THIẾT KẾ -XÂY DỰNG TRẠM THỦY ĐIỆN SIÊU NHỎ
● Võ Đình Tiến
Tag: Trạm thủy điện, thủy điện nhỏ, thủy điện siêu nhỏ, thủy điện cực nhỏ, vi thủy điện.
Bà con ở vùng sâu vùng xa, không có điện có thể nghiên cứu bài viết này để tự tạo ra điện "miễn phí" cho mình...
Bài viết này cố gắng trình bày một cách hệ thống, dễ hiểu về việc thiết kế, lắp đặt một trạm thủy điện siêu nhỏ, sử dụng năng lượng từ các dòng sông, suối để biến thành nguồn điện sử dụng cho gia đình, cơ quan ở nông thôn, miền núi; hầu giúp những ai không có điều kiện nghiên cứu chuyên môn nhưng có nhu cầu tìm hiểu để tự xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ cho mình đỡ được phần nào những khó khăn, bỡ ngỡ mà tôi đã từng gặp phải.
● Điều kiện để xây dựng một trạm thủy điện siêu nhỏ:
- Gần nguồn nước sông, suối có lưu lượng phù hợp và có nước chảy quanh năm. (Nếu nguồn nước không chảy trong mùa khô, bạn chỉ có thể sử dụng trạm thủy điện vào mùa mưa).
- Bạn cần có chút ít kiến thức về chuyên môn để tính toán công suất, cách thức xây dựng, lắp đặt công trình và có vốn để đầu tư xây dựng.
● Đo đạc, khảo sát để xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ (500 KW trở xuống).
- Công suất của một trạm thủy điện siêu nhỏ phụ thuộc vào:
+ Lưu lượng dòng chảy.
+ Độ chênh cao cột nước: (tính theo phương thẳng đứng từ đầu ống dẫn vào tại đầu đập ngăn nước đến nơi đặt máy phát thủy điện).
Muốn xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ, đầu tiên ta phải khảo sát, đo đạc để xác định các thông số trên.
●Lưu lượng dòng chảy: Là khối lượng nước chảy qua sông, suối hoặc ống dẫn trên một đơn vị thời gian, được tính bằng cách đo tiết diện dòng chảy (ĐVT: m2), đo vận tốc dòng chảy (m/s) rồi nhân với nhau:
Q=S*v (m3/s) S: thiết diện dòng chảy (m2); và v là vận tốc dòng chảy (m/s)
Để đo tiết diện dòng chảy, bạn chọn một vị trí dễ đo trên dòng nước hoặc vị trí dự kiến đắp đập ngăn dòng để dẫn nước vào ống và tiến hành đo như sau (xem hình 1) :
Hình 1: đo đạc thiết diện dòng chảy
(Nguồn: http://www. wvu. edu/~exten/infores/pubs/ageng/epp13. pdf)
- Dùng thước đo chiều rộng dòng chảy (mét).
- Cắm thước đo độ cao dòng chảy tại các vị trí B, C, D, E ... (các điểm này nên bố trí cách nhau 0,5-1m)
- Cộng các giá trị độ cao dòng chảy tại các điểm đo, chia cho số điểm đo để lấy giá trị độ cao trung bình của dòng chảy, rồi nhân với giá trị chiều rộng dòng chảy, ta tính được tiết diện dòng chảy (m2). Ta cũng có thể vẽ đúng tỷ lệ các thông số lên giấy rồi dùng phương pháp tam giác để đo thiết diện dòng chảy, hoặc sử dụng phần mềm chuyên dùng vẽ mặt cắt để tính diện tích.
● Vận tốc dòng chảy: Là tốc độ di chuyển của dòng nước trên đơn vị thời gian (m/s).
- Đo vận tốc dòng chảy: Chọn một đoạn theo chiều dài dòng chảy, cắm 2 cọc cố định cách nhau khoảng 40m, thả một vật nỗi (tốt nhất dùng quả bóng bàn) cho trôi từ đầu đến cuối đoạn suối đã chọn. Dùng chức năng đếm thời gian (đồng hồ bấm giây trong điện thoại di động) để tính thời gian vật thể trôi từ đầu đến cuối đoạn suối. Lập lại thực nghiệm 10 lần để có giá trị trung bình vận tốc dòng chảy (xem hình 2).
Hình 2: Đo vận tốc dòng chảy
(Nguồn: http://www. wvu. edu/~exten/infores/pubs/ageng/epp13. pdf)
Các nhà khảo sát chuyên nghiệp thường dùng máy đo lưu tốc kiểu chân vịt để đo chính xác tốc độ dòng chảy.
Tính lưu lượng dòng chảy: Lấy tiết diện dòng chảy (m2) nhân với vận tốc dòng chảy (m/s); ta có lưu lượng dòng chảy (m3/s).
Trong trường hợp dòng chảy có trữ lượng khá, trong khi bạn có nhu cầu xài điện thấp, lắp đặt máy phát thủy điện công suất nhỏ (ít vốn đầu tư) thì bạn chỉ cần đặt ống trích một phần lưu lượng đủ dùng, còn lại cho chảy tràn theo suối.
Ghi chú: thời gian đo đạc khảo sát lưu lượng dòng chảy nên tiến hành vào mùa kiệt (cuối mùa khô) là thời điểm dòng chảy có lưu lượng thấp nhất. Lấy giá trị này sẽ tính toán công suất lắp máy đảm bảo lượng điện sử dụng cả năm.
Thông thường, người ta đo lưu lượng dòng chảy max (giữa mùa mưa) và lưu lượng dòng chảy min (cuối mùa khô), lấy giá trị trung bình của 2 giá trị này lại và nhân 2 chia 3 để có lưu lượng trung bình cả năm. Cách làm này cho phép lắp máy có công suất khá hơn, nhưng về mùa kiệt, công suất thực tế giảm xuống, làm cho các thông số về cường độ, hiệu điện thế, tần số của dòng điện phát ra giảm theo, tuy sử dụng được thiết bị điện nhưng không đủ chuẩn (ví dụ: hiệu điện thế =180V cũng cháy sáng đèn compact, nhưng đèn neon thì hơi bị chớp)
● Độ cao cột nước: Là chênh lệch tính từ nơi ngăn dòng đưa nước vào ống với nơi đặt mát phát điện theo chiều thẳng đứng, đơn vị tính là mét. Để đo độ chênh cao này, ta có nhiều cách:
Cách 1: Vạch đường thẳng từ điểm dẫn nước vào ống đến điểm đặt máy. Dùng thước thợ hồ (có bọt thủy) để xác định phương ngang. Dùng dây dọi gióng từ điểm cuối thước nằm ngang xuống tới đất, đo chiều dài dây dọi. Làm nhiều lần từ điểm đầu (nước vào ống dẫn) đến điểm cuối (nước từ ống dẫn vào máy phát điện) cộng các giá trị đo theo chiều thẳng đứng ở các chặng lại, ta có độ chênh cao cột nước. (Xem hình 3)
Hình 3: Đo chênh cao cột nước. (Nguồn: http://www. wvu. edu/~exten/infores/pubs/ageng/epp13. pdf)
Cách 2: Dùng máy định vị cầm tay (mượn tại các cơ quan đo đạc, cơ quan lâm nghiệp, tài nguyên môi trường vv ....) lưu tọa độ điểm đầu và tọa độ điểm cuối. Mỗi điểm lưu đều cho biết cao độ tại điểm đó so với mặt nước biển, lấy cao độ điểm đầu trừ cao độ điểm cuối sẽ có độ chênh cao.
Cách 3: Thuê đơn vị đo đạc dùng máy toàn đạc điện tử, máy kinh vĩ quang cơ hoặc máy thủy chuẩn để đo độ chênh cao, hoặc dùng máy định vị 1 tần số (định vị mẹ con) để đo chênh cao đầu - cuối. Cách này cho kết quả chính xác nhất.
Ghi chú: Tuyệt đối không nên ước lượng bằng mắt để xác định độ chênh cao.
● Tính công suất lắp máy.
Công suất lắp máy được tính theo công thức sau:
P= g*Q*H*n
P: công suất lắp máy (KW).
g: gia tốc trọng trường (=9,81 m/s2).
