Trên toàn thế giới, các nhà máy thủy điện sản xuất khoảng 24% lượng điện toàn cầu và cung cấp điện cho hơn 1 tỷ người. Theo Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia, tổng công suất của các nhà máy thủy điện trên thế giới đạt 675.000 megawatt, tương đương với 3,6 tỷ thùng dầu. Tại Hoa Kỳ, có hơn 2.000 nhà máy thủy điện đang hoạt động, biến thủy điện trở thành nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất nước này.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cách nước rơi tạo ra năng lượng và chu trình thủy văn tạo ra dòng chảy cần thiết cho thủy điện. Bạn cũng sẽ được biết đến một ứng dụng độc đáo của thủy điện có thể ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của bạn.
Khi nhìn dòng sông cuộn chảy, thật khó để hình dung sức mạnh mà nó mang theo. Nếu bạn đã từng tham gia chèo thuyền vượt thác, bạn sẽ cảm nhận được một phần nhỏ sức mạnh của dòng sông. Ghềnh thác được tạo ra khi dòng sông mang một lượng nước lớn đổ xuống, tạo thành những nút thắt cổ chai trong một đoạn hẹp. Khi dòng sông bị ép chảy qua khe hẹp này, tốc độ dòng chảy tăng lên. Lũ lụt là một ví dụ khác cho thấy một lượng nước khổng lồ có thể tạo ra sức mạnh lớn đến mức nào.
Các nhà máy thủy điện khai thác năng lượng của nước và sử dụng các nguyên lý cơ học đơn giản để chuyển đổi năng lượng đó thành điện năng. Trên thực tế, các nhà máy thủy điện dựa trên một khái niệm khá đơn giản — nước chảy qua đập làm quay tuabin, và tuabin làm quay máy phát điện.
Dưới đây là các thành phần cơ bản của một nhà máy thủy điện thông thường:
Trục nối tuabin và máy phát điện
Đập – Hầu hết các nhà máy thủy điện đều dựa vào một con đập để giữ nước, tạo thành một hồ chứa lớn. Thông thường, hồ chứa này được sử dụng như một hồ nước phục vụ mục đích giải trí, ví dụ như hồ Roosevelt tại đập Grand Coulee ở bang Washington.
Cửa lấy nước – Các cửa trên đập mở ra và trọng lực kéo nước chảy qua đường ống dẫn nước đến tuabin. Nước tích tụ áp suất khi chảy qua đường ống này.
Tuabin – Nước tác động vào và làm quay các cánh lớn của tuabin, được nối với máy phát điện phía trên bằng một trục. Loại tuabin phổ biến nhất trong các nhà máy thủy điện là tuabin Francis, có hình dạng như một đĩa lớn với các cánh cong. Theo Tổ chức Giáo dục về Nước và Năng lượng (FWEE), một tuabin có thể nặng tới 172 tấn và quay với tốc độ 90 vòng/phút (rpm).
Máy phát điện – Khi các cánh quạt tuabin quay, một loạt nam châm bên trong máy phát điện cũng quay theo. Các nam châm khổng lồ quay quanh các cuộn dây đồng, tạo ra dòng điện xoay chiều (AC) bằng cách di chuyển các electron. (Bạn sẽ tìm hiểu thêm về cách hoạt động của máy phát điện sau.)
Máy biến áp – Máy biến áp bên trong nhà máy điện nhận dòng điện xoay chiều và chuyển đổi nó thành dòng điện có điện áp cao hơn.
Đường dây tải điện – Từ mỗi nhà máy điện đều có bốn dây dẫn: ba pha điện được sản xuất đồng thời cộng với một dây trung tính hoặc dây nối đất chung cho cả ba pha. (Hãy đọc bài viết "Cách thức hoạt động của lưới phân phối điện" để tìm hiểu thêm về truyền tải điện qua đường dây.)
Dòng chảy ra – Nước thải được dẫn qua các đường ống, gọi là kênh thoát nước, và chảy trở lại sông ở hạ lưu.
Nước trong hồ chứa được coi là năng lượng dự trữ. Khi các cửa van mở, nước chảy qua đường ống dẫn nước trở thành năng lượng động vì nó đang chuyển động. Lượng điện được tạo ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Hai trong số những yếu tố đó là lưu lượng nước và cột áp thủy lực. Cột áp là khoảng cách giữa mặt nước và tuabin. Khi cột áp và lưu lượng tăng, lượng điện được tạo ra cũng tăng. Cột áp thường phụ thuộc vào lượng nước trong hồ chứa.
Còn một loại nhà máy thủy điện khác, gọi là nhà máy 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. Nhà máy tích năng có hai hồ chứa:
Hồ chứa thượng nguồn – Giống như một nhà máy thủy điện thông thường, đập