Nghiên cứu điều khiển hệ thống năng lượng thủy triều

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

Phạm Hữu Định

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU

Chuyên ngành: Thiết bị điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN VĂN THỊNH

Hà nội, năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự
hƣớng 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 chƣa công bố trên bất cứ một công trình nào
khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2013
Học viên
Phạm Hữu Định

1

LỜI CÁM ƠN
Nhân dịp này em xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến thầy giáo tiến sĩ Trần
Văn Thịnh - Trƣởng Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử thuộc Viện Điện - Trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội, ngƣời đã tạo mọi điều kiện, hƣớng 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 đƣợc những
kết quả nhƣ 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 nhƣng nội dung luận văn này không thể
tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, em rất mong nhận đƣợc góp ý của thầy cô
giáo, đồng nghiệp để nội dung của luận văn đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Xin trân trọng cám ơn!
Hà Nội, tháng 9 năm 2013
Học viên
Phạm Hữu Định

2


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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................12
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................12
5. Những đóng góp của luận văn ..........................................................................12
6. Kết luận .............................................................................................................12
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN THỦY TRIỀU .............................................13
1.1. Năng lƣợng thủy triều là gì ............................................................................13
1.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại năng lƣợng 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 lƣợng thủy triều .......................................19

1.3.1. Mực nƣớc triều ............................................................................ 19
1.3.2. Thủy triều theo chu kỳ ................................................................ 20
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng 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

3


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 Chƣơng 1 .........................................................................................34
Chƣơng 2 - NHỮNG VẤN ĐỀ KINH TẾ KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN CÁC
DỰ ÁN PHÁT ĐIỆN CHẠY BẰNG SỨC NƢỚC 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 lƣợng 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 nƣớc trong nhà máy điện thủy triều ................................. 39
Các bộ phận chính của tua bin nƣớc ..................................................... 41
2.4. Một số hình ảnh trạm điện thủy triều tại Cát Bà, Hải Phòng (do Viện Thủy
điện và Năng lƣợng tái tạo thiết kế, chế tạo và lắp đặt năm 2012) [12]. ..................42
2.5. Kết luận Chƣơng 2 .........................................................................................42
Chƣơng 3 - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐIỆN CHẠY BẰNG NĂNG
LƢỢNG 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 lƣợng thủy
triều.................................................................................................................. 45
3.2.2. Quan hệ giữa điều chỉnh tần số và công suất tác dụng ............... 50
3.2.3. Tác động tƣơng hỗ giữa các bộ điều tốc làm việc song song. .... 54
4

3.2.4. Ảnh hƣởng của ngƣỡng không nhậy lên tác động tƣơng 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 phƣơng pháp điều khiển tốc độ tua bin thủy triều . 66
3.4. Kết luận Chƣơng 3 .........................................................................................69
Chƣơng 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 dƣới 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 nhƣng không có giá trị đặt công suất phát............................... 87
5


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, nhƣng 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. Trƣờng hợp công suất đặt nhỏ hơn công suất phụ tải ................. 94
4.5.2. Trƣờng hợp công suất đặt bằng công suất phụ tải ...................... 95
4.5.3. Trƣờng hợp công suất đặt lớn hơn công suất phụ tải .................. 97
4.6. Kết luận Chƣơng 4 .........................................................................................98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................99
Kết luận .................................................................................................................99
Kiến nghị.............................................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................101

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 1.1: Các trạm điện thủy triều lớn trên thế giới [13] ......................................... 17

Bảng 1.2: Các nhà máy điện thủy triều đã đƣợc xây dựng [13] ............................... 25
Bảng 1.3: Các nhà máy điện thủy triều đang triển khai [13] .................................... 25

