (ví dụ nhƣ khí sinh học so
với năng lƣợng hóa thạch). Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lƣợng liên tục cho
nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Những quy trình này có thể
cung cấp năng lƣợng cho con ngƣời và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái
tăng trƣởng. Luồng gió thổi, dòng nƣớc chảy và nhiệt lƣợng của Mặt Trời đã đƣợc con
ngƣời sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nƣớc
nhìn theo phƣơng diện sử dụng kỹ thuật và theo phƣơng diện phí tổn sinh thái.
2. Các nguồn năng lƣợng tái tạo
Trong đời sống và tự nhiên tồn tại rất nhiều loại năng lƣợng tái tạo. Cùng với sự
tiến bộ và phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng có thêm những loại năng lƣợng
tái tạo mới đƣợc nghiên cứu và phát triển để thay thế cho các nguồn năng lƣợng có
sẵn nhƣng đã và đang dần bị cạn kiệt:
 Năng lƣợng mặt trời
 Năng lƣợng gió
 Năng lƣợng thủy triều
 Năng lƣợng sóng
 Năng lƣợng nguyên tử
 Năng lƣợng thủy điện
 Năng lƣợng sinh khối
 Năng lƣợng địa nhiệt….

3. Tầm quan trọng của năng lƣợng tái tạo – tầm quan trong toàn cầu

a) Các mô hình tính toán trên lý thuyết
Năng lƣợng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lƣợng hóa
thạch và năng lƣợng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là

10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng đƣợc
nhu cầu năng lƣợng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lƣợng mặt trời.
Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết ngƣời ta cũng đã cố gắng chứng minh là
với trình độ công nghệ ngày nay, mặc dù là bị thất thoát công suất và nhu cầu năng




lƣợng ngày một tăng, vẫn có thể đáp ứng đƣợc toàn bộ nhu cầu về năng lƣợng điện
của châu Âu bằng các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi hay là bằng các
tuốc bin gió đƣợc lắp đặt ngoài biển (off-shore). Sử dụng một cách triệt để các thiết bị
cung cấp nhiệt từ năng lƣợng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nƣớc nóng.
b) Tái tạo như thế nào

Các nguồn năng lƣợng tái tạo đƣợc đặt tên nhƣ vậy bởi vì, ngoài năng lƣợng địa
nhiệt và thủy triều, nó đƣợc bổ sung liên tục bởi ánh sáng mặt trời. Năng lƣợng mặt
trời sƣởi ấm không đồng đều của bề mặt trái đất gây ra gió. Ánh sáng mặt trời cũng
nhiên liệu chu kỳ nƣớc, mà đƣợc khai thác thông qua thủy điện, trong đó có đập thủy
điện và các hệ thống ít xâm lấn mà dòng khai thác hoặc các dòng hải lƣu. Nhiên liệu
sinh học đang phát triển sử dụng ánh sáng mặt trời. Năng lƣợng địa nhiệt đƣợc coi là
tái tạo bởi vì phân rã phóng xạ trong lõi của Trái Đất, mà không hy vọng để làm mát
xuống bất cứ lúc nào sớm, sản xuất nó. Lực hấp dẫn của mặt trời và mặt trăng gây ra
thủy triều.
c) Khả năng tiếp cận

Than đá, khí tự nhiên và dự trữ dầu là hữu hạn và ẩn. Một số lƣợng không rõ và
hạn chế của mỗi tài nguyên đƣợc chôn sâu dƣới lòng đất hay dƣới đại dƣơng. Khi có
thêm đƣợc thu hoạch, tìm kiếm các nguồn mới trở nên khó khăn hơn và tốn kém hơn,
và khai thác chúng trở nên khó khăn hơn và đôi khi nguy hiểm là tốt. Dự trữ biên, nhƣ
dầu cát, đòi hỏi phải đốt một lƣợng lớn khí tự nhiên để tinh chỉnh chúng thành dầu có

thể sử dụng. Khoan dƣới đáy đại dƣơng có thể dẫn đến tai nạn thảm khốc, chẳng hạn
nhƣ các công ty BP tràn dầu năm 2010. Năng lƣợng tái tạo, ngƣợc lại, là dễ dàng để
tìm thấy nhƣ gió và ánh sáng mặt trời
d) Độ tin cậy, ổn định và an toàn

