1. Thủy năng - Thủy điện
Nước - Thủy năng - một trong những nguồn năng lượng cổ xưa nhất được con người sử dụng. Trong hàng ngàn năm, thủy năng được dùng để tưới tiêu và đưa các thiết bị cơ khí khác nhau vào hoạt động. Ví dụ như: cối xay; máy cưa; cần cẩu và thăng vận. Thủy năng được con người sử dụng và phát triển cả trong thực tế và khoa học kỹ thuật thủy năng. Có thể coi thủy năng là một trong những phát minh đầu tiên của con người để tạo ra năng lượng. Trong thế kỷ 20, công suất thủy năng tăng đáng kể, và đến cuối thế kỷ thì thủy năng đã được coi là nguồn điện năng tái tạo quan trọng nhất.
 |
| Ảnh minh hoạ |
Ngày nay, thủy năng (cũng có thể coi là thủy điện do tính chất sử dụng thủy năng chủ yếu là để sản xuất điện năng) là nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng nhiều nhất với số lượng lớn hơn hai lần so với tất cả các nguồn năng lượng tái tạo khác cộng lại.
Để sản xuất điện năng có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu hóa thạch và từ các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó thủy năng chiếm từ 16% đến 17% của tổng tất cả các nguồn năng lượng được dùng để tạo ra điện năng trên toàn cầu. Tuy nhiên, ở một số nước có điều kiện địa lý phù hợp thì con số % nêu trên còn cao hơn, thí dụ, Nauy có tỷ lệ thủy điện chiếm đến 99% trong tổng sản lượng điện năng; Thụy Sĩ và Canada là 60%.
Thủy năng được sản xuất tại 150 quốc gia, trong đó khu vực Châu Á-Thái Bình Dương sản xuất ra sản phẩm là thủy năng chiếm đến 32% tổng sản lượng lượng thủy năng của thế giới. Các nước tạo ra thủy năng lớn nhất là Trung Quốc, Canada, Brazil và Mỹ.
Trên thế giới có bảy nhà máy thủy điện với công suất trên 10GW. Bốn trong số đó ở Trung Quốc có Tam Hiệp, Baihetan, Xilodu và Udunde; ở Brazil có Itaipu, và Brumonti; ở Venezuela có nhà máy Guri.
Các nhà máy thủy điện có thể sản sinh năng lượng điện một cách nhanh chóng và với chi phí thấp vì nguyên liệu thô - nước - hầu như miễn phí. Ngoài ra, để vận hành các nhà máy thủy điện cần ít tài nguyên hơn so với các nhà máy cùng chức năng nhưng sử dụng các nguồn năng lượng đầu vào ở dạng khác (than, mặt trời, gió, hạt nhân,…).
2. Ưu điểm và nhược điểm của thủy năng - thủy điện
Ưu điểm
Nhà máy thủy điện không gây ô nhiễm bầu khí quyển, cung cấp ô xy cho dòng chảy, không cần nhiên liệu, không thải rác, và có độ an toàn cao. Tính linh hoạt trong đáp ứng nhu cầu và khả năng lưu trữ năng lượng (trong trường hợp của nhà máy thủy điện) làm tăng hiệu quả của hệ thống năng lượng.
Nhà máy thủy điện cũng có thể được sử dụng để tích trữ năng lượng từ các nguồn khác, thí dụ, năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió.
Hồ tích nước hoặc bể tích nước của nhà máy thủy điện hoặc trạm thủy điện công suất nhỏ, ngoài chức năng chính là nguồn thủy năng để phát điện, còn có thể cải thiện chất lượng nước, chống lũ và ngược lại, cải thiện giao thông thủy trong cả mùa khô và mùa mưa, tưới tiêu nông nghiệp, giải nhiệt các quy trình công nghệ của các nhà máy sản xuất công nghiệp (trong đó có nhà máy sản xuất nước sạch cung cấp cho các đô thị) và một phần nào đó là tăng du lịch - giải trí.
Đặc biệt chú ý đến các đặc điểm nổi trội khi vận hành nhà máy thủy điện - phản ứng nhanh đối với việc khởi động với thời gian chỉ vài giây, duy trì hiệu suất gần như không đổi trong toàn bộ dải công suất với khả năng điều chỉnh công suất trong dải rộng.
Như vậy, thủy năng là một dạng nguồn năng lượng linh hoạt cho sản xuất điện năng, nó dễ dàng đáp ứng linh hoạt trước những thay đổi về các nhu cầu: phát điện, nông nghiệp, giao thông thủy,… Và một loạt các lợi ích khác - chi phí nhiên liệu thấp, không gây ô nhiễm không khí.
Nhược điểm
Sử dụng thủy năng tự nhiên hoặc nhân tạo để sản xuất điện năng có những nhược điểm: mức đầu tư cao, mức độ ngẫu nhiên nhất định và sự hạn chế lượng năng lượng sơ cấp sẵn có, khả năng gây ngập lụt trên diện tích rộng khi có sự can thiệp của con người để tạo ra lượng thủy năng theo nhu cầu và qua đó có thể gây tác động tiêu cực đến môi trường.
Các dự án nhà máy thủy điện có quy mô lớn và siêu lớn lại dễ dàng tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và cộng đồng xã hội quanh nhà máy. Ví dụ, đập Tam Hiệp của nhà máy thủy điện Tam Hiệp ở Trung Quốc khi xây dựng đã khiến 1.2 triệu người phải di dời và làm hàng trăm ngôi làng thành hồ tích nước. Với một hồ tích nước nhân tạo có thể tích cực lớn làm cho khí mê tan được hình thành từ sự phân hủy các chất hữu cơ cũng rất lớn, điều này cũng là một nguyên nhân gây nên hiện tượng “nóng toàn cầu”. Tuy nhiên, tác động tiêu cực của thủy điện đến môi trường cũng có thể giảm thiểu được và so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch để phát điện thì nó vẫn ở mức thấp hơn.
Ngoài ra, các tuabin của nhà máy điện khi chạy thì có tác dụng bơm ô xy vào dòng nước chảy, do đó nước sau khi sử dụng được trả lại sông thì sẽ có chất lượng tốt hơn. Thêm nữa, những can thiệp vào thiên nhiên khi nhà máy thủy điện hoạt động, thí dụ, thay đổi dòng chảy của sông hoặc thêm dòng chảy mới nhân tạo, cũng làm cho các động vật thủy sinh có thêm môi trường tốt cho sinh sản.
Hướng phát triển để giảm thiểu tác động tiêu cực của nhà máy thủy điện là chỉ sử dụng một phần nào đó của dòng sông để xây đập làm hồ tích nước tạo thủy năng cho nhà máy thủy điện, qua đó làm cho nhà máy thủy điện trở nên “thân thiện” hơn với hệ sinh thái xung quanh nó.
3. Máy phát thủy điện
Các máy phát thủy điện - các động cơ tốc độ thấp. Chúng được thiết kế sao cho chạy ở tốc độ thấp hơn so với tốc độ của các máy phát điện tuabin, mà tốc độ tuabin lại phụ thuộc vào áp lực và lưu lượng dòng nước chảy tác động lên nó và tốc độ đó có thể thay đổi từ vài chục đến vài trăm vòng/phút.
Tùy thuộc vào vị trí của trục, các máy phát thủy có thể được phân ra thành loại trục thẳng đứng và trục nằm ngang. Các máy phát thủy có công suất trung bình và lớn thì được chế tạo theo loại trục thẳng đứng, còn các máy phát thủy công suất nhỏ - loại trục nằm ngang.
Các máy phát thủy trục thẳng đứng có cụm bearing (ổ trục chịu lực), cụm bearing này là đúng cho tất cả các máy thủy được lắp đặt. Bearing chịu tải nặng từ tất cả: rotor máy phát, bánh xe tuabin và phần thẳng đứng của phản ứng nước.
Phần thẳng đứng của phản ứng nước được truyền lên rotor, và được gọi là “supports”. Các lực hướng tâm tác động lên rotor, chúng được truyền bởi hai ổ trục dẫn hướng. Chính yếu tố kỹ thuật này sẽ bảo đảm cho rotor được định hướng theo chiều thẳng đứng. Theo vị trí của bearings, các máy phát thủy được phân thành máy phát tuabin treo và máy phát tuabin ô. Các bearing supports được lắp đặt trên the bracket (khung) phía trên rotor ở máy phát thủy loại treo và lắp đặt trên the bracket phía dưới rotor ở máy phát thủy loại ô.
4. Các máy phát thủy và đặc tính của chúng
Các máy phát thủy chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong tất cả các loại máy điện. Điều này được giải thích bởi nguyên do chúng giống máy phát tuabin ở chỗ, chúng là các máy điện công suất lớn nhất và do chúng có tốc độ quay định mức rất thấp nên chúng vượt qua tất cả các loại máy điện khác về giá trị (theo hướng cao hơn hoặc thấp hơn): mô men xoắn, kích thước hướng tâm và kích thước bao, trọng lượng của các phần chuyển động quay và trọng lượng tổng thể, quán tính mô men động học, tải trọng tác động lên bearings; và chi phí nước giải nhiệt.
Máy phát thủy - loại máy điện: đòi hỏi sử dụng nhiều nhân công và vật liệu nhất, có thời gian sử dụng dài, yêu cầu một số lượng lớn các dụng cụ đo lường đặc biệt, được phát triển tương thích cho từng loại máy mới.
Để chế tạo các loại máy phát thủy, cần phải có nhiều loại máy công cụ, gồm: cầu trục và cẩu hạng nặng; máy ép; máy rèn; máy gia nhiệt; máy đúc; máy hàn; máy dập; và sự cô lập về một không gian với thể tích thích hợp.
Do kích thước và trọng lượng của máy phát thủy là rất lớn, thường là không thể vận chuyển nó từ nơi chế tạo đến nhà máy thủy điện ở dạng tổng thành, nên phải vận chuyển từng khối tổng thành đơn lẻ và riêng rẽ đến nhà máy, sau đó thực hiện lắp ráp các đơn vị tổng thành đó thành máy phát thủy điện hoàn chỉnh. Về cơ bản, có thể cho rằng, tại nhà máy thủy điện lại tiếp tục các quá trình kỹ thuật như đã bắt đầu tại nhà máy chế tạo máy phát thủy.
Việc xây dựng và đưa vào vận hành máy phát thủy là một trong những khâu quan trọng nhất của việc xây dựng nhà máy thủy điện. Xây dựng nhà máy thủy điện sẽ luôn là một sự kiện trọng đại trong sự phát triển kinh tế-xã hội của một vùng địa lý, nhà máy có công suất càng lớn thì ý nghĩa càng cao.
Máy phát thủy điện, về nguyên tắc là máy cỡ nhỏ và dùng một lần, nguyên do từ điều kiện của nguồn thủy năng tự nhiên, mỗi nguồn thủy năng tự nhiên lại đòi hỏi một loại máy phát thủy điện mới trong quá trình xây dựng nhà máy thủy điện. Với nguồn thủy năng nhân tạo lớn và rất lớn thì máy phát thủy điện lại có một loạt các yêu cầu khác hẳn. Vì vậy, thiết kế máy phát thủy luôn được cải tiến nhanh so với các máy điện lớn khác và sự thiết kế đó dựa trên kinh nghiệm; sự phát triển trong các lĩnh vực kỹ thuật liên quan.
Vì lý do này, thủy năng là một nhánh lớn của ngành kỹ thuật điện, nó được đánh giá qua kinh nghiệm thiết kế-chế tạo các loại máy phát thủy.
Mặc dù đa dạng về thiết kế-chế tạo các loại máy phát thủy nhưng hiện tại không có sự phân loại nào cho chúng. Điều này là do khó khăn trong việc xác định các đặc tính quan trọng nhất của chúng để xác định thiết kế cơ bản. Thông thường, các đặc tính có thể được coi là quan trọng, gồm: số lượng và vị trí lắp đặt các bearings so với rotor, hệ thống giải nhiệt, và hệ thống kích thích.
Một trong những yếu tố chính quyết định thiết kế máy phát thủy là bố trí các trục trong truyền động dọc trục của chúng. Theo dấu hiệu này, tất cả các máy phát thủy có thể được phân loại thành hai nhóm: máy phát thủy thẳng đứng và máy phát thủy nằm ngang.
Phần lớn (nếu không muốn nói là toàn bộ) các máy phát thủy được chế tạo là loại thẳng đứng. Điều này là bởi các điểm đặc biệt của bộ truyền động; của tuabin thủy; khả năng sinh lợi nhuận và trong nhiều trường hợp thì không thể chế tạo được các máy phát thủy công suất lớn nằm ngang do với công suất lớn đó đòi hỏi: duy trì độ cứng cần thiết của stator và rotor, các bearings được lắp đặt phải đủ sức nâng,… Kết quả là rút ra: máy phát thủy (công suất lớn) thẳng đứng thì dễ lắp ráp, vận hành và sửa chữa hơn so với máy phát thủy nằm ngang. Tuy nhiên, do bố trí thẳng đứng của trục truyền động, nên trong thiết kế máy phát thủy cần có các phần tử hỗ trợ, như bearing supports; các thanh giằng ngang để hấp thụ lực trọng lực của các phần tử có chuyển động quay của máy phát và tuabin; cũng như hấp thụ lực được sinh ra từ phản ứng nước lên các cánh quạt công tắc của chúng.
Các máy phát thủy điện trục đứng, có thể phân thành hai loại:
Không có ranh giới rõ ràng cho việc phân thành hai loại của máy phát thủy điện thẳng đứng và trong nhiều trường hợp thì cả hai loại đều có thể sử dụng để đặt tên cho một máy phát thủy điện trục thẳng đứng nào đó.
Các máy phát thủy với tốc độ quay của rotor ở mức thấp và trung bình (đến 150v/p) thì về cơ bản đều được coi là loại máy phát thủy trục thẳng đứng kiểu ô, mặc dù có những thí dụ về kiểu này có tốc độ cao hơn đã có trong thực tế, và xu thế là chuyển đổi dần dần các máy phát thủy có tốc độ cao thành máy phát thủy thẳng đứng kiểu ô dù. Đương nhiên, các máy phát thủy thẳng đứng còn lại sẽ thuộc kiểu treo.
Hiện nay, trong thực tế trao đổi quốc tế, đôi khi máy phát thủy có sự tách bạch thành kiểu ô và bán ô, là các loại mà trước đây được hiểu là chúng có các cánh có dạng hình nón cụt do thiết kế cong của chúng.
Cho đến gần đây, các máy phát thủy điện nằm ngang chủ yếu được sử dụng trong máy phát thủy điện tốc độ cao, thường ở dạng cặp với một hoặc hai tuabin gầu (theo hai phía của tổ máy). Các máy phát thủy điện nằm ngang đã chứng tỏ được sự nhỏ gọn và nhẹ hơn loại thẳng đứng khi cả hai cùng hoạt động ở tốc độ tương đối cao.
Việc bố trí trục nằm ngang cũng được dùng để tạo ra một vài loại tổ hợp máy phát thủy điện với công suất không lớn, có tính chất là hoạt động liên tục và khoảng cách ngắn đến phụ tải. Nhưng ứng dụng này là không phổ biến và không đạt giá trị năng lượng cao. Mặt khác, sự phát triển phụ tải dòng điện một chiều, dẫn đến chế tạo loại máy phát thủy điện kiểu mới - máy phát thủy điện con nhộng (còn gọi là viên nang), kiểu máy tích hợp trong nó là một máy phát thủy điện con nhộng và một rotor - tuabin cánh quạt và nó được lắp đặt ngập trong nước.
Các máy phát điện thủy con nhộng được sử dụng nhiều trong các nhà máy thủy điện sử dụng thủy năng là sự lên-xuống của thủy triều và dòng nước chảy có áp lực thấp để sản xuất điện năng. Các máy phát điện này có đặc trưng là tốc độ quay của rotor tương đối thấp và đường kính thân máy nhỏ, điều này đạt được là do loại máy phát điện này ngập hẳn trong nước khi chạy, đảm bảo giải nhiệt cưỡng bức rất hiệu quả. Công suất đơn vị của các trạm thủy điện sử dụng máy phát điện con nhộng là không vượt quá 50 MW, nhưng khi cần vẫn có thể tăng đáng kể.
Tất cả các thiết kế đã biết của máy phát thủy thẳng đứng thì đều tương ứng với những cải tiến của máy con nhộng. Máy phát thủy thẳng đứng kiểu treo có thrust và counter bearing giữa tuabin và máy phát, còn ở máy con nhộng - thrust và counter bearing ở phía đối diện tuabin.
Trong vài trường hợp đặc biệt hiếm gặp, cũng thấy các bộ phận thủy lực cỡ nhỏ có trục nghiêng.
Các máy phát thủy có thể phân loại không chỉ theo vị trí của trục quay, chúng còn có thể được phân loại theo vai trò đảm nhiệm trong hệ thống năng lượng. Theo tiêu chí này thì các máy phát thủy có thể được phân thành hai nhóm: nhóm máy phát điện thuận, dùng để phát điện lên lưới và nhóm các máy phát điện nghịch, là loại máy điện có thể hoạt động như một máy phát điện (tuabin) và như một động cơ (thí dụ, bơm nước), tùy thuộc các khoảng thời gian khác nhau.
Các trạm thủy điện thuận - nghịch (máy phát-động cơ), còn được gọi là các trạm điện bơm - ắc quy, chúng được sử dụng để đáp ứng phụ tải đỉnh của hệ thống năng lượng hoặc chúng chuyển sang chế độ tiêu thụ điện năng để cân bằng đường cong phụ tải trong toàn hệ thống và đồng thời thực hiện bơm nước từ hạ lưu lên thượng lưu.
Các bộ phận thủy lực thuận - nghịch có thể là bốn máy, ba máy hoặc hai máy, tùy thuộc các bộ phận có trong thành phần của chúng có kết hợp các chức năng khác nhau hay không. Tùy chọn tuabin/bơm và máy phát/động cơ là tùy chọn ưa thích vì nó sẽ có kích thước/trọng lượng là nhỏ gọn nhất, rẻ tiền và dễ bảo trì, nó cũng được sử dụng phổ biến nhất nhờ sự phát triển tốt của các loại máy điện thuận - nghịch) hoặc còn được gọi là máy điện đảo chiều.
Các máy phát điện thủy có thể ở dạng thẳng đứng hoặc nằm ngang, dạng ô hoặc dạng treo.
Các máy phát thủy không đồng bộ, khác với máy đồng bộ thường, ở chỗ, sự quay của máy với các tốc độ trượt khác nhau đều tương ứng tốc độ đồng bộ và duy trì tần số định mức và không đổi của mạng lưới điện. Cho đến nay, kiểu này chỉ sử dụng đúng một lần ở nhà máy thủy điện Iowa, nhưng cũng rất đáng được xem xét riêng. Điều này đạt được bằng cách tạo ra trường từ kích thích, tác động tương đối lên rotor ở tần số trượt.
Máy phát dòng điện xoay chiều ở nhà máy thủy điện Iowa khác với máy truyền thống ở chỗ, thiết kế của nó sử dụng rotor cực ẩn và hai cuộn dây được phân bố lệch nhau 90 độ. Máy phát điện này được vận hành bởi một hệ thống điều khiển tác động cực nhanh, có chức năng điều chỉnh dòng điện kích thích trong mỗi cuộn dây theo một số luật nhất định để tự động bảo đảm tốc độ của trường từ của rotor (có tính đến hướng của nó) sẽ bằng hiệu số giữa tần số đồng bộ và tốc độ quay của rotor.
Nguyễn Tiến Dũng (VAA, BMSTU)
Tài liệu tham khảo