Q: lưu lượng dòng chảy (m3/s)
H: chiều cao cột nước (m)
n: Hệ số chiết giảm, thường lấy bằng 0,6.
P=9,81*Q*H*0,6
Gia tốc trọng trường lấy tròn là 10, hệ số chiết giảm là 0,6; hai số này nhân nhau bằng 6. Do đó, ta có thể viết lại công thức gọn gàng để tính công suất lắp máy:
P=6*Q*H (KW) hay P=6QH.
Bạn chọn máy có công suất thấp hơn (khoảng 80%) giá trị công suất lắp máy tính được là bảo đảm an toàn.
3. Xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ:
Tùy điều kiện dòng chảy và địa hình, ta phân ra 2 loại thủy điện siêu nhỏ:
- Dòng chảy có lưu lượng lớn nhưng độ chênh cao nhỏ (2-5m), thường dùng máy đứng (xem hình 4)
Hình 4: hình dạng và cấu tạo máy phát thủy điện siêu nhỏ loại trục đứng (máy đứng hoặc máy trục đứng). Chú ý hình bên phải ngoài cùng Gererator là máy phát, phần dưới có gắn chong chóng cánh quạt là turbine (tuabin). Máy phát và tuabin liên kết với nhau bằng một trụ tròn rỗng. (Nguồn: internet)
- Dòng chảy có lưu lượng thấp nhưng có độ chênh cao lớn, thường dùng máy ngồi (máy gáo - xem hình 5)
Hình 5: Máy ngồi (máy trục ngang) dùng cho dòng chảy có lưu lượng dòng chảy thấp nhưng chênh cao cột nước lớn. . (Nguồn: internet)
Hiện nay, có máy phát thủy điện siêu nhỏ do Trung Quốc sản xuất giá thành rẻ (máy ngồi công suất 4 KW giá 2,7 triệu đồng -giá tháng 11-2011), bán rất nhiều ở các tỉnh miền núi, nhưng chất lượng không cao (bạc đạn chất lượng thấp, quấn dây nhôm). Loại máy do các viện nghiên cứu, các trường đại học tại Hà Nội sản xuất chất lượng cao hơn, nhưng giá bán gấp đôi. Theo tôi, có thể mua máy phát thủy điện siêu nhỏ do Trung Quốc sản xuất, xài đến khi nào cháy cuộn dây, đem ra tiệm cơ điện thuê thợ quấn lại bằng dây đồng loại tốt và thay bạc đạn xịn vào là sử dụng ổn định.
Tôi có đọc tài liệu “Người Thái làm thủy điện nhỏ”, thấy sinh viên tình nguyện Thái Lan dùng mô tơ điện thông thường (máy bơm nước thường dùng bơm nước lên tầng cao trong nhà, bày bán ở các tiệm điện cơ) thay cho máy ngồi. Họ lắp ống dẫn nước trên núi xuống vào “đầu nước ra” của mô tơ điện, nước làm quay cánh quạt và roto sinh ra điện, sau đó, nước thoát ra ở “đầu nước vào” của mô tơ điện. Tuy nhiên, chưa thực nghiệm chắc chắn thì không nên áp dụng sáng kiến này!
● Xây dựng và lắp đặt máy đứng:
Gồm các hạng mục thi công:
+ Đập ngăn dòng - dẫn nước vào ống.
+ Ống dẫn nước vào buồng xoắn.
+ Buồng xoắn.
(Xem hình 6)
Hình 6: mô hình trạm thủy điện siêu nhỏ.
(Nguồn: Nguyễn Đức Hòa, Trường Đại học Đà Lạt Nguyễn Hải Thanh, Trường Cao đẳng sư phạm Đà Lạt)
- Hệ thống thủy điện siêu nhỏ dùng máy đứng vận hành như sau:
+ Nước từ sông, suối được dẫn vào ống dẫn nước, chảy vào máng nước rồi đổ vào buồng xoắn. Buồng xoắn có cấu tạo hình xoắn ốc để khi nước chảy vào sẽ tạo thành dòng chảy xoáy quanh buồng xoắn, tạo ra moment xoắn làm quay cánh quạt tua bin, đồng thời làm quay máy phát điện tạo ra dòng điện.
+ Các thông số thiết kế:
- Đập ngăn nước: Xây bằng gạch thẻ, đá local (đá hộc-bất cập phân) lượm tại chỗ, hoặc đá chẻ (vửa mác 50). Cấu kiện xây gạch đá có bề dày khoảng 0,3-0,5 m (Tùy quy mô lớn nhỏ của thủy điện); chiều cao khoảng 1m. Tại đáy đập, âm dưới mặt đất ta đặt ống để dẫn dòng (cho nước chảy vào ống để xả nước khi thi công xây đập dâng) và dùng ống này để xả cát khi trạm thủy điện siêu nhỏ được đưa vào sử dụng. Ống xả đáy làm bằng ống nhựa Bình Minh 220 mm hoặc lớn hơn (nếu dòng chảy lớn), có gắn nút bít (không dán keo) tại đầu dẫn vào (Khi đi vào vận hành, định kỳ 3 tháng nên mở nút bít, khuấy đáy để xả cát, làm vệ sinh cho đập dâng).
Ống dẫn nước đặt ở giữa thân đập theo chiều đứng, cách mặt đất tự nhiên từ 0,4-0,5 m (để hạn chế cát, rác ... chui vào ống). Trước đầu ống có lưới chắn rác bằng lưới B40 hoặc sợi inox 3mm đan ô vuông 2cmx2cm. Lưới chắn rác nên đặt cách ống thu nước từ 0,5-1m.
- Ống dẫn nước: dùng ống nhựa PVC loại tốt. Đường kính ống dẫn bằng hoặc lớn hơn đường kính ngoài của tua bin là được.
- Buồng xoắn: Đây là cấu kiện quan trọng, ảnh hưởng đến công suất phát điện. Người dân tộc thường cắt đôi thùng phuy, lắp tuabin thủy điện vào tâm đáy thùng phuy rồi dùng thân cây bộng (rỗng ruột) dẫn vào thùng phuy tạo ra dòng nước xoáy làm quay tuabin, cũng tạo ra điện cho sinh hoạt; tuy nhiên, công suất máy phát bị giảm rất nhiều.
Các tác giả Nguyễn Đức Hòa và Nguyễn Hải Thanh (Đà Lạt) đã làm thực nghiệm với nhiều máy phát công suất khác nhau, độ chênh cột nước khác nhau, để đúc kết một kiểu buồng xoắn tối ưu như hình 7. Chúng tôi đã dựa vào mô hình này để lập bản vẽ thiết kế bằng phần mềm AutoCad (download file DAN THUY DIEN. dwg - kèm theo) cho buồng xoắn, có ghi kích thước theo tỷ lệ với đường kính đầu ra của tua bin có công suất khác nhau. Nếu bạn không cài phần mềm AutoCad trong máy thì chép file này vào USB đưa đến các cửa hàng in vi tính, cửa hàng quảng cáo, người ta sẽ in ra tỷ lệ 1:1 cho bạn dễ thi công.
Hình 7: Mặt đứng và mặt bằng buồng xoắn
Ghi chú:
+ Sau khi nước vào buồng xoắn, làm quay tuabin để tạo ra điện, xong nước sẽ chảy qua chân vịt dưới đáy tuabin để thoát ra ngoài. Vì vậy, bạn phải làm sao cho đường nước thoát ra khỏi tuabin lưu thông dễ dàng (chiều cao từ đáy tuabin đến đáy mương thoát ít nhất 1m), để dòng chảy vào tuabin không bị cản trở bởi lượng nước thừa không chảy kịp đọng dưới đáy; máy phát mới đạt được công suất thiết kế.
+ Bạn đừng vội mua máy phát thủy điện trước. Đợi khi xây dựng xong đập dâng, ống dẫn rồi, bạn đặt bồn chứa ở đầu ra ống dẫn, tại vị trí dự kiến lắp đặt tuabin; dùng chức năng bấm giờ của điện thoại di động đo xem nước chảy vào đầy bồn chứa trong thời gian bao nhiêu (giây). Đây là cách xác định lưu lượng (m3/s) tối ưu nhất. Từ lưu lượng này cùng với thông số chênh cao cột nước, bạn sẽ tính được chính xác công suất lắp máy, làm căn cứ đặt mua máy phát điện; sau đó mới làm buồng xoắn phù hợp với máy phát.