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Triều cƣờng (Spring Tide) [16] ................................................................ 13
Hình 1.2: Triều kiệt (Neap Tide) [17] ....................................................................... 13
Hình 1.3: Sơ đồ trạm phát điện từ năng lƣợng 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 nƣớc triều [18] ....................................................................... 20
Hình 1.8: Tua bin hƣớng 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 nƣớc dao động [12,13]........................................................ 29
Hình 2.1: Sơ đồ xác định năng lƣợng 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 hƣớng trục [10] ............................................................................ 40
Hình 2.5: Tuabin hƣớng 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: Đƣờng 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 ngƣỡng 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

8


Hình 3.7: Đƣờng 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: Đƣờng 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 hƣớng 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 thƣ viện các khối chức năng trong Simulink ................................ 73
Hình 4.3: Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc tua bin thủy triều thông thƣờng [11] .. 74
Hình 4.4: Sơ đồ bộ điều tốc biểu diễn dƣới 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

9


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

10


MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lƣợng điện cũng nhƣ các nguồn năng lƣợng
khác trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là vô cùng lớn. Phát triển kinh tế

cho một lƣợng 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 lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, để bổ sung cho nguồn
năng lƣợng ngày càng thiếu hụt và không làm mất cân bằng về môi trƣờng sinh thái
cũng nhƣ sự ảnh hƣởng đến các thế hệ tƣơng lai là thách thức lớn nhất mà nhân loại
đang đối diện. Trƣớc tình hình đó, việc sử dụng năng lƣợng hiệu quả, đảm bảo an
ninh năng lƣợng đã trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu, việc tìm kiếm các
nguồn năng lƣợng 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 lƣợng mới, có khả năng tái tạo
và thân thiện với môi trƣờng cho nhu cầu hiện tại và tƣơng lai nhƣ: Năng lƣợng mặt
trời, năng lƣợng gió, thủy điện vừa và nhỏ, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng thủy
triều, địa nhiệt và các dạng năng lƣợng mới nhƣ 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 đƣợc 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 lƣợng điện áp, chất lƣợng tần số và thu công suất một
cách tối ƣu nhất. Các bộ phận nhƣ: hệ thống thủy năng, hệ thống cơ, hệ thống điều
khiển và bộ phận kết nối lƣới phải đƣợc 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 lƣợng thủy
triều, mô hình hiện nay đang thực hiện và các phƣơng pháp điều khiển hệ thống
phát điện bằng thủy triều đảm bảo chất lƣợng 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

11

thủy triều ở các vùng khác nhau, cũng nhƣ việc vận hành và sử dụng sau này cho
một dự án phát điện sử dụng năng lƣợng thủy triều ở Việt Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng 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 đƣợc giới hạn trong phạm vi phát điện
thủy triều với dạng đập chắn nƣớc, phân tích phƣơng pháp điều chỉnh tốc và ổn
định công suất khi làm việc độc lập, song song giữa các máy phát với nhau.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình
nghiên cứu đƣợc 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 lƣu lƣợng 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, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu triển khai công
nghệ cao trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội; ý kiến của các Kỹ sƣ 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 lƣợng điện và ổn định hệ thống điện.
- Luận văn đã mô tả đƣợc chất lƣợng của hệ thống điện thủy triều với các
thông số ra phù hợp với lƣới điện Việt Nam.
- Kết quả mở ra hƣớng chế tạo các thiết bị cho nhà phát điện nhờ năng lƣợng
của biển nhƣ: sóng biển, dòng triều…
6. Kết luận
Với những ƣu điểm nhƣ giá thành không quá cao, không gây hại nhiều cho
môi trƣờng, các nguồn năng lƣợng xanh nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió,
đặc biệt là sản xuất điện từ năng lƣợng thủy triều đƣợc xem là một nguồn năng
lƣợng thay thế hữu ích, đang đƣợc nhiều nƣớc chú trọng phát triển.

12


Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN THỦY TRIỀU
1.1. Năng lƣợng thủy triều là gì
Thủy triều sinh ra do sức hút của mặt trăng, mặt trời lên quả đất, trong đó,
ảnh hƣởng 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). Nƣớc triều cƣờng và triều
kiệt xảy ra theo chu kỳ 14 ngày.
Thủy triều cực đại [16]: Triều cƣờng
khi ảnh hƣởng của lực hấp dẫn lớn nhất
- lúc đó mặt trăng, mặt trời và trái đất
giống nhƣ thẳng hàng, xảy ra ngay sau
khi trăng tròn và trăng non, có sự chênh
lệch lớn giữa độ cao nƣớc dâng và
nƣớc hạ (hình 1.1).

Hình 1.1: Triều cƣờng (Spring Tide) [16]
Thủy triều kiệt [17]: khi ảnh hƣởng
của sức hút thấp nhất - khi đƣờng
thẳng nối trái đất và mặt trăng tạo
thành góc 900 với đƣờng 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.
13

Để đánh giá năng lƣợng triều tạo ra trung bình cho một năm, cho một hồ
chứa (vịnh, vũng – có đập chắn), khi chấp nhận sai số 10%, ngƣời ta thƣờng 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 nƣớc khi mức nƣớc đạt cao nhất (km2);
A: Biên độ thuỷ triều (m);
E: Năng lƣợng thuỷ triều (triệu Kwh/năm );
Với L là độ dài của đập chắn nƣớc, tỉ số L/E đặc trƣng cho lợi ích kinh tế. Rõ
ràng là những vùng nào có biên độ thuỷ triều càng cao, diện tích mặt nƣớc khi mực
nƣớc cao nhất càng lớn, thì năng lƣợng triều càng cao và lợi ích kinh tế càng lớn khi
tỉ số L/E càng nhỏ.
Để tính toán các chế độ đặc trƣng của thuỷ triều tại các vùng vịnh, ngƣời 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
đƣợc hằng số điều hoà của nhóm sóng triều chính tại từng địa điểm của vũng, vịnh,
sau đó ngƣời ta tính toán dự báo cho một số năm. Căn cứ vào số liệu dự báo từng
giờ của một năm liên tục, ngƣời 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 lƣợng cần thiết
để tính năng lƣợng thuỷ triều ở khu vực cần khai thác. Ngoài ra, để thấy đƣợc mức
biến động của độ lớn thuỷ triều trong việc điều tiết khả năng cung cấp năng lƣợng
trong một năm, ngƣời 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 lƣợng này đã đƣợc chú ý hàng thế kỷ nay, vào thế
kỷ 18, nhà máy năng lƣợng nƣớc vận hành nhờ sự chuyển động lên xuống thủy triều
đƣợc xây dựng ở New England. Bơm nƣớc cống rãnh dùng năng lƣợng thủy triều ở

14


Hamburg, nƣớc Đức, năm 1880. Hệ thống bơm nƣớc sử dụng năng lƣợng thủy triều
đƣợc lắp đặt năm 1580 dƣới cầu London, nƣớc Anh đã hoạt động suốt 2,5 thế kỷ.
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. Một hồ
chứa thủy triều (tidal basin) là một hồ chứa đầy nƣớc và cạn nƣớc 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 mức thủy triều lên cao nhất, cửa lấy nƣớc đóng lại và
nƣớc đƣợc giữ lại trong hồ chứa. Thủy triều hạ dần, cửa mở ra và nƣớc lại chảy qua
các tua bin trở về đại dƣơng, quay tua bin và phát điện (hình 1.3) [16].
Cửa van
Mức nƣớc cao
Biển
Đập
Hồ
chứa

Tua bin

Mức nƣớc thấp

Hình 1.3: Sơ đồ trạm phát điện từ năng lƣợng thủy triều [16]
Nhà máy điện thủy triều đầu tiên đƣợc xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra
Đại Tây Dƣơng 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 tƣ xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi
trƣờng. Năng lƣợng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển,
nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dƣơng [10]. Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa
nƣớc ngọt và mặn, tạo nên môi trƣờng thủy sinh có năng suất cao. Cá và vô số động
15


vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập cũng sẽ ảnh hƣởng đến
sinh thái khu vực.
1.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại năng lƣợng thủy triều
Điện thủy triều là lƣợng điện thu đƣợc từ năng lƣợng chứa trong khối nƣớc
chuyển động do thủy triều [18].
Có 2 phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhiều nhất:
+ Sử dụng đập chắn thủy triều (thế năng).
+ Sử dụng hàng rào thủy triều (động năng)
Ngoài ra còn phƣơng 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, ngƣời ta xây một đập chắn ở vùng cửa sông đổ ra
biển hay ở một vịnh nào đó. Khi triều lên ngƣời ta mở cửa cống cho nƣớc biển chảy
vào. Khi nƣớc trong vịnh dâng lên cao nhất ngƣời ta đóng cống lại. Khi nƣớc biển
xuống thấp, ngƣời ta mở cửa cống xả nƣớc vào tuabin phát điện. Nguyên lý này
giống nhƣ 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
nhƣợc điểm là chỉ phát điện vào một số giờ khi triều xuống.
Ở nƣớc ta biên độ thuỷ triều là không lớn, do vậy, chúng ta chỉ nên xây các
trạm phát điện bằng năng lƣợng thuỷ triều có dạng đập chắn nƣớc giống của thuỷ
điện cột nƣớc thấp, tạo chênh lệch cột nƣớc 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
nhƣng diện tích vịnh lại lớn).
1.2.2. Chuyển đổi động năng của thủy triều thành điện năng
Là loại sử dụng năng lƣợng 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 đƣợc điện liên tục, song hiệu
suất của tuabin này không cao, thƣờng thích hợp ở nơi có dòng triều lớn, vận tốc 2-

16


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]
Tên nhà máy điện thủy triều

Nƣớc

Công suất (Mw)

Incheon

Hàn Quốc

1320

Garorim

Hàn Quốc

520

Sihwa

Hàn Quốc

254

Rance

Pháp

240

Annapolis Royal

Canada

20

Jiangxia

Trung Quốc

3,2

Kislaya Guba

Nga

0,4

17


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 đƣợc 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 thƣơng 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 đƣờng kính 11m sau đó (2002 – 2004) khai thác hai tuabin
150Kw với đƣờng 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 hƣớng dòng chảy. Theo kế hoạch, giai đoạn nghiên cứu phát triển đã kết thúc vào
năm 2009 và sau đó chuyển sang giai đoạn thƣơng mại. Dự kiến vào 2015 sẽ cung
cấp 300 Mw, phụ thuộc vào vị trí, kích cỡ nhà máy, các phƣơng án đầu tƣ, điện
năng sẽ có giá từ 5 – 12 Cent/Kwh tƣơng đƣơng 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… thƣờng 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

18


làm tăng lƣu lƣợng 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 đƣờng giao thông… Công
nghệ phát điện kiểu này có thể tham khảo ở những nhà máy điện dòng thuỷ triều
nhƣ trong hình 1.5.
b) Dòng triều làm chuyển động của máy thuỷ lực.
Những thiết bị loại này đang đƣợc 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) đƣợc 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 lƣợng thủy triều
1.3.1. Mực nước triều
Mực nƣớc triều là đồ thị của quá trình thay đổi mực nƣớc triều theo thời gian
t, đƣợc ký hiệu là Z(t) (hình 1.7).

19

Hình 1.7: Đồ thị mực nƣớc triều [18]
1.3.2. Thủy triều theo chu kỳ
Để nghiên cứu hiện tƣợng thuỷ triều, ngƣời ta đƣa ra một số khái niệm liên
quan nhƣ: Thời gian triều dâng, thời gian triều xuống, biên độ triều, chu kỳ triều
[18].
- Triều dâng: là dao động mực nƣớc biển lên cao dần rồi đạt tới vị trí cao
nhất, hay là sự dâng cao của mực nƣớc từ lúc nƣớc ròng tới lúc nƣớc lớn.
- Triều xuống: là dao động mức nƣớc biển xuống dần rồi đạt tới vị trí thấp
nhất, hay là sự hạ thấp mực nƣớc biển từ lúc nƣớc lớn đến lúc nƣớc ròng.
- Nƣớc lớn: là vị trí cao nhất của nƣớc biển trong một chu kỳ dao động.
- Nƣớc ròng: là vị trí thấp nhất của nƣớc biển trong một chu kỳ dao động.
- Biên độ triều: là khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa mực nƣớc lớn và
mực nƣớc ròng kế tiếp hay khoảng cách giữa mực nƣớc ròng và mực nƣớc lớn kế
tiếp.
- Độ cao triều: là vị trí mực nƣớc vào lúc nƣớc lớn trên một mức nào đó đƣợc
quy ƣớc là mực số 0.
- Thời gian chiều dâng: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nƣớc
ròng và nƣớc lớn kế tiếp.
- Thời gian triều xuống: là khoảng thời gian giữa thời điểm xuất hiện nƣớc
lớn và nƣớc ròng kế tiếp.

20


- Chu kỳ thuỷ triều: là khoảng thời gian giữa hai lần nƣớc lớn kế tiếp, hoặc
hai khoảng nƣớc ròng liên tiếp.
Chu kỳ bán nhật triều trung bình trong khoảng 12 giờ 25 phút, vì vậy, trong
một ngày mặt trăng (là khoảng thời gian giữa hai lần mặt trăng liên tiếp cao nhất
qua kinh tuyến) bằng 24 giờ 50 phút, đều đặn hai lần con nƣớc lớn và hai lần nƣớc
ròng.

Các thời điểm triều dâng (lên) và triều xuống (rút) bằng nhau, các độ cao
nƣớc lớn và nƣớc ròng kế tiếp nhau hầu nhƣ bằng nhau và biến thiên theo quy luật
trong một tháng.
Ngƣời ta còn gọi thuỷ triều có tính chất và đặc điểm nhƣ 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
đƣợc gọi là triều nƣớc nông, vì loại triều này thƣờng quan trắc thấy ở các vùng
nƣớc 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 nƣớc lớn và một lần nƣớc ròng. Trông gần
giống nhật triều, có khi lại gần giống bán nhật triều, ngƣời ta gọi đó là triều hỗn hợp
hay tạp triều.
Triều hỗn hợp đƣợc 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;
- Lƣu lƣợng 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 nƣớc mà tốc độ và hƣớng biến thiên trong ngày quan hệ với chu kỳ và biên độ
thủy triều.

21


- Dòng triều thuận nghịch: dòng triều có hƣớng ngƣợc nhau tại những eo biển
hẹp
- Các đặc trƣng của dòng triều:

+ Lƣu lƣợng triều: Là lƣu lƣợng nƣớc đi qua một mặt cắt sông trong khoảng
thời gian là 1s, ký hiệu là Q có đơn vị m3/s. Ta có công thức 1.2 [18]:
Q = Q+ + Q _

(1.2)

Trong đó:
Q+ : Thành phần lƣu lƣợng có giá trị dƣơng
Q- : Thành phần lƣu lƣợng có giá trị âm
Nhƣ vậy:
Nếu Q > 0: Dòng triều lên
Nếu Q < 0: Dòng triều xuống
Nếu Q = 0: Điểm ngƣng triều
+ Tốc độ dòng triều: đƣợc đặc trƣng 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 ngƣợc dòng.
+ Quá trình dòng triều là sự thay đổi lƣu lƣợng hoặc tốc độ dòng triều theo
thời gian Q(t) hoặc V(t).
+ Tổng lƣợng triều là lƣợng nƣớc chảy qua mặt cắt nào đó tại đoạn sông ảnh
hƣởng 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 lƣợng lý tƣởng trong tƣơng lai, làm giảm sự phụ thuộc một phần vào
dầu mỏ và các năng lƣợng hóa thạch khác, đảm bảo đƣợc nền an ninh năng lƣợng.
Tuy nhiên, để sản xuất năng lƣợng thủy triều cần chi phí đầu tƣ, chi phí bảo trì cao

22


và gây ra một số tác động về môi trƣờng 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 lƣu 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 nƣớc tại lƣu 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 lƣới điện tại
các quốc gia, đã có một số công trình đƣợc xây, nhƣng chỉ có nhà máy điện thủy
triều La Rance tại Pháp đƣợc 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 tƣ hay không?
Điện thủy triều bắt đầu đƣợc quan tâm từ những năm 1960, nhƣng chi phí quá đắt
nên số lƣợng rất hạn chế. Hiện nay, trên thế giới có hơn 70 nhà phát triển năng
lƣợng 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
đƣợc đầu tƣ khai thác, điện thủy triều có thể đáp ứng đƣợc 15% nhu cầu sử dụng
điện trên toàn thế giới [13].
Tuy Pháp là quốc gia tiên phong trong lĩnh vực điện thủy triều, nhƣng
Scotland nói riêng và Anh nói chung lại đang giữ vị trí dẫn đầu trong nghiên cứu và
phát triển nguồn năng lƣợng này. Vƣơng quốc Anh hiện là thị trƣờng hàng đầu thế
giới về năng lƣợng 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 tƣ [13].

Một chuyên gia phân tích năng lƣợng cấp cao của His Global Insight cho biết
“công nghệ đột phá trong sản xuất tuabin thủy triều đã thu hút đƣợc 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 vƣợt qua thách thức công nghệ và giảm chi phí. Quỹ đầu
tƣ “Venture Capital” khá hồ hởi với tƣơng lai nguồn năng lƣợng này. Họ tin rằng
thủy triều có thể đáp ứng 20% nhu cầu năng lƣợng cho châu Âu vào năm 2020 và
dự kiến đầu tƣ vào nhiều dự án điện thủy triều sắp tới [13].

23


1.5.2. Một số nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành tổ máy điện
thủy triều trên thế giới
Năm 1960 Pháp đã xây dựng nhà máy thuỷ triều trên sông Rance bằng cách
khai thác thuỷ triều lên xuống, với nhiệm vụ cung cấp điện cho 300.000 ngƣời dân,
nhà máy này chiếm 91% sản lƣợng điện do các nhà máy điện trên thế giới chạy
bằng thuỷ triều. Sau đó xây dựng nhà máy điện thuỷ triều La Rance gần St Mola với
công suất 240Mw, gồm 24 máy 2 tổ, sản lƣợng điện hàng năm 544.106Kwh. Vốn
xây dựng nhà máy cao gấp hai lần so với nhà máy điện truyền thống. Tuy nhiên, các
nhà máy điện thuỷ triều kiểu này vẫn gây nhiều tranh cãi vì sự tác động của nó tới
môi trƣờng tự nhiên [13].
Tại Nga, cũng xây dựng các nhà máy điện thuỷ triều lớn nhƣ 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 sƣ ngƣời Anh đã thử
nghiệm thành công trạm điện dùng lƣu tốc dòng chảy. Tua bin có hai cánh quạt dài
11m, công suất thiết kế 300Kw, tua bin phát điện đƣợc đặt trực tiếp giữa dòng chảy,
nó có thể liên tục hoạt động và cung cấp điện [13].
Nhà máy Kislogubskaya: Dự án này đƣợc 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, phƣơng pháp xây dựng và kỹ thuật khai thác, nhà máy điện thủy triều
Kislogubskaya đƣợc bảo vệ bởi Liên Bang Nga và đƣợc coi là một kỳ quan kỹ
thuật. Một tính năng đặc biệt của nhà máy Kislogubskaya, nó là cơ cấu năng lƣợng
duy nhất tại Nga làm việc trong một môi trƣờng nƣớc biển, lợi dụng năng lƣợng
thủy triều, dƣới 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 đƣợc lắp đặt trên một hệ thống xà lan nổi.
Việc xây dựng nhà máy yêu cầu sử dụng vật liệu bền, bê tông chịu đƣợc môi trƣờng
nƣớc biển, một cấu trúc bê tông cốt thép mỏng, và một hệ thống bảo vệ chống lại sự

24