Giá hàng ngày của dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm ổn định chính trị
trong khu vực biến động lịch sử. Xung đột chính trị đã gây ra cuộc khủng hoảng năng
lƣợng, bao gồm cả những ngƣời đã xảy ra trong năm 1973 và 1979. Năng lƣợng tái
tạo có thể đƣợc sản xuất trong nƣớc và do đó không dễ bị biến động chính trị xa
xôi. Nhiều ngƣời trong số những mối quan tâm an toàn xung quanh nhiên liệu hóa
thạch, chẳng hạn nhƣ các vụ nổ trên giàn khoan dầu và các mỏ than bị sụp đổ, không
còn tồn tại với năng lƣợng tái tạo.
e) Ô nhiễm





Hình 1.1 Sự ô nhiễm môi trường do khí thải của các ngành công nghiệp

Năng lƣợng tái tạo là xanh sạch hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Khai thác than
và dầu mỏ thăm dò và tinh chế sản xuất chất thải độc hại rắn, chẳng hạn nhƣ thủy
ngân và các kim loại nặng khác. Việc đốt than để sản xuất điện sử dụng một lƣợng lớn
nƣớc, thƣờng thải thạch tín và chì vào nƣớc bề mặt và phát hành carbon dioxide,
sulfur dioxide, nitrogen oxides và thủy ngân vào không khí. Xăng dầu và các sản
phẩm dầu mỏ gây ô nhiễm tƣơng tự. Các chất ô nhiễm gây ra các bệnh về đƣờng hô
hấp và tử vong ở ngƣời, tạo ra mƣa axit làm tổn hại tới các tòa nhà và phá hủy các hệ
sinh thái mong manh, và làm suy yếu tầng ozone.
f) Khí hậu thay đổi

Hình 1.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu đến môi trường




Sự đồng thuận mạnh mẽ trong các quốc gia cộng đồng khoa học biến đổi khí
hậu và sự nóng lên toàn cầu đang diễn ra và đƣợc gây ra bởi con ngƣời sản xuất
carbon dioxide và các khí nhà kính khác. Biến đổi khí hậu cũng có thể gây tổn hại
nông nghiệp, gây ra sự tuyệt chủng trên diện rộng, nguồn cung cấp nƣớc sạch imperil
và hỗ trợ sự lây lan của các bệnh nhiệt đới.

II. SỬ DỤNG CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO

1. Thực trạng của việc sử dụng năng lƣợng
Trữ lƣợng của các loại năng lƣợng trên thế giới
 Năng lƣợng từ than đá chiếm 
 Năng lƣợng từ khí thiên nhiên chiếm 
 Năng lƣợng từ dầu thô chiếm 
 Năng lƣợng từ hạt nhân chiêm 
 Năng lƣợng thủy điện chiếm 
 Các nguồn năng lƣợng khác 
Nhƣ vậy nguồn năng lƣợng từ hóa thạch chiêm tới  năng lƣợng sử dụng
trên thế giới, trong khi đó nguồn năng lƣợng mặt trời và năng lƣợng gió chỉ chiếm
dƣới .
Chúng ta nhận thấy một điều rằng: tỷ lệ sử dụng nguồn năng lƣợng tăng một
cách nhanh chóng trong các thế kỷ trƣớc. Điều này kết hợp với sự tăng nhanh về dân
số dẫn đén một kết luận không thể tránh đƣợc rằng chúng ta đã và đang đối mặt với
một thách thức nghiêm trọng nếu chúng ta tiếp tục duy trì xu hƣớng sử dụng năng
lƣợng nhƣ vậy trong tƣơng lai. Để giảm thiểu và cấp bách giải quyết những vấn đề
trên các nƣớc đã và đang phát triển tiến hành nghiên cứu và ứng dụng khai thác sử

dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo có sẵn trong thiên nhiên.
2. Việc sử dụng năng lƣợng tái tạo hiện nay trên thế giới
Cơ quan Năng lƣợng Quốc tế (IEA) vừa cho biết năng lƣợng tái tạo đang ngày
càng phát triển nhanh trên toàn thế giới và trong tƣơng lai sẽ thay thế khí đốt tự nhiên
trở thành nguồn tạo ra điện nhiều thứ hai thế giới, sau than đá vào năm 2016.