+ Sau khi thi công hệ thống đập - máy phát điện, bạn nên lắp tại đầu vào ống nước một van tương ứng với đường kính ống dẫn. Mở van cho nước vào ống từ từ và tăng dần rồi cho máy phát chạy không tải và nhờ anh thợ điện quen biết dùng đồng hồ đo các thông số: I (cường độ dòng điện) U (hiệu điện thế) và F (tần số). Ngoài ra cũng cần dùng bút thử điện dò để xác định dây nóng - dây lạnh.
Thông thường I có giá trị từ 1-5 ampere; U từ 180-230 và F=40-60 là sử dụng được (Tối ưu: I=5, U=220V, F=50). Bạn có thể điều chỉnh lưu lượng bằng cách đóng mở van để dòng điện đạt gần thông số tối ưu. Thông thường hiệu chỉnh lượng nước vào cho đến khi điện thế đạt đến 220V là được.
Cuối cùng là chọn dây dẫn. Theo quy phạm, cứ 1mm đường kính dây đồng hoặc 1,5 mm đường kính dây nhôm thì tải được 1 ampere. Tuy nhiên, nếu khoảng cách từ nơi lắp đặt máy đến nơi tiêu thụ dưới 100m, bạn nên mua dây dẫn có D lõi gấp đôi tiêu chuẩn tính toán, còn khoảng cách lớn hơn 100 m, bạn nên mua dẫn có D lõi gấp 3-4 lần tiêu chuẩn tính toán. Nói chung dây dẫn có nhiều sợi và lõi có kích thước càng lớn càng tốt, vì nó giúp hạn chế hao hụt điện năng từ nơi đặt máy phát đến nơi tiêu thụ.
Từ công suất điện đo được tại nơi tiêu thụ, bạn có thể tính toán lắp đặt các thiết bị sử dụng điện, công suất của từng loại thiết bị tương đối được cho như bảng sau (chỉ là thí dụ. Bạn nên xem công suất tiêu thụ của từng loại thiết bị ghi trên nhãn):
Vì máy phát thủy điện siêu nhỏ có công suất và cường độ dòng điện hữu hạn chứ không như điện lưới, do đó, bạn nên tính toán sao cho tổng giá trị công suất sử dụng (1000W=1KW) khoảng 70-80% công suất thực tế của máy phát để tránh cháy máy phát điện.
● Xây dựng và lắp đặt thủy điện siêu nhỏ loại máy ngồi:
Ai có diễm phúc sẽ được trời ban cho dòng suối có nước chảy quanh năm trên núi gần nhà mình. Chỉ cần lưu lượng nhỏ và độ chênh cao lớn cũng có thể xây dựng một trạm thủy điện siêu nhỏ để có điện “chùa” xài quanh năm!
Nhìn vào công thức P=6QH, bạn thấy công suất lắp máy phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy và độ chênh cao cột nước; trong đó yếu tố chênh cao có ý nghĩa lớn với công suất lắp máy.
Ví dụ: lưu lượng dòng chảy là 2 lít/giây, tương đương 0,002 m3/s và độ chênh cao là 300 m, ta tính được công suất lắp máy là P=6*0,002*300=3,6 KW. Tuy dòng chảy nhỏ, nhưng công suất lắp máy đủ cho 1 gia đình xài thoải mái. Bạn cũng có thể lắp đặt ống dẫn có đường kính lớn (tùy vào lưu lượng dòng chảy) để nâng cao công suất lắp máy và nâng sản lượng điện lên.
Yếu tố Q: lưu lượng trong đường ống phụ thuộc vào đường kính ống dẫn (thiết diện ống dẫn) và vận tốc nước chảy trong ống. Trong trường hợp này, Q sẽ bằng thiết diện ống dẫn nhân với vận tốc dòng chảy trong ống dẫn. Tiết diện ống dẫn bằng R2*Pi= (D2/4) *Pi; còn vận tốc nước chảy trong ống tạm tính theo phương trình Becnulii v=
(căn bậc hai của 2 nhân g - gia tốc trọng trường nhân H - độ chênh cao cột nước).
Phương trình Becnulii diễn tả vận tốc của vật rơi tự do. Giả sử bạn đặt thùng nước trên cao, đục thủng lỗ dưới đáy cho nước chảy ra tự do, thì vận tốc nước chảy ra được tính theo phương trình này. Tuy nhiên, dòng nước chảy trong ống còn bị hao hụt bởi ma sát giữa nước với thành ống, rồi mất mát do các chỗ cong, van, co lơi vv ... Do đó, trong thiết kế thủy điện lớn, người ta tính toán rất chi ly hao hụt thế năng của nước chảy qua ống, tùy vào thiết kế đường ống.
Trong trường hợp thủy điện siêu nhỏ, ta tính toán theo kinh nghiệm sẽ dễ dàng hơn.
Trường hợp 1: Nếu bạn đã có sẵn đường ống từ trên núi xuống (lâu nay lấy nước để xài, chẳng hạn), nay cần lắp máy phát thủy điện nhỏ, thì bạn chỉ cần kê thùng vào đầu ống, dùng điện thoại di động đo thời gian nước chảy đầy bể để tính lưu lượng dòng chảy (quy ra m3/s), đo chênh cao cột nước (m), sau đó sử dụng công thức tính công suất lắp máy (P=6QH) nhân với 0,8 rồi đi mua máy có công suất phù hợp về lắp đặt. Quá dễ!
Trường hợp 2: Bạn thấy dòng chảy có trữ lượng kha khá vào mùa kiệt (nhưng chưa biết bao nhiêu). Bạn sẽ phải đo tiết diện dòng chảy; đo vận tốc dòng chảy và đo chênh cao cột nước (như nêu ở phần trên) để tính sơ bộ công suất lắp máy tối đa.
Sau đó, tiếp tục tính toán nhu cầu dùng điện của gia đình, đơn vị và cân đối với khả năng tối đa của công suất lắp máy, rồi mới tính chi tiết. Nếu lưu lượng cho phép thì tăng tiết diện đường kính ống để tăng công suất máy phát.
Trong phương trình becnulii nêu trên, nếu độ chênh cao càng lớn, vận tốc dòng chảy tự do trong ống sẽ càng lớn (tốc độ dòng chảy trong ống phụ thuộc vào chênh cao cột nước), đường kính có thể rất nhỏ. Tuy nhiên, trong thực tế không ai làm vậy, vì khi đường kính ống dẫn nhỏ, vận tốc dòng chảy trong ống lớn, dẫn đến áp lực tác động lên thành ống quá lớn, ống dẫn dễ bị xé nát.
Cứ mỗi 10 mét độ chênh cao cột nước sẽ tạo ra áp lực là 1 bar. Giả sử chênh cao cột nước là 300 m như ví dụ nêu trên, sẽ tạo ra áp lực cuối đường ống là 30 bar. Với áp lực này, chỉ có ống thép, ống gang, ống bê tông cốt thép và ống HDPE mới chịu đời thấu! Vì hầu hết ống nhựa PVC loại tốt rẻ tiền hơn ống thép, ống gang ... ống PVC loại tốt thành ống cũng chỉ dày 3-5mm, và khả năng chịu áp tối đa chỉ là 8-14 bar (ống lớn). Làm sao đây?
Để giải quyết bài toán về áp lực đường ống, ta cần tăng tiết diện đường ống dẫn, đồng thời gia cố ống dẫn để giảm chi phí đầu tư đường ống (trình bày ở phần sau).
Ta biết lưu lượng dòng chảy là tích số của thiết diện đường ống với vận tốc nước chảy trong ống. Nhưng nếu dùng ống có thiết diện nhỏ, vận tốc dòng chảy sẽ rất lớn, dễ gây hư hại hoặc làm giảm tuổi thọ của đường ống. Trong ngành nước, người ta quy định vận tốc dòng chảy kinh tế trong ống cấp nước chỉ từ 0,1-3 m. Trong trường hợp thủy điện siêu nhỏ, ta có thể tăng vận tốc dòng chảy trong ống lên 1-5 m, làm căn cứ để tính kích cở đường ống.
