Trên toàn thế giới, các nhà máy thủy điện sản xuất khoảng 24 phần trăm điện năng của thế giới và cung cấp điện cho hơn 1 tỷ người. Theo Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia, các nhà máy thủy điện trên thế giới sản xuất tổng cộng 675.000 megawatt, tương đương với năng lượng của 3,6 tỷ thùng dầu. Có hơn 2.000 nhà máy thủy điện đang hoạt động tại Hoa Kỳ, khiến thủy điện trở thành nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất của quốc gia này.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách nước rơi tạo ra năng lượng và tìm hiểu về chu trình thủy văn tạo ra dòng nước thiết yếu cho thủy điện. Bạn cũng sẽ có cái nhìn thoáng qua về một ứng dụng độc đáo của thủy điện có thể ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của bạn.
Khi ngắm nhìn một dòng sông chảy qua, thật khó để tưởng tượng ra sức mạnh mà nó mang theo. Nếu bạn đã từng chèo thuyền vượt thác, thì bạn đã cảm nhận được một phần nhỏ sức mạnh của dòng sông. Các ghềnh thác vượt thác được tạo ra như một dòng sông, mang theo một lượng nước lớn đổ xuống dốc, thắt cổ chai qua một lối đi hẹp. Khi dòng sông bị ép qua lối mở này, dòng chảy của nó trở nên nhanh hơn. Lũ lụt là một ví dụ khác về sức mạnh mà một khối lượng nước khổng lồ có thể có.
Nhà máy thủy điện khai thác năng lượng của nước và sử dụng cơ chế đơn giản để chuyển đổi năng lượng đó thành điện. Nhà máy thủy điện thực chất dựa trên một khái niệm khá đơn giản — nước chảy qua đập làm quay tua bin, tua bin này làm quay máy phát điện.
Sau đây là các thành phần cơ bản của một nhà máy thủy điện thông thường:
Trục kết nối tua bin và máy phát điện
Đập – Hầu hết các nhà máy thủy điện đều dựa vào đập để giữ nước, tạo ra một hồ chứa lớn. Thông thường, hồ chứa này được sử dụng làm hồ giải trí, chẳng hạn như Hồ Roosevelt tại Đập Grand Coulee ở Tiểu bang Washington.
Cửa hút – Cửa đập mở và trọng lực kéo nước qua ống dẫn nước, một đường ống dẫn đến tua bin. Nước tích tụ áp suất khi chảy qua đường ống này.
Tua bin – Nước đập vào và làm quay các cánh lớn của tua bin, được gắn vào máy phát điện phía trên thông qua một trục. Loại tua bin phổ biến nhất cho các nhà máy thủy điện là Tua bin Francis, trông giống như một đĩa lớn có các cánh cong. Theo Quỹ Giáo dục Nước và Năng lượng (FWEE), một tua bin có thể nặng tới 172 tấn và quay với tốc độ 90 vòng/phút (vòng/phút).
Máy phát điện – Khi các cánh tua bin quay, một loạt nam châm bên trong máy phát điện cũng quay theo. Các nam châm khổng lồ quay qua các cuộn dây đồng, tạo ra dòng điện xoay chiều (AC) bằng cách di chuyển các electron. (Bạn sẽ tìm hiểu thêm về cách máy phát điện hoạt động sau.)
Máy biến áp – Máy biến áp bên trong nhà máy điện lấy dòng điện xoay chiều và chuyển đổi thành dòng điện có điện áp cao hơn.
Đường dây điện – Mỗi nhà máy điện đều có bốn dây: ba pha điện được sản xuất đồng thời cộng với dây trung tính hoặc dây nối đất chung cho cả ba pha. (Đọc Cách thức hoạt động của lưới phân phối điện để tìm hiểu thêm về truyền tải điện qua đường dây.)
Nước chảy ra – Nước đã qua sử dụng được dẫn qua các đường ống, gọi là đường ống xả, và chảy trở lại sông ở hạ lưu.
Nước trong hồ chứa được coi là năng lượng dự trữ. Khi các cửa mở, nước chảy qua đường ống dẫn nước trở thành động năng vì nó đang chuyển động. Lượng điện được tạo ra được xác định bởi một số yếu tố. Hai trong số các yếu tố đó là thể tích dòng nước và lượng áp suất thủy lực. Áp suất đề cập đến khoảng cách giữa mặt nước và các tua bin. Khi áp suất và lưu lượng tăng, điện được tạo ra cũng tăng. Áp suất thường phụ thuộc vào lượng nước trong hồ chứa.