Các quốc gia đang phát triển đang xây dựng thêm các nhà máy điện sử dụng
năng lƣợng gió, Mặt trời và thủy điện để đáp ứng nhu cầu về điện ngày một tăng cao
và giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trƣờng tại địa phƣơng.
Thêm vào đó, giá thành năng lƣợng tái tạo đang tụt xuống mức thấp hơn so với
chi phí sử dụng các nguồn nhiên liệu truyền thống nhƣ than, khí đốt tự nhiên và dầu
lửa tại một số thị trƣờng có giá trị điện cao.
Năng lƣợng tái tạo, trong đó có thủy điện, đang là lĩnh vực năng lƣợng phát
triển nhanh nhất và dự kiến sẽ tăng khoảng 40% trong năm năm tới.
Thủy điện hiện chiếm 80% năng lƣợng tái tạo trên toàn cầu, song việc xây dựng
các đập thủy điện có thể ảnh hƣởng tiêu cực đến hệ sinh thái trên các dòng sông.
Các nguồn năng lƣợng khác nhƣ gió, năng lƣợng Mặt trời, địa nhiệt và nhiên
liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật cũng đƣợc dự kiến sẽ phát triển nhanh chóng,
song những nguồn này mới đóng góp một phần nhỏ cho thị trƣờng năng lƣợng toàn
cầu.
Những công nghệ sử dụng để tạo ra các nguồn năng lƣợng đó sẽ cung cấp 8%
tổng năng lƣợng toàn cầu vào năm 2018, tăng so với tỷ trọng 4% trong năm 2011 và
6% trong năm 2006.
Việc sử dụng nhiên liệu sinh học dự kiến sẽ tăng, mặc dù với tốc độ chậm hơn
so với năng lƣợng điện tái tạo, một phần vì các công ty đã không thành công trong
việc phát triển loại nhiên liệu có nguồn gốc từ chất thải thực vật và cây trồng mang
quy mô thƣơng mại.

Phần lớn các nhiên liệu sinh học đƣợc sử dụng hiện nay là cồn ethanol làm từ
cây mía hay ngô. Nhiên liệu sinh học ƣớc tính sẽ tăng 25% vào năm 2018 lên 2,4 triệu
thùng/ngày.
Các nƣớc đang phát triển, dẫn đầu là Trung Quốc, sẽ chiếm 2/3 sự gia tăng về
năng lƣợng tái tạo trên toàn cầu.
Tăng trƣởng ở châu Âu và Mỹ dự kiến sẽ chậm lại, mặc dù Tổng thống Mỹ
Barack Obama đã phác thảo một kế hoạch khuyên khích đầu tƣ đổi mới các nguồn
năng lƣợng tái tạo.




Giám đốc điều hành IEA Maria van der Hoeven nói rằng trở ngại lớn nhất đối với sự
phát triển năng lƣợng tái tạo là việc thay đổi các chính sách năng lƣợng làm tăng rủi
ro cho các nhà đầu tƣ. Theo ƣớc tính của IEA, số tiền cho trợ cấp nhiên liệu hóa thạch
trên thế giới đang nhiều hơn 6 lần so với những ƣu đãi dành cho năng lƣợng tái tạo.
III. NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU

1. Tổng quan về năng lƣợng thủy triều

Hình 1.3 Năng lượng từ các đợt thủy triều
Tại Việt Nam, năng lƣợng thủy triều và sóng biển chiếm trữ lƣợng vào khoảng
1,6 tỷ kWh/năm và tập trung chủ yếu ở các vùng bờ biển tỉnh Quảng Ninh (1,3
kWh/năm), phần còn lại có thể đƣợc khai thác với một số lƣợng nhỏ trong vùng hạ lƣu
của hệ thống sông Cửu long.
Với những ƣu điểm nhƣ giá thành thấp, không gây ô nhiễm môi trƣờng các
nguồn năng lƣợng thủy triều đƣợc xem là một nguồn năng lƣợng thay thế hữu ích và
đƣợc nhiều nƣớc chú trọng phát triển.
Để thu đƣợc năng lƣợng từ thủy triều ngƣời ta lợi dụng sự dâng lên rồi hạ
xuống của mực nƣớc thủy triều để làm quay turbine. Nó tƣơng tự nhƣ trong thủy điện,

ngƣời ta tiến hành xây dựng đập để chứa nƣớc khi thủy triều lên cao và xả đập khi