Giả sử, bạn xác định nhu cầu xài điện của gia đình, đơn vị mình là 5 KW và lưu lượng dòng chảy đủ, độ chênh cao (giả sử là 300m) đo tính được cho phép lắp máy với công suất này, ta sẽ tính đường kính ống:
P=6QH.
5=6Q*300
Q=5/3.600=0,00277 m3/s, (2,7 lít/s)
Lưu lượng dòng nước chảy trong ống:
Q=R2 *Pi*v = D2*3,14*1 (chọn vận tốc kinh tế cho nước chảy trong ống = 1 m/s) 4
R: bán kính ống dẫn; Pi: hằng số Pi=3,1416, v: vận tốc nước chảy trong ống.
Thay vào để tính đường kính ống dẫn:
0,0027=D2*0,785
- > D=
=0,058 (mét). Chọn đường kính ống 60 mm.
Nếu bạn là con nhà giàu thì “chơi lun” ống thép, ống gang, ống HDPE có thông số đường kính như trên và chịu áp 30 bar trở lên thì ăn ngủ khỏe!
Ví dụ trên đây cho độ chênh cao cột nước khá lớn. Trường hợp độ chênh cao cột nước nhỏ (vài chục mét) thì bạn phải tính toán, nâng thiết diện (đường kính ống) lớn hơn (bù lại, chiều dài lắp đặt đường ống nhỏ hơn). Nếu đường ống quá lớn, bạn nên lắp nhiều đường ống song song nhau, miễn sao tổng thiết diện ống dẫn bằng hoặc lớn hơn thiết diện tính toán là được; vì lắp nhiều ống song song, giá thành mua ống sẽ rẻ hơn so với lắp một đường ống lớn.
Trường hợp bạn là “con nhà nghèo bèo nhèo” thì phải dùng ống PVC thông thường loại tốt. Khi đó, bạn phải gia cố để đường ống chịu lực cao hơn.
● Xây dựng và lắp đặt máy ngồi:
Gồm các hạng mục thi công:
+ Đập ngăn dòng - dẫn nước vào ống.
+ Ống dẫn nước.
+ Lắp đặt máy ngồi.
Hình 8: Cơ chế vận hành thủy điện siêu nhỏ loại máy ngồi. (nguồn: internet)
Hệ thống thủy điện siêu nhỏ dùng máy ngồi cán gáo áp dụng cho trường hợp lưu lượng dòng chảy nhỏ, độ chênh cao cột nước lớn. Hệ thống này vận hành như sau:
Dòng chảy từ sông, suối được đắp đập chặn dòng dâng lên, dẫn nước vào ống, đưa nước theo ống dẫn đổ thẳng vào tuabin kín, tạo ra moment làm quay roto máy phát sinh ra điện (Xem hình 8)
Tiến hành xây dựng công trình thủy điện siêu nhỏ sử dụng máy ngồi như sau:
- Xây dựng đập dâng:
Việc xây dựng đập dâng cũng tương tự như trường hợp máy đứng, có thể sử dụng đá bất cập phân thu lượm tại chỗ hoặc xây bằng gạch thẻ. Nếu đổ bê tông cốt thép thì chiều dày thân đập khoảng 10 cm, cốt thép sắt 6 và sắt 8 đan ô vuông a=100 là được.
Đập dâng cần có ống xả đáy, lưới chắn rác và lắp đặt ống dẫn nước vào giữa thân đập. Chú ý gia cố xi măng mác cao tại vị trí lắp ống dẫn để chống rò rỉ nước.
- Lắp đặt ống dẫn nước:
Sau khi hoàn thành đập ngăn nước, bạn dùng van phù hợp lắp vào đầu ống, không cho nước chảy vào ống. Sau đó tiến hành lắp đặt ống. Cần lưu ý: đường ống dẫn nước phải kín hoàn toàn, nếu ống bị hở, công suất phát điện bị giảm và hệ thống dẫn nước dễ bị xé, hư.
Dùng giẻ khô sạch lau chùi đầu ống âm và dương, trét keo đều rồi nhẹ nhàng lồng hai đầu ống vào nhau, dùng búa gỗ thổ nhẹ nhàng đầu đối diện cho đến khi đầu ống dương không vào đầu ống âm được nữa thì nhẹ nhàng đặt ống xuống mặt đất, chờ 5 phút cho chỗ nối khô keo mới tiếp tục thi công ống tiếp theo.
Sau khi hoàn thành việc lắp đặt đường ống trên mặt đất, dùng nút bít gắn vào cuối ống, tiến hành mở van (đầu đập) dẫn nước vào ống. Chú ý là phải mở van rất nhỏ cho nước vào từ từ để chống “sốc” nước, tạo “dòng chảy rối” có thể gây hại đường ống.
Tiến hành kiểm tra toàn đường ống, nếu có mối nối bị hở, ống bị lỗ mọt thì đánh dấu, cắt bỏ rồi dùng khâu nối nối lại. Tuyệt đối không để lậu nước bất kỳ vị trí nào trên đường ống.
Sau khi kiểm tra hệ thống ống, xả nước trong ống và tiến hành đào đất chôn ống. Rãnh đào hẹp vừa đủ đưa ống xuống, chiều sâu chôn ống 1-2 dm.
Trong trường hợp sử dụng ống PVC thông thường loại tốt, căn cứ vào thông số chịu lực của ống để xác định phần ống chôn trần và phần ống chôn gia cố.
Sức chịu áp lực của đường ống cũng giống như sức chịu tải của cây cầu. Thiết kế chịu tải của cầu cho phép chỉ 10 tấn, nhưng xe có tải trọng 40-50 tấn vẫn qua được. Tuy nhiên, khi qua cầu xe phải chạy rất chậm; nếu xe chạy nhanh sẽ làm ứng suất tăng đột biến, cầu sẽ sập.
Hệ thống ống dẫn nước của chúng ta cũng tương tự như cây cầu nói trên, vì vậy phải o bế nhẹ nhàng em nó!
Ví dụ, loại ống nhựa PVC Bình Minh, nhà sản xuất cho thông số chịu áp là 8 bar thì từ đầu ống nơi đập dâng đến 80 mét (cứ 10 chênh cao, áp lực trong đường ống tăng lên 1 bar) theo độ cao thẳng đứng chỉ đơn giản chôn ống xong rồi lấp đất. Phần chiều dài đường ống còn lại phải được gia cố bằng cách bọc ống trong lớp bê tông mác 250 dày 2-3 cm nhằm gia cố khả năng chịu lực của đường ống. Để đảm bảo bê tông đúng mác, cần đong đếm cốt liệu cho đúng. Cứ 1 m3 bê tông gồm 0,84 m3 đá dăm 1x2 + 0,42 m3 cát đúc và 7 bao xi măng cùng nước vừa đủ. Tránh trường hợp phối trộn cốt liệu không đúng (thợ nông thôn thường trộn cốt liệu thiếu đá 1x2, không đảm bảo tỷ lệ đá/cát =2/1) làm cho bê tông chịu lực không tốt gây hư hại đường ống.
Sau khi hoàn tất thi công hệ thống ống dẫn, tiến hành lắp máy vào cuối đường ống dẫn nước ra. Trường hợp bạn lắp đặt nhiều đường ống dẫn song song thì thuê thợ hàn dùng ống nước cắt ra, hàn lại đầu nối tập kết nước theo hình chữ Y (trường hợp hai ống song song) để nối nhập nguồn nước từ các ống vào một ống đầu vào của tua bin.
Cuối cùng là khâu chạy thử: Mở van cho nước từ từ chảy vào ống (như đã nói ở phần thử ống nêu trên), đồng thời tăng dần lượng nước chảy vào tuabin, tiến hành đo các thông số của dòng điện và điều chỉnh van cho nước đầu vào phù hợp để đạt các thông số tối ưu, cố định van ở mức ấy là xong. Các công việc tiếp theo như tính toán thiết bị sử dụng điện phù hợp, chọn thiết diện dây dẫn điện như trường hợp máy đứng nói trên; việc xây móng đỡ, bệ đở như trong bản vẽ AutoCad.