Có một loại nhà máy thủy điện khác, được gọi là nhà máy thủy điện tích năng. Trong một nhà máy thủy điện thông thường, nước từ hồ chứa chảy qua nhà máy, thoát ra và được đưa xuống hạ lưu. Một nhà máy thủy điện tích năng có hai hồ chứa:
Hồ chứa nước phía trên – Giống như nhà máy thủy điện thông thường, đập tạo ra một hồ chứa nước. Nước trong hồ chứa này chảy qua nhà máy thủy điện để tạo ra điện.
Hồ chứa nước phía dưới – Nước chảy ra khỏi nhà máy thủy điện chảy vào hồ chứa nước phía dưới thay vì chảy trở lại sông và chảy xuôi dòng.
Sử dụng tua bin đảo chiều, nhà máy có thể bơm nước trở lại hồ chứa phía trên. Việc này được thực hiện vào giờ thấp điểm. Về cơ bản, hồ chứa thứ hai sẽ nạp đầy hồ chứa phía trên. Bằng cách bơm nước trở lại hồ chứa phía trên, nhà máy có nhiều nước hơn để tạo ra điện trong thời gian tiêu thụ cao điểm.
Máy phát điện
Trái tim của nhà máy thủy điện là máy phát điện. Hầu hết các nhà máy thủy điện đều có một số máy phát điện này.
Máy phát điện, như bạn có thể đoán, tạo ra điện. Quá trình cơ bản để tạo ra điện theo cách này là xoay một loạt nam châm bên trong cuộn dây. Quá trình này di chuyển các electron, tạo ra dòng điện.
Đập Hoover có tổng cộng 17 máy phát điện, mỗi máy có thể tạo ra tới 133 megawatt. Tổng công suất của nhà máy thủy điện đập Hoover là 2.074 megawatt. Mỗi máy phát điện được tạo thành từ một số bộ phận cơ bản sau:
Khi tua bin quay, bộ kích từ sẽ gửi dòng điện đến rôto. Rôto là một loạt các nam châm điện lớn quay bên trong một cuộn dây đồng được quấn chặt, gọi là stato. Từ trường giữa cuộn dây và nam châm tạo ra dòng điện.
Ở Đập Hoover, dòng điện 16.500 ampe di chuyển từ máy phát điện đến máy biến áp, tại đây dòng điện tăng lên tới 230.000 ampe trước khi được truyền đi.
Các nhà máy thủy điện tận dụng một quá trình liên tục, tự nhiên — quá trình khiến mưa rơi và sông dâng cao. Mỗi ngày, hành tinh của chúng ta mất một lượng nước nhỏ qua khí quyển khi tia cực tím phá vỡ các phân tử nước. Nhưng đồng thời, nước mới được giải phóng từ bên trong Trái đất thông qua hoạt động núi lửa. Lượng nước tạo ra và lượng nước mất đi gần như bằng nhau.
Vào bất kỳ thời điểm nào, tổng lượng nước trên thế giới đều tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Nó có thể là chất lỏng, như trong đại dương, sông ngòi và mưa; rắn, như trong các sông băng; hoặc khí, như trong hơi nước vô hình trong không khí. Nước thay đổi trạng thái khi nó di chuyển xung quanh hành tinh bởi các luồng gió. Các luồng gió được tạo ra bởi hoạt động sưởi ấm của mặt trời. Các chu kỳ dòng không khí được tạo ra bởi mặt trời chiếu sáng nhiều hơn ở đường xích đạo so với các khu vực khác trên hành tinh.
Chu kỳ dòng khí thúc đẩy nguồn cung cấp nước của Trái đất thông qua một chu kỳ riêng của nó, được gọi là chu trình thủy văn. Khi mặt trời làm nóng nước lỏng, nước bốc hơi thành hơi trong không khí. Mặt trời làm nóng không khí, khiến không khí bốc lên trong khí quyển. Không khí lạnh hơn ở trên cao, vì vậy khi hơi nước bốc lên, nó nguội đi, ngưng tụ thành các giọt nước. Khi đủ các giọt nước tích tụ ở một khu vực, các giọt nước có thể trở nên đủ nặng để rơi trở lại Trái đất dưới dạng mưa.
Chu trình thủy văn rất quan trọng đối với các nhà máy thủy điện vì chúng phụ thuộc vào dòng nước. Nếu thiếu mưa gần nhà máy, nước sẽ không tích tụ ở thượng nguồn. Khi không có nước tích tụ ở thượng nguồn, ít nước chảy qua nhà máy thủy điện hơn và ít điện được tạo ra hơn.
Ý tưởng cơ bản của thủy điện là sử dụng sức mạnh của chất lỏng chuyển động để quay cánh tua bin. Thông thường, một con đập lớn phải được xây dựng ở giữa sông để thực hiện chức năng này. Một phát minh mới đang tận dụng ý tưởng về thủy điện ở quy mô nhỏ hơn nhiều để cung cấp điện cho các thiết bị điện tử cầm tay.
Nhà phát minh Robert Komarechka ở Ontario, Canada, đã nảy ra ý tưởng đặt các máy phát điện thủy điện nhỏ vào đế giày. Ông tin rằng các tua-bin siêu nhỏ này sẽ tạo ra đủ điện để cung cấp năng lượng cho hầu hết mọi thiết bị. Vào tháng 5 năm 2001, Komarechka đã nhận được bằng sáng chế cho thiết bị chạy bằng chân độc đáo của mình.
Có một nguyên tắc rất cơ bản về cách chúng ta đi bộ: Bàn chân chạm gót chân trong mỗi bước đi. Khi bàn chân bạn chạm đất, lực sẽ được truyền xuống qua gót chân của bạn. Khi bạn chuẩn bị cho bước tiếp theo, bạn lăn bàn chân về phía trước, do đó lực sẽ được truyền đến phần bóng của bàn chân. Komarechka dường như đã nhận thấy nguyên tắc cơ bản này khi đi bộ và đã phát triển một ý tưởng để khai thác sức mạnh của hoạt động hàng ngày này.
Theo mô tả trong bằng sáng chế, "giày có lắp ráp máy phát điện thủy điện" của Komarechka bao gồm năm bộ phận:
Chất lỏng – Hệ thống sẽ sử dụng chất lỏng dẫn điện.
Túi chứa chất lỏng – Một túi được đặt ở gót chân và một túi khác ở phần mũi giày.
Ống dẫn – Ống dẫn kết nối mỗi túi với một máy phát điện nhỏ.
Tua bin – Khi nước di chuyển qua lại trong đế giày, nó sẽ làm chuyển động các cánh của một tua bin nhỏ.
Máy phát điện nhỏ – Máy phát điện nằm giữa hai túi chứa đầy chất lỏng và bao gồm một rô-to cánh quạt, có chức năng truyền động trục và làm quay máy phát điện.
Khi một người đi bộ, lực nén của chất lỏng trong túi nằm ở gót giày sẽ đẩy chất lỏng qua ống dẫn và vào mô-đun máy phát điện thủy điện. Khi người dùng tiếp tục đi bộ, gót chân sẽ được nâng lên và áp lực hướng xuống sẽ được tác động lên túi dưới bóng bàn chân của người đó. Chuyển động của chất lỏng sẽ làm quay rô-to và trục để tạo ra điện.
Một ổ cắm bên ngoài sẽ được cung cấp để kết nối dây với thiết bị di động. Một bộ phận đầu ra điều khiển nguồn cũng có thể được cung cấp để đeo trên thắt lưng của người dùng. Sau đó, các thiết bị điện tử có thể được gắn vào bộ phận đầu ra điều khiển nguồn này, bộ phận này sẽ cung cấp nguồn điện ổn định.
Bằng sáng chế nêu rõ: "Với sự gia tăng về số lượng các thiết bị di động chạy bằng pin, nhu cầu cung cấp nguồn điện lâu dài, thích ứng và hiệu quả ngày càng tăng". Komarechka hy vọng rằng thiết bị của mình sẽ được sử dụng để cấp điện cho máy tính xách tay, điện thoại di động, đầu đĩa CD, máy thu GPS và radio hai chiều.
Thời gian đăng: 21-07-2022