thủy triều hạ xuống để làm quay turbine của nhà máy phát điện nhờ vào động năng
của dòng nƣớc
Cả hai dang năng lƣợng thủy triều và thủy điện đã đƣợc ứng dụng vào sử dụng
từ nhiểu thế kỷ trƣớc.Vào thế kỷ 18, nhà máy năng lƣợng nƣớc đƣợc vận hành nhờ sự
lên xuống của thủy triều đƣợc xây dựng ở New England. Bơm nƣớc cống rãnh dùng
năng lƣợng thủy triều ở Hamburg (Đức) năm 1880.Đặc biệt bơm nƣớc hoạt động nhờ
năng lƣợng thủy triều lắp đặt dƣới cầu London đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ.
Nguồn năng lƣợng thủy triều này đƣợc đánh giá là rất có tiềm năng vì có khả
năng sản xuất ít nhất 1,3 tetra Walt (1300 tỷ Walt) tƣơng đƣơng với công suất của
toàn bộ ngành điện trên thế giới
Nhƣ vậy, sản xuất điện từ thủy triều có nhiều lợi thế rất lớn, chẳng hạn giúp cải
thiện giao thông (dập chắn dùng làm cầu) và không tạo ra khí thải gây hiệu ứng nhà
kính. Tuy nhiên có một số tác động đã làm thay đổi môi trƣờng đã làm cho thủy triều
trở nên ích hấp dẫn :
 Làm thay đổi thủy triều ở khu vực cửa sông có dập chắn, sự thay đổi này khó có
thể dự đoán đƣợc làm cho mức thủy triều tăng hoặc giảm.
 Thủy triều thay đổi tác động rõ nét tới quá trình lắng đọng bùn cát, làm thay đổi
độ đục của nƣớc, hình thái lƣu vực cửa sông và biến hình đƣờng bờ ven biển.

2. Thủy triều và nguyên nhân hình thành

a) Thủy triều

Hình 1.4 Hiện tượng thủy triều trong tự nhiên

Thủy triều là hiện tƣợng nƣớc biển, nƣớc sông… lên xuống trong ngày, là hiện
tƣợng dao động thƣờng xuyên có chu kỳ của các khối nƣớc trong biển và đại dƣơng.
Nó đƣợc sinh ra do ảnh hƣởng sức hút của mặt trăng, mặt trời lên trái đất, trong đó
ảnh hƣởng của mặt trăng đến thủy triều lớn hơn.
b) Nguyên nhân hình thành thủy triều
Nguyên nhân của thủy triều là do thủy quyển có hình cầu dẹt nhƣng bị kéo cao
lên ở hai miền đối diện nhau tạo thành hình ellipsoid. Một đỉnh của ellipsoid nằm trực
diện với mặt Trăng - là miền nƣớc lớn thứ nhất, do lực hấp dẫn của mặt Trăng gây ra.
Còn miền nƣớc lớn thứ hai nằm đối diện với miền nƣớc lớn thứ nhất qua tâm Trái Đất,
do lực li tâm tạo ra. Giữa hai nƣớc lớn liên tiếp là nƣớc ròng. Một khi vận tốc góc (tốc
độ quay) của Quả Đất không đổi thì lực li tâm lớn nhất nằm ở nơi có bán kính quay
lớn nhất khí đó là miền xích đạo của Trái đất. Tuy nhiên bán kính quay chƣa hẳn là
bán kính Quả đất tại Xích đạo, là vì: Quả đất không hoàn toàn quay quanh trục của nó,
cũng nhƣ là Mặt Trăng không hoàn toàn quay quanh Trái đất, mà là: Hệ Quả Đất-Mặt
Trăng quay xung quanh điểm trọng tâm của hệ này. Do khối lƣợng của Trái đất lớn
hơn của Mặt Trăng rất nhiều
nên trọng tâm của hệ Trái đất-
Mặt Trăng nằm trong lòng
Trái đất, trên đƣờng nối tâm
của chúng. Tóm lại: Trái Đất
vừa quay, vừa lắc.
Có hai lần triều cao và
thấp trong một ngày do sự tự
quay của trái đất quanh trục
của nó.
c) Hiện tượng triều
cường và triều kiệt

Có hai hiện tƣơng triều
cƣờng và triều kiệt, nó xảy ra
theo chu kỳ 14 ngày.
Hình 1.5 Triều cường




 Triều cường:
Thủy triều cực đại xảy
ra khi ảnh hƣởng của lực hấp
dẫn là lớn nhất, khi đó mặt
trăng, mặt trời và trái đất gần
nhƣ thẳng hàng. Do đó thủy
triều xảy ra khi trăn tròn và
trăng non gây ra chênh lệch
lơn về độ cao của mực nƣớc
dâng mà nƣớc hạ. Cũng chính
vì nguyên nhân này nên ngƣời
ta mới ứng dụng sự chênh lệch
cột nƣớc đó để tạo ra điện
năng.
Hình 1.6 Triều kiệt
 Triều kiệt:
Thủy triều kiệt xảy ra khi ảnh hƣởng của sức hút là thấp nhất, khi đó đƣờng thẳng nối
từ trái đất và mặt trăng tạo thành góc 

so với đƣờng thẳng nối từ trái đất và mặt
trời.
Bình thƣờng, sự chênh lệch mực nƣớc 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
nƣớc triều. Ví dụ nhƣ, 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 đƣợc nguồn năng lƣợng này để tạo ra điện năng.
d) Mô hình tạo ra điện năng nhờ năng lượng thủy triều