Trên đây là toàn bộ nội dung thiết kế - xây dựng một trạm thủy điện siêu nhỏ theo kiến thức và kinh nghiệm của tôi. Mong các chuyên gia có kinh nghiệm và các bạn đọc, nếu có gì sai sót, xin vui lòng chỉ dẫn thêm để hoàn thiện, tải lên mạng giúp những người dân sinh sống tại vùng sâu vùng xa có thể tự tính toán, xây dựng trạm thủy điện cho mình.
● Võ Đình Tiến
Tag: Trạm thủy điện, thủy điện nhỏ, thủy điện siêu nhỏ, thủy điện cực nhỏ, vi thủy điện.
Bà con ở vùng sâu vùng xa, không có điện có thể nghiên cứu bài viết này để tự tạo ra điện "miễn phí" cho mình...
Bài viết này cố gắng trình bày một cách hệ thống, dễ hiểu về việc thiết kế, lắp đặt một trạm thủy điện siêu nhỏ, sử dụng năng lượng từ các dòng sông, suối để biến thành nguồn điện sử dụng cho gia đình, cơ quan ở nông thôn, miền núi; hầu giúp những ai không có điều kiện nghiên cứu chuyên môn nhưng có nhu cầu tìm hiểu để tự xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ cho mình đỡ được phần nào những khó khăn, bỡ ngỡ mà tôi đã từng gặp phải.
● Điều kiện để xây dựng một trạm thủy điện siêu nhỏ:
- Gần nguồn nước sông, suối có lưu lượng phù hợp và có nước chảy quanh năm. (Nếu nguồn nước không chảy trong mùa khô, bạn chỉ có thể sử dụng trạm thủy điện vào mùa mưa).
- Bạn cần có chút ít kiến thức về chuyên môn để tính toán công suất, cách thức xây dựng, lắp đặt công trình và có vốn để đầu tư xây dựng.
● Đo đạc, khảo sát để xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ (500 KW trở xuống).
- Công suất của một trạm thủy điện siêu nhỏ phụ thuộc vào:
+ Lưu lượng dòng chảy.
+ Độ chênh cao cột nước: (tính theo phương thẳng đứng từ đầu ống dẫn vào tại đầu đập ngăn nước đến nơi đặt máy phát thủy điện).
Muốn xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ, đầu tiên ta phải khảo sát, đo đạc để xác định các thông số trên.
●Lưu lượng dòng chảy: Là khối lượng nước chảy qua sông, suối hoặc ống dẫn trên một đơn vị thời gian, được tính bằng cách đo tiết diện dòng chảy (ĐVT: m2), đo vận tốc dòng chảy (m/s) rồi nhân với nhau:
Q=S*v (m3/s) S: thiết diện dòng chảy (m2); và v là vận tốc dòng chảy (m/s)
Để đo tiết diện dòng chảy, bạn chọn một vị trí dễ đo trên dòng nước hoặc vị trí dự kiến đắp đập ngăn dòng để dẫn nước vào ống và tiến hành đo như sau (xem hình 1) :
Hình 1: đo đạc thiết diện dòng chảy
(Nguồn: http://www. wvu. edu/~exten/infores/pubs/ageng/epp13. pdf)
- Dùng thước đo chiều rộng dòng chảy (mét).
- Cắm thước đo độ cao dòng chảy tại các vị trí B, C, D, E ... (các điểm này nên bố trí cách nhau 0,5-1m)
- Cộng các giá trị độ cao dòng chảy tại các điểm đo, chia cho số điểm đo để lấy giá trị độ cao trung bình của dòng chảy, rồi nhân với giá trị chiều rộng dòng chảy, ta tính được tiết diện dòng chảy (m2). Ta cũng có thể vẽ đúng tỷ lệ các thông số lên giấy rồi dùng phương pháp tam giác để đo thiết diện dòng chảy, hoặc sử dụng phần mềm chuyên dùng vẽ mặt cắt để tính diện tích.
● Vận tốc dòng chảy: Là tốc độ di chuyển của dòng nước trên đơn vị thời gian (m/s).
- Đo vận tốc dòng chảy: Chọn một đoạn theo chiều dài dòng chảy, cắm 2 cọc cố định cách nhau khoảng 40m, thả một vật nỗi (tốt nhất dùng quả bóng bàn) cho trôi từ đầu đến cuối đoạn suối đã chọn. Dùng chức năng đếm thời gian (đồng hồ bấm giây trong điện thoại di động) để tính thời gian vật thể trôi từ đầu đến cuối đoạn suối. Lập lại thực nghiệm 10 lần để có giá trị trung bình vận tốc dòng chảy (xem hình 2).
Hình 2: Đo vận tốc dòng chảy
(Nguồn: http://www. wvu. edu/~exten/infores/pubs/ageng/epp13. pdf)
Các nhà khảo sát chuyên nghiệp thường dùng máy đo lưu tốc kiểu chân vịt để đo chính xác tốc độ dòng chảy.
Tính lưu lượng dòng chảy: Lấy tiết diện dòng chảy (m2) nhân với vận tốc dòng chảy (m/s); ta có lưu lượng dòng chảy (m3/s).
Trong trường hợp dòng chảy có trữ lượng khá, trong khi bạn có nhu cầu xài điện thấp, lắp đặt máy phát thủy điện công suất nhỏ (ít vốn đầu tư) thì bạn chỉ cần đặt ống trích một phần lưu lượng đủ dùng, còn lại cho chảy tràn theo suối.
Ghi chú: thời gian đo đạc khảo sát lưu lượng dòng chảy nên tiến hành vào mùa kiệt (cuối mùa khô) là thời điểm dòng chảy có lưu lượng thấp nhất. Lấy giá trị này sẽ tính toán công suất lắp máy đảm bảo lượng điện sử dụng cả năm.
Thông thường, người ta đo lưu lượng dòng chảy max (giữa mùa mưa) và lưu lượng dòng chảy min (cuối mùa khô), lấy giá trị trung bình của 2 giá trị này lại và nhân 2 chia 3 để có lưu lượng trung bình cả năm. Cách làm này cho phép lắp máy có công suất khá hơn, nhưng về mùa kiệt, công suất thực tế giảm xuống, làm cho các thông số về cường độ, hiệu điện thế, tần số của dòng điện phát ra giảm theo, tuy sử dụng được thiết bị điện nhưng không đủ chuẩn (ví dụ: hiệu điện thế =180V cũng cháy sáng đèn compact, nhưng đèn neon thì hơi bị chớp)
● Độ cao cột nước: Là chênh lệch tính từ nơi ngăn dòng đưa nước vào ống với nơi đặt mát phát điện theo chiều thẳng đứng, đơn vị tính là mét. Để đo độ chênh cao này, ta có nhiều cách:
Cách 1: Vạch đường thẳng từ điểm dẫn nước vào ống đến điểm đặt máy. Dùng thước thợ hồ (có bọt thủy) để xác định phương ngang. Dùng dây dọi gióng từ điểm cuối thước nằm ngang xuống tới đất, đo chiều dài dây dọi. Làm nhiều lần từ điểm đầu (nước vào ống dẫn) đến điểm cuối (nước từ ống dẫn vào máy phát điện) cộng các giá trị đo theo chiều thẳng đứng ở các chặng lại, ta có độ chênh cao cột nước. (Xem hình 3)
Hình 3: Đo chênh cao cột nước. (Nguồn: http://www. wvu. edu/~exten/infores/pubs/ageng/epp13. pdf)
Cách 2: Dùng máy định vị cầm tay (mượn tại các cơ quan đo đạc, cơ quan lâm nghiệp, tài nguyên môi trường vv ....) lưu tọa độ điểm đầu và tọa độ điểm cuối. Mỗi điểm lưu đều cho biết cao độ tại điểm đó so với mặt nước biển, lấy cao độ điểm đầu trừ cao độ điểm cuối sẽ có độ chênh cao.
Cách 3: Thuê đơn vị đo đạc dùng máy toàn đạc điện tử, máy kinh vĩ quang cơ hoặc máy thủy chuẩn để đo độ chênh cao, hoặc dùng máy định vị 1 tần số (định vị mẹ con) để đo chênh cao đầu - cuối. Cách này cho kết quả chính xác nhất.
Ghi chú: Tuyệt đối không nên ước lượng bằng mắt để xác định độ chênh cao.
● Tính công suất lắp máy.