 Sơ đồ cơ chế vận hành






Hình 1.3 Sơ đồ cơ chế vận hành cùa trạm phát điện từ năng lượng thủy triều
 Nguyên lý vận hành
Một lòng chảo thủy triều (tidal basin) là một hồ chứa đầy và cạn khi thủy triều
lên và xuống. Khi nƣớc qua các cửa mở của đập, nó chảy trực tiếp vào các cánh tuabin
nƣớc và phát ra điện. Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng và nƣớc đƣợc giữ lại trong
basin. Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nƣớc lại chảy qua các tuabin trở về đại dƣơng,
quay tuabin và phát điện.
Nguyên lý vận hành của nó củng tƣơng tự nhƣ turbine thủy điện dùng trong các
nhà máy thủy điện. Nhƣng đối với turbine sử dụng năng lƣợng thủy triều thì:
+ Cần có hồ chứa nƣớc khi thủy triều dâng cao và để thoát ra khi thủy triều hạ
xuống. Tùy theo công suất phát của turbine ta có thể tính toán diện tích chứa của hồ
hợp lí sao cho khi nƣớc trong hồ vừa xả ra hết thì lúc đó là lúc thủy triều bắt đầu lên.
+ Hồ chứa có thể làm loại 1 hồ chứa có điệu tiết và không điều tiết, 2 hồ chứa
có điều tiết,… tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện của từng vùng, từng nơi.
+ Ta có thể chế tạo theo kiểu phát điện 2 chiều, khi đó triều cƣờng hay triều kiệt
turbine vẫn có thể tạo ra điện năng để cung cấp. Trên thực tế, ngƣời ta thƣờng chỉ sử

dụng turbine 1 chiều, theo chiều nƣớc xả ra từ hồ chứa vì khi ấy động năng của nƣớc
xả ra rất lớn.
+ Đập nƣớc phải có kết cấu tốt.
 Dòng chảy mang động năng làm cho turbine quay
Công ty Marine Current Turbines (Anh) cho biết turbine phát điện chạy bằng
sóng thủy triều đầu tiên trên thế giới đã đƣợc kết nối với đƣờng dây tải điện ở Anh và
trở thành một nguồn cung cấp năng lƣợng sạch cho nƣớc này.
Turbine này có tên là SeaGen, là một tháp đƣợc neo dƣới đáy biển, cách bờ
biển 400m. Lắp đặt tại vịnh Strangford ở Bắc Ireland,một trong những vùng biển có
dòng thủy triều nhanh nhất thế giới, với tốc độ có thể lên tới 15km/h.
Nguyên lý hoạt động của turbine này là phát điện khi có sự chuyển dộng lên
xuống của thủy triều bằng cách quay hai rotor đồng trục đƣờng kính 16m. Sẻ không
có năng lƣợng sinh ra nếu tốc độ chảy của nƣớc dƣới 3,5km/h. SeaGen hoạt động
tƣơng tự nhƣ nguyên lý hoạt động của các khối xay gió, chỉ khác ở chổ mỗi thứ
chuyển động điều dƣới nƣớc. Khi hoạt động đầy đủ, turbine này tạo ra năng lƣợng
1,2MW, gấp 4 lần so với các turbine khác và có thể cung cấp điện cho 100 hộ gia đình.
Nó có một số ƣu nhƣợc điểm sau:
 Không gây ô nhiễm mội trƣờng
 Không gây tiếng ồn
 Chỉ áp dụng đƣợc ở những nơi dòng chảy thủy triều có vận tốc tƣơng đối lớn
 Các thiết bị đặt hoàn toàn dƣới nƣớc nên nên quá trình lắp ráp, theo dõi bảo trì
củng nhƣ sửa chữa gặp nhiều khó khăn.



I. NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH NHÀ MÁY ĐIỆN THỦY TRIỀU
LOẠI MỘT HỒ CHỨA CÓ ĐIỀU TIẾT
1. Giới thiệu sơ lƣợc




Đối với hệ thống nhà máy điện thủy triều loại một hồ chứa có điều tiết sẽ có hai
điểm phụ tải đỉnh trong một chu kỳ thủy triều diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn.
Nhƣ vậy ở thời điểm này đòi hỏi cần phải có turbine và máy phát công suất lớn. Tuy
nhiên, các thời điểm xảy ra phụ tải đỉnh củng thay đổi theo từng ngày, thông thƣờng là
sẽ trễ hơn 50 phút sau mỗi ngày kế tiếp.
Tại thời điểm triều cƣờng và triều kiệt, hầu nhƣ chắc chắn sẽ không trùng với
thời điểm mà nhu cầu tiêu thụ điện cao, và vì vậy đòi hỏi các nhà thiết kế sẽ đƣa ra
một số giải pháp vận hành sao cho khi hòa vào mạng lƣới thì nhà máy điện thủy triều
hoạt động tối ƣu.
2. Chu trình hoạt động
Hình 2.1 Chu trình hoạt động của nhà máy điện thủy triều
Trong hệ thống này, tại trạng thái điểm 1 của giai đoạn 

, mực nƣớc trong hồ
chứa và mực nƣớc thủy triều đều xuống thấp, mực nƣớc thủy triều tăng dần khi đạt
đến trạng thái 2, giai đoạn này tất cả các cửa cấp cho turbine đầu đóng lại.

Khi cột nƣớc đạt đến trạng thái điểm 2, các cửa cấp cho các turbine đƣợc mở ra
và nƣớc từ đại dƣơng đi qua các cửa này để chạy turbine. Điện năng đƣợc sản xuất
trong giai đoạn 

, đây cũng là giai đoạn mà mực nƣớc trong hồ chứa và mực nƣớc
thủy triều đều dâng cao.
Khi mực nƣớc thủy triều đạt đến đỉnh và bắt đầu giảm xuống, mực nƣớc trong
hồ chứa vẫn tăng cho đến khi đạt trạng thái 3, độ chênh lệch cột nƣớc là quá thấp để
có thể chạy turbine hiệu suất cao. Do đó, các cửa cấp nƣớc cho turbine đƣợc đóng lại,
nhƣng các cửa cấp nƣớc cho hồ chứa vẫn mở để lấy đầy vào hồ đến trạng thái 4 (giai
đoạn F).
Tại trạng thái 4, tất cả các cửa một lần nửa đƣợc đóng lại. Trong giai đoạn 


thì mực nƣớc thủy triều đang giảm dần, đến trạng thái 5 các cửa cấp nƣớc cho turbine
lại một lần nửa đƣơc mở để cho phép chạy turbine nhƣng theo hƣớng ngƣợc lại và
điện năng đƣợc sản xuất trong giai đoạn 

, đây cũng là giai đoạn mà mực nƣớc trong
hồ và mực nƣớc thủy triều đều giảm thấp.
Hình 2.2 Hoạt động ở nửa chu kỳ đầu của hệ thống
Khi mực nƣớc thủy triều đạt đến vị trí thấp nhất và bắt đầu dâng lên trong khi
mực nƣớc trong hồ chứa vẫn giảm cho đến khi đạt trạng thái 6, độ chênh lệch cột
nƣớc là quá thấp để có thể chạy turbine đạt đƣợc hiệu suất cao. Do đó, tất cả các cửa
nƣớc cấp đƣợc đóng lại để bắt đầu một chu kỳ làm việc mới.

3. Các nhà máy phát điện thủy triều trên thế giới
Công suất trung bình thực tế và năng lƣợng tính toán thông thƣờng phải đƣợc
nhân với hiệu suất của hệ thống nằm trong khoàng   .
Cho đến nay, có hai nhà máy điện thủy triều lớn đƣợc xây dựng trê thế giới là:
 Ở Pháp:
Đƣợc xây dựng tại vịnh Rance, trên sông Rance vào năm 1966. Với các loạt
thủy triều lớn nhất đạt trên 13m. Nhà máy này bao gồm 24 máy phát điện turbine
10MW hoạt động trên một hồ chứa không điều tiết cho công suất cao nhất lên tới
240MW, công suất trung bình khoảng 160MW.
Một tính năm khác của nhà máy Rance là các lƣu vực phía sau đập thủy triều
đƣợc sử dụng để lƣu trữ nƣớc thành bơm.

Hình 2.2 Nhà máy điện thủy triều công suất 240MW trên sông Rance
Ở thời kỳ của nhu cầu điện năng thấp và thủy triều cao, năng lƣợng dƣ thừa từ
lƣới điện đƣợc sử dụng để bơm nƣớc vào lƣu vực nâng cao độ chừa nƣớc lên gần
0,5m trên mực thủy triều cao.




 Ở Nga:
Đƣợc xây dựng tại Kislaya Guba, trên biển Barents, cách khoảng 1000km về
phía bắc Murmansk, gần biên giới Na Uy vào năm 1970. Nhà máy này có công suất
2MW.

II. TÍNH TOÁN CHO NHÀ MÁY DIỆN THỦY TRIỀU CÔNG
SUẤT 120MW

1. Xây dựng mô hình tính toán và các già thiết của bài toán

 Mô hình tính toán
Ta cũng đả biết thủy triều lên xuống theo thời gian và mức thủy triều củng
không ổn định lúc cao lúc thấp, vì vậy dẫn đến chiều cao của cột nƣớc chứa trong hồ
chứa cũng sẽ không ổn định.
Hình 2.3 Mô hình nhà máy phát điện thủy triều
Ta gọi
  là khoảng cách dao động lên xuống của thủy triều hay là khoảng cách
giữa mức triều cƣờng khi nƣớc dâng và mức triều kiệt khi nƣớc hạ xuống.




  mực nƣớc biển trên đƣờng trung bình. Vì mực nƣớc biển luôn dao động
lên xuống theo thời gian  nên ta có



  mực nƣớc hồ chứa trên đƣờng trung bình. Khi mực nƣớc biển trên đƣờng
trung bình luôn dao động và phụ thuộc vào thời gian  thì cũng tƣơng tự đối với
mực nƣớc trung bình trong hồ



+  


 là gia tốc trọng trƣờng
+ 


hệ số chuyển đồi, đơn vị 

hoặc 


+ 

là khối lƣợng của nƣớc qua turbine
+  chiều cao cột nƣớc tại thời điểm đang xét
+  


 khối lƣợng riêng của nƣớc
+ 




 Các giả thiết của bài toán
+ Trên thực tế khi tính toán thiết kế turbine điện thủy triều, ngƣời ta thƣờng
thiết kế tạo ra turbine loại phát điện hai chiều. Nghĩa là khi mức triều cƣờng hay triều
kiệt, nƣớc chảy ra hay chảy vào turbine điều có thể phát ra điện để cung cấp. Nhƣng
trong bài toán này để đơn giản và thuận tiên cho việc tính toán, chúng em chỉ xét đến
chiều của nƣớc chảy ra từ trong hồ chứa vào biển khi mức triều kiệt.
+ Nghĩa là ta chỉ xét đến thế năng của mực nƣớc chảy từ trong hồ chứa ra biển,
nó cũng tƣơng tự nhƣ việc sử dụng thế năng của mực nƣớc chảy trong các nhà máy
đập thủy điện. Nhƣng trong trƣờng hợp này nƣớc trong hồ chứa sẽ cạn dần và dòng
năng lƣợng không liện tục nhƣ các dập thủy điện.
+ Xem nhƣ diện tích của mặt hồ chứa vô cung lớn thì khi đó mực giảm của mực
nƣớc trong hồ không đáng kể, xem nhƣ vậy tốc của nƣớc chuyển động trong hổ chứa

có thể bỏ qua.
+ ….




2. Xác định công của turbine sinh ra (năng lƣợng tổng cộng)  tại một thời
điểm có chiều cao cột nƣớc là 
Thực tế ở đây năng lƣợng do turbine sinh ra chủ yếu chỉ là do sự biến thiên
năng lƣợng của mực nƣớc chứa trong hồ, từ năng lƣợng ban đầu hoàn toàn là thế năng
(lúc nƣớc đƣợc chứa trong hồ) đến khi năng lƣợng đƣợc biến đổi hoàn toàn thành
động năng (nƣớc đập vào cánh turbine làm quay turbine).
Vậy sự biến thiên năng lƣợng hay công sinh ra:

Tại thời điểm  đang xét với khối lƣợng nƣớc  qua turbine thì sẽ sinh ra
đƣợc một lƣơng công là 
Theo phƣơng pháp phân tích thừ nguyên thì phƣơng trình trên có vế trái không
bằng vế phải. Vì vậy để phƣơng trình trên có nghĩa thì ta cần có thêm hệ số chuyền
đổi 

vào vế phải:





Tại thời điểm đang xét thì
+ 

 



+ 
Vậy nên ta có đƣợc











 







Ta tiến hành lấy tích phân hai vế của phƣơng trình ta đƣợc:




 







 












Để giải đƣợc phƣơng trình này ta cần phải tìm đƣợc nghiệm của hai phƣơng
trình 

 và 

 là hàm phụ thuộc vào thời gian.




Năng lƣợng của turbine không đƣợc phát ra liên tục trong suốt thời gian dừng.
Theo thuyết năng lƣợng trung bình ta có thể xác định đƣợc công suất khi chia nhỏ

lƣợng nƣớc bằng tổng thời gian thực hiện theo một chu kỳ thủy triều 6h 12,5’ hoặc
22350s hay 6,2083.
Từ đây  có thể đƣợc xác định gần đúng theo , ta có:












Tại một thời điểm  trong khoảng thời gian chu kỳ thủy triều ,  đƣợc xác định
gần đúng bởi đƣờng , bắt đầu tại 0 và kết thúc tại 

với giả thiết lƣu lƣợng dòng
chảy không đổi, ta có:





 


trong đó:
+ 


 là hằng số.
+ 



mực nƣớc hàm chứa trên đƣờng trung bình.
Theo hàm quan hệ đối với  và  ta có:











  





 




vậy nên :




 






  






















 

 








































Do đó công sinh ra của turbine trong khoảng thời gian từ 

đến 

là:














 











 









3. Chênh lệch giữa triều cƣờng và triều kiệt (khoảng cách )
Dòng thủy triều thay đổi từ nơi này đến nơi khác trên trái đất. Các dòng thủy
triều chịu sự ảnh hƣởng của các điều kiện tự nhiên và độ sâu của dòng nƣớc. Các ảnh
hƣởng này sẽ tạo ra chi phí rất lớn cho việc xấy dựng đập và nhà máy phát điện.

Nhƣ đã trình bày ở phần trên, chênh lệch độ cao giữa triều cƣờng và triều kiệt là
0,5m. Nhƣng ờ một số nơi trên thế giới, nhửng nơi có điều kiện phù hợp nhƣ là vịnh
Fundy nằm giữa Maine, Mỹ và New Brunswick, Canada là những nơi mà những đợt
thủy triều có thể cao đến 20m (66ft). Một số nơi tiềm năng khác nhƣ: cửa sông Sevem
ở Anh; bãi biển Patagonian ờ Argentina; vịnh Kislaya ở Nga … và một nơi khác với
những đợt thủy triều bằng hoặc vƣợt quá 10m (ft).
Ở Việt Nam củng có một số nơi có sự chênh lệch lên cao.
Vì vậy, theo kinh nghiệm và điều kiện địa bờ biền tại Việt Nam ta có thể chọn
sơ bộ .
4. Công suất trung bình của nhà máy hoạt động

 Giả thiết:
+ Theo giả thiết công suất phát của nhà máy là 120MW, mà trong một hệ thống
máy phát có nhiều tố máy, có đủ kích cở, công suất khác nhau cùng hoạt động để tao
ra điện.
+ Với công suất phát của nhà máy rất lớn nhƣ trên, ta khó có thể sử dụng hệ
thống ít turbine, nhƣ vậy sẽ làm cho turbine có công suất rất lớn làm cho giá thành đầu
tƣ, việc chế tạo và lắp ráp gặp rất nhiều khó khăn.
+ Để giải quyết tình trạng trên,chúng ta sẽ sử dụng nhiều turbine có cùng công
suất cùng làm việc theo một chu kỳ của thủy triều là .




+ Ta tiến hành tính toán công suất phát của turbine, sau đó dựa theo bảng
catalogue về turbine điện thủy triều để chọn turbine thích hợp và tính đƣợc số lƣợng
turbine.
 Tính toán
Gọi:
+ 


là công suất trung bình thực tế của nhà máy phát đi. Vậy



+ 

là công suất trung bình của nhà máy hoạt động trong một chu kỳ thủy
triều.
+  hiệu suất của hệ thống, là tỷ lệ giữa công suất tạo ra của các turbine so với
công suất phát đi của nhà máy.
Thƣờng thì    đối với nhà máy thủy triều loại một hồ chứa có điều tiết.
Ta chọn .
Từ định nghĩa trên ta có:

















Vậy để nhà máy phát ra đƣợc công suất là 120MW thì các turbine sẽ phải tạo ra
đƣợc ít nhất 600MW điện năng.
5. Tổng năng lƣợng sinh ra của nhà máy 
Ta có mối quan hệ giữa năng lƣợng sinh ra và công suất của tổng các turbine
là:






Tổng năng lƣợng sinh ra của nhà máy













6. Diện tích mặt hồ chứa 
Ta chọn các thông số cần thiết
+ 


+ 


+


+  


khối lƣợng riêng của nƣớc biển.
Ta có mối quan hệ giữa diện tích mặt hồ chứa  và tổng năng lƣợng :














 












 









Từ đây ta suy ra đƣợc :














 












 

















 









 





Vậy tổng diện tích của hồ chứa để cấp đủ nƣớc cho turbine chạy trong thời gian
chu kỳ thủy triều là gần 

.