Công suất lắp máy được tính theo công thức sau:
P= g*Q*H*n
P: công suất lắp máy (KW).
g: gia tốc trọng trường (=9,81 m/s2).
Q: lưu lượng dòng chảy (m3/s)
H: chiều cao cột nước (m)
n: Hệ số chiết giảm, thường lấy bằng 0,6.
P=9,81*Q*H*0,6
Gia tốc trọng trường lấy tròn là 10, hệ số chiết giảm là 0,6; hai số này nhân nhau bằng 6. Do đó, ta có thể viết lại công thức gọn gàng để tính công suất lắp máy:
P=6*Q*H (KW) hay P=6QH.
Bạn chọn máy có công suất thấp hơn (khoảng 80%) giá trị công suất lắp máy tính được là bảo đảm an toàn.
3. Xây dựng trạm thủy điện siêu nhỏ:
Tùy điều kiện dòng chảy và địa hình, ta phân ra 2 loại thủy điện siêu nhỏ:
- Dòng chảy có lưu lượng lớn nhưng độ chênh cao nhỏ (2-5m), thường dùng máy đứng (xem hình 4)
- Dòng chảy có lưu lượng thấp nhưng có độ chênh cao lớn, thường dùng máy ngồi (máy gáo - xem hình 5)
Hình 5: Máy ngồi (máy trục ngang) dùng cho dòng chảy có lưu lượng dòng chảy thấp nhưng chênh cao cột nước lớn. . (Nguồn: internet)
Hiện nay, có máy phát thủy điện siêu nhỏ do Trung Quốc sản xuất giá thành rẻ (máy ngồi công suất 4 KW giá 2,7 triệu đồng -giá tháng 11-2011), bán rất nhiều ở các tỉnh miền núi, nhưng chất lượng không cao (bạc đạn chất lượng thấp, quấn dây nhôm). Loại máy do các viện nghiên cứu, các trường đại học tại Hà Nội sản xuất chất lượng cao hơn, nhưng giá bán gấp đôi. Theo tôi, có thể mua máy phát thủy điện siêu nhỏ do Trung Quốc sản xuất, xài đến khi nào cháy cuộn dây, đem ra tiệm cơ điện thuê thợ quấn lại bằng dây đồng loại tốt và thay bạc đạn xịn vào là sử dụng ổn định.
Tôi có đọc tài liệu “Người Thái làm thủy điện nhỏ”, thấy sinh viên tình nguyện Thái Lan dùng mô tơ điện thông thường (máy bơm nước thường dùng bơm nước lên tầng cao trong nhà, bày bán ở các tiệm điện cơ) thay cho máy ngồi. Họ lắp ống dẫn nước trên núi xuống vào “đầu nước ra” của mô tơ điện, nước làm quay cánh quạt và roto sinh ra điện, sau đó, nước thoát ra ở “đầu nước vào” của mô tơ điện. Tuy nhiên, chưa thực nghiệm chắc chắn thì không nên áp dụng sáng kiến này!
● Xây dựng và lắp đặt máy đứng:
Gồm các hạng mục thi công:
+ Đập ngăn dòng - dẫn nước vào ống.
+ Ống dẫn nước vào buồng xoắn.
+ Buồng xoắn.
(Xem hình 6)
Hình 6: mô hình trạm thủy điện siêu nhỏ.
(Nguồn: Nguyễn Đức Hòa, Trường Đại học Đà Lạt Nguyễn Hải Thanh, Trường Cao đẳng sư phạm Đà Lạt)
- Hệ thống thủy điện siêu nhỏ dùng máy đứng vận hành như sau:
+ Nước từ sông, suối được dẫn vào ống dẫn nước, chảy vào máng nước rồi đổ vào buồng xoắn. Buồng xoắn có cấu tạo hình xoắn ốc để khi nước chảy vào sẽ tạo thành dòng chảy xoáy quanh buồng xoắn, tạo ra moment xoắn làm quay cánh quạt tua bin, đồng thời làm quay máy phát điện tạo ra dòng điện.
+ Các thông số thiết kế:
- Đập ngăn nước: Xây bằng gạch thẻ, đá local (đá hộc-bất cập phân) lượm tại chỗ, hoặc đá chẻ (vửa mác 50). Cấu kiện xây gạch đá có bề dày khoảng 0,3-0,5 m (Tùy quy mô lớn nhỏ của thủy điện); chiều cao khoảng 1m. Tại đáy đập, âm dưới mặt đất ta đặt ống để dẫn dòng (cho nước chảy vào ống để xả nước khi thi công xây đập dâng) và dùng ống này để xả cát khi trạm thủy điện siêu nhỏ được đưa vào sử dụng. Ống xả đáy làm bằng ống nhựa Bình Minh 220 mm hoặc lớn hơn (nếu dòng chảy lớn), có gắn nút bít (không dán keo) tại đầu dẫn vào (Khi đi vào vận hành, định kỳ 3 tháng nên mở nút bít, khuấy đáy để xả cát, làm vệ sinh cho đập dâng).
Ống dẫn nước đặt ở giữa thân đập theo chiều đứng, cách mặt đất tự nhiên từ 0,4-0,5 m (để hạn chế cát, rác ... chui vào ống). Trước đầu ống có lưới chắn rác bằng lưới B40 hoặc sợi inox 3mm đan ô vuông 2cmx2cm. Lưới chắn rác nên đặt cách ống thu nước từ 0,5-1m.
- Ống dẫn nước: dùng ống nhựa PVC loại tốt. Đường kính ống dẫn bằng hoặc lớn hơn đường kính ngoài của tua bin là được.
- Buồng xoắn: Đây là cấu kiện quan trọng, ảnh hưởng đến công suất phát điện. Người dân tộc thường cắt đôi thùng phuy, lắp tuabin thủy điện vào tâm đáy thùng phuy rồi dùng thân cây bộng (rỗng ruột) dẫn vào thùng phuy tạo ra dòng nước xoáy làm quay tuabin, cũng tạo ra điện cho sinh hoạt; tuy nhiên, công suất máy phát bị giảm rất nhiều.
Các tác giả Nguyễn Đức Hòa và Nguyễn Hải Thanh (Đà Lạt) đã làm thực nghiệm với nhiều máy phát công suất khác nhau, độ chênh cột nước khác nhau, để đúc kết một kiểu buồng xoắn tối ưu như hình 7. Chúng tôi đã dựa vào mô hình này để lập bản vẽ thiết kế bằng phần mềm AutoCad (download file DAN THUY DIEN. dwg - kèm theo) cho buồng xoắn, có ghi kích thước theo tỷ lệ với đường kính đầu ra của tua bin có công suất khác nhau. Nếu bạn không cài phần mềm AutoCad trong máy thì chép file này vào USB đưa đến các cửa hàng in vi tính, cửa hàng quảng cáo, người ta sẽ in ra tỷ lệ 1:1 cho bạn dễ thi công.
Hình 7: Mặt đứng và mặt bằng buồng xoắn
Ghi chú:
+ Sau khi nước vào buồng xoắn, làm quay tuabin để tạo ra điện, xong nước sẽ chảy qua chân vịt dưới đáy tuabin để thoát ra ngoài. Vì vậy, bạn phải làm sao cho đường nước thoát ra khỏi tuabin lưu thông dễ dàng (chiều cao từ đáy tuabin đến đáy mương thoát ít nhất 1m), để dòng chảy vào tuabin không bị cản trở bởi lượng nước thừa không chảy kịp đọng dưới đáy; máy phát mới đạt được công suất thiết kế.
+ Bạn đừng vội mua máy phát thủy điện trước. Đợi khi xây dựng xong đập dâng, ống dẫn rồi, bạn đặt bồn chứa ở đầu ra ống dẫn, tại vị trí dự kiến lắp đặt tuabin; dùng chức năng bấm giờ của điện thoại di động đo xem nước chảy vào đầy bồn chứa trong thời gian bao nhiêu (giây). Đây là cách xác định lưu lượng (m3/s) tối ưu nhất. Từ lưu lượng này cùng với thông số chênh cao cột nước, bạn sẽ tính được chính xác công suất lắp máy, làm căn cứ đặt mua máy phát điện; sau đó mới làm buồng xoắn phù hợp với máy phát.
+ Sau khi thi công hệ thống đập - máy phát điện, bạn nên lắp tại đầu vào ống nước một van tương ứng với đường kính ống dẫn. Mở van cho nước vào ống từ từ và tăng dần rồi cho máy phát chạy không tải và nhờ anh thợ điện quen biết dùng đồng hồ đo các thông số: I (cường độ dòng điện) U (hiệu điện thế) và F (tần số). Ngoài ra cũng cần dùng bút thử điện dò để xác định dây nóng - dây lạnh.
Thông thường I có giá trị từ 1-5 ampere; U từ 180-230 và F=40-60 là sử dụng được (Tối ưu: I=5, U=220V, F=50). Bạn có thể điều chỉnh lưu lượng bằng cách đóng mở van để dòng điện đạt gần thông số tối ưu. Thông thường hiệu chỉnh lượng nước vào cho đến khi điện thế đạt đến 220V là được.
Cuối cùng là chọn dây dẫn. Theo quy phạm, cứ 1mm đường kính dây đồng hoặc 1,5 mm đường kính dây nhôm thì tải được 1 ampere. Tuy nhiên, nếu khoảng cách từ nơi lắp đặt máy đến nơi tiêu thụ dưới 100m, bạn nên mua dây dẫn có D lõi gấp đôi tiêu chuẩn tính toán, còn khoảng cách lớn hơn 100 m, bạn nên mua dẫn có D lõi gấp 3-4 lần tiêu chuẩn tính toán. Nói chung dây dẫn có nhiều sợi và lõi có kích thước càng lớn càng tốt, vì nó giúp hạn chế hao hụt điện năng từ nơi đặt máy phát đến nơi tiêu thụ.
Từ công suất điện đo được tại nơi tiêu thụ, bạn có thể tính toán lắp đặt các thiết bị sử dụng điện, công suất của từng loại thiết bị tương đối được cho như bảng sau (chỉ là thí dụ. Bạn nên xem công suất tiêu thụ của từng loại thiết bị ghi trên nhãn):
Vì máy phát thủy điện siêu nhỏ có công suất và cường độ dòng điện hữu hạn chứ không như điện lưới, do đó, bạn nên tính toán sao cho tổng giá trị công suất sử dụng (1000W=1KW) khoảng 70-80% công suất thực tế của máy phát để tránh cháy máy phát điện.
● Xây dựng và lắp đặt thủy điện siêu nhỏ loại máy ngồi:
Ai có diễm phúc sẽ được trời ban cho dòng suối có nước chảy quanh năm trên núi gần nhà mình. Chỉ cần lưu lượng nhỏ và độ chênh cao lớn cũng có thể xây dựng một trạm thủy điện siêu nhỏ để có điện “chùa” xài quanh năm!
Nhìn vào công thức P=6QH, bạn thấy công suất lắp máy phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy và độ chênh cao cột nước; trong đó yếu tố chênh cao có ý nghĩa lớn với công suất lắp máy.
Ví dụ: lưu lượng dòng chảy là 2 lít/giây, tương đương 0,002 m3/s và độ chênh cao là 300 m, ta tính được công suất lắp máy là P=6*0,002*300=3,6 KW. Tuy dòng chảy nhỏ, nhưng công suất lắp máy đủ cho 1 gia đình xài thoải mái. Bạn cũng có thể lắp đặt ống dẫn có đường kính lớn (tùy vào lưu lượng dòng chảy) để nâng cao công suất lắp máy và nâng sản lượng điện lên.
Yếu tố Q: lưu lượng trong đường ống phụ thuộc vào đường kính ống dẫn (thiết diện ống dẫn) và vận tốc nước chảy trong ống. Trong trường hợp này, Q sẽ bằng thiết diện ống dẫn nhân với vận tốc dòng chảy trong ống dẫn. Tiết diện ống dẫn bằng R2*Pi= (D2/4) *Pi; còn vận tốc nước chảy trong ống tạm tính theo phương trình Becnulii v=
Phương trình Becnulii diễn tả vận tốc của vật rơi tự do. Giả sử bạn đặt thùng nước trên cao, đục thủng lỗ dưới đáy cho nước chảy ra tự do, thì vận tốc nước chảy ra được tính theo phương trình này. Tuy nhiên, dòng nước chảy trong ống còn bị hao hụt bởi ma sát giữa nước với thành ống, rồi mất mát do các chỗ cong, van, co lơi vv ... Do đó, trong thiết kế thủy điện lớn, người ta tính toán rất chi ly hao hụt thế năng của nước chảy qua ống, tùy vào thiết kế đường ống.
Trong trường hợp thủy điện siêu nhỏ, ta tính toán theo kinh nghiệm sẽ dễ dàng hơn.
Trường hợp 1: Nếu bạn đã có sẵn đường ống từ trên núi xuống (lâu nay lấy nước để xài, chẳng hạn), nay cần lắp máy phát thủy điện nhỏ, thì bạn chỉ cần kê thùng vào đầu ống, dùng điện thoại di động đo thời gian nước chảy đầy bể để tính lưu lượng dòng chảy (quy ra m3/s), đo chênh cao cột nước (m), sau đó sử dụng công thức tính công suất lắp máy (P=6QH) nhân với 0,8 rồi đi mua máy có công suất phù hợp về lắp đặt. Quá dễ!
Trường hợp 2: Bạn thấy dòng chảy có trữ lượng kha khá vào mùa kiệt (nhưng chưa biết bao nhiêu). Bạn sẽ phải đo tiết diện dòng chảy; đo vận tốc dòng chảy và đo chênh cao cột nước (như nêu ở phần trên) để tính sơ bộ công suất lắp máy tối đa.
Sau đó, tiếp tục tính toán nhu cầu dùng điện của gia đình, đơn vị và cân đối với khả năng tối đa của công suất lắp máy, rồi mới tính chi tiết. Nếu lưu lượng cho phép thì tăng tiết diện đường kính ống để tăng công suất máy phát.
Trong phương trình becnulii nêu trên, nếu độ chênh cao càng lớn, vận tốc dòng chảy tự do trong ống sẽ càng lớn (tốc độ dòng chảy trong ống phụ thuộc vào chênh cao cột nước), đường kính có thể rất nhỏ. Tuy nhiên, trong thực tế không ai làm vậy, vì khi đường kính ống dẫn nhỏ, vận tốc dòng chảy trong ống lớn, dẫn đến áp lực tác động lên thành ống quá lớn, ống dẫn dễ bị xé nát.
Cứ mỗi 10 mét độ chênh cao cột nước sẽ tạo ra áp lực là 1 bar. Giả sử chênh cao cột nước là 300 m như ví dụ nêu trên, sẽ tạo ra áp lực cuối đường ống là 30 bar. Với áp lực này, chỉ có ống thép, ống gang, ống bê tông cốt thép và ống HDPE mới chịu đời thấu! Vì hầu hết ống nhựa PVC loại tốt rẻ tiền hơn ống thép, ống gang ... ống PVC loại tốt thành ống cũng chỉ dày 3-5mm, và khả năng chịu áp tối đa chỉ là 8-14 bar (ống lớn). Làm sao đây?
Để giải quyết bài toán về áp lực đường ống, ta cần tăng tiết diện đường ống dẫn, đồng thời gia cố ống dẫn để giảm chi phí đầu tư đường ống (trình bày ở phần sau).
Ta biết lưu lượng dòng chảy là tích số của thiết diện đường ống với vận tốc nước chảy trong ống. Nhưng nếu dùng ống có thiết diện nhỏ, vận tốc dòng chảy sẽ rất lớn, dễ gây hư hại hoặc làm giảm tuổi thọ của đường ống. Trong ngành nước, người ta quy định vận tốc dòng chảy kinh tế trong ống cấp nước chỉ từ 0,1-3 m. Trong trường hợp thủy điện siêu nhỏ, ta có thể tăng vận tốc dòng chảy trong ống lên 1-5 m, làm căn cứ để tính kích cở đường ống.
Giả sử, bạn xác định nhu cầu xài điện của gia đình, đơn vị mình là 5 KW và lưu lượng dòng chảy đủ, độ chênh cao (giả sử là 300m) đo tính được cho phép lắp máy với công suất này, ta sẽ tính đường kính ống:
P=6QH.
5=6Q*300
Q=5/3.600=0,00277 m3/s, (2,7 lít/s)
Lưu lượng dòng nước chảy trong ống:
Q=R2 *Pi*v = D2*3,14*1 (chọn vận tốc kinh tế cho nước chảy trong ống = 1 m/s) 4
R: bán kính ống dẫn; Pi: hằng số Pi=3,1416, v: vận tốc nước chảy trong ống.
Thay vào để tính đường kính ống dẫn:
0,0027=D2*0,785
- > D=
Nếu bạn là con nhà giàu thì “chơi lun” ống thép, ống gang, ống HDPE có thông số đường kính như trên và chịu áp 30 bar trở lên thì ăn ngủ khỏe!
Ví dụ trên đây cho độ chênh cao cột nước khá lớn. Trường hợp độ chênh cao cột nước nhỏ (vài chục mét) thì bạn phải tính toán, nâng thiết diện (đường kính ống) lớn hơn (bù lại, chiều dài lắp đặt đường ống nhỏ hơn). Nếu đường ống quá lớn, bạn nên lắp nhiều đường ống song song nhau, miễn sao tổng thiết diện ống dẫn bằng hoặc lớn hơn thiết diện tính toán là được; vì lắp nhiều ống song song, giá thành mua ống sẽ rẻ hơn so với lắp một đường ống lớn.
Trường hợp bạn là “con nhà nghèo bèo nhèo” thì phải dùng ống PVC thông thường loại tốt. Khi đó, bạn phải gia cố để đường ống chịu lực cao hơn.
● Xây dựng và lắp đặt máy ngồi:
Gồm các hạng mục thi công:
+ Đập ngăn dòng - dẫn nước vào ống.
+ Ống dẫn nước.
+ Lắp đặt máy ngồi.
Hình 8: Cơ chế vận hành thủy điện siêu nhỏ loại máy ngồi. (nguồn: internet)
Hệ thống thủy điện siêu nhỏ dùng máy ngồi cán gáo áp dụng cho trường hợp lưu lượng dòng chảy nhỏ, độ chênh cao cột nước lớn. Hệ thống này vận hành như sau:
Dòng chảy từ sông, suối được đắp đập chặn dòng dâng lên, dẫn nước vào ống, đưa nước theo ống dẫn đổ thẳng vào tuabin kín, tạo ra moment làm quay roto máy phát sinh ra điện (Xem hình 8)
Tiến hành xây dựng công trình thủy điện siêu nhỏ sử dụng máy ngồi như sau:
- Xây dựng đập dâng:
Việc xây dựng đập dâng cũng tương tự như trường hợp máy đứng, có thể sử dụng đá bất cập phân thu lượm tại chỗ hoặc xây bằng gạch thẻ. Nếu đổ bê tông cốt thép thì chiều dày thân đập khoảng 10 cm, cốt thép sắt 6 và sắt 8 đan ô vuông a=100 là được.
Đập dâng cần có ống xả đáy, lưới chắn rác và lắp đặt ống dẫn nước vào giữa thân đập. Chú ý gia cố xi măng mác cao tại vị trí lắp ống dẫn để chống rò rỉ nước.
- Lắp đặt ống dẫn nước:
Sau khi hoàn thành đập ngăn nước, bạn dùng van phù hợp lắp vào đầu ống, không cho nước chảy vào ống. Sau đó tiến hành lắp đặt ống. Cần lưu ý: đường ống dẫn nước phải kín hoàn toàn, nếu ống bị hở, công suất phát điện bị giảm và hệ thống dẫn nước dễ bị xé, hư.
Dùng giẻ khô sạch lau chùi đầu ống âm và dương, trét keo đều rồi nhẹ nhàng lồng hai đầu ống vào nhau, dùng búa gỗ thổ nhẹ nhàng đầu đối diện cho đến khi đầu ống dương không vào đầu ống âm được nữa thì nhẹ nhàng đặt ống xuống mặt đất, chờ 5 phút cho chỗ nối khô keo mới tiếp tục thi công ống tiếp theo.
Sau khi hoàn thành việc lắp đặt đường ống trên mặt đất, dùng nút bít gắn vào cuối ống, tiến hành mở van (đầu đập) dẫn nước vào ống. Chú ý là phải mở van rất nhỏ cho nước vào từ từ để chống “sốc” nước, tạo “dòng chảy rối” có thể gây hại đường ống.
Tiến hành kiểm tra toàn đường ống, nếu có mối nối bị hở, ống bị lỗ mọt thì đánh dấu, cắt bỏ rồi dùng khâu nối nối lại. Tuyệt đối không để lậu nước bất kỳ vị trí nào trên đường ống.
Sau khi kiểm tra hệ thống ống, xả nước trong ống và tiến hành đào đất chôn ống. Rãnh đào hẹp vừa đủ đưa ống xuống, chiều sâu chôn ống 1-2 dm.
Trong trường hợp sử dụng ống PVC thông thường loại tốt, căn cứ vào thông số chịu lực của ống để xác định phần ống chôn trần và phần ống chôn gia cố.
Sức chịu áp lực của đường ống cũng giống như sức chịu tải của cây cầu. Thiết kế chịu tải của cầu cho phép chỉ 10 tấn, nhưng xe có tải trọng 40-50 tấn vẫn qua được. Tuy nhiên, khi qua cầu xe phải chạy rất chậm; nếu xe chạy nhanh sẽ làm ứng suất tăng đột biến, cầu sẽ sập.
Hệ thống ống dẫn nước của chúng ta cũng tương tự như cây cầu nói trên, vì vậy phải o bế nhẹ nhàng em nó!
Ví dụ, loại ống nhựa PVC Bình Minh, nhà sản xuất cho thông số chịu áp là 8 bar thì từ đầu ống nơi đập dâng đến 80 mét (cứ 10 chênh cao, áp lực trong đường ống tăng lên 1 bar) theo độ cao thẳng đứng chỉ đơn giản chôn ống xong rồi lấp đất. Phần chiều dài đường ống còn lại phải được gia cố bằng cách bọc ống trong lớp bê tông mác 250 dày 2-3 cm nhằm gia cố khả năng chịu lực của đường ống. Để đảm bảo bê tông đúng mác, cần đong đếm cốt liệu cho đúng. Cứ 1 m3 bê tông gồm 0,84 m3 đá dăm 1x2 + 0,42 m3 cát đúc và 7 bao xi măng cùng nước vừa đủ. Tránh trường hợp phối trộn cốt liệu không đúng (thợ nông thôn thường trộn cốt liệu thiếu đá 1x2, không đảm bảo tỷ lệ đá/cát =2/1) làm cho bê tông chịu lực không tốt gây hư hại đường ống.
Sau khi hoàn tất thi công hệ thống ống dẫn, tiến hành lắp máy vào cuối đường ống dẫn nước ra. Trường hợp bạn lắp đặt nhiều đường ống dẫn song song thì thuê thợ hàn dùng ống nước cắt ra, hàn lại đầu nối tập kết nước theo hình chữ Y (trường hợp hai ống song song) để nối nhập nguồn nước từ các ống vào một ống đầu vào của tua bin.
Cuối cùng là khâu chạy thử: Mở van cho nước từ từ chảy vào ống (như đã nói ở phần thử ống nêu trên), đồng thời tăng dần lượng nước chảy vào tuabin, tiến hành đo các thông số của dòng điện và điều chỉnh van cho nước đầu vào phù hợp để đạt các thông số tối ưu, cố định van ở mức ấy là xong. Các công việc tiếp theo như tính toán thiết bị sử dụng điện phù hợp, chọn thiết diện dây dẫn điện như trường hợp máy đứng nói trên; việc xây móng đỡ, bệ đở như trong bản vẽ AutoCad.
Trên đây là toàn bộ nội dung thiết kế - xây dựng một trạm thủy điện siêu nhỏ theo kiến thức và kinh nghiệm của tôi. Mong các chuyên gia có kinh nghiệm và các bạn đọc, nếu có gì sai sót, xin vui lòng chỉ dẫn thêm để hoàn thiện, tải lên mạng giúp những người dân sinh sống tại vùng sâu vùng xa có thể tự tính toán, xây dựng trạm thủy điện cho mình.
Last edited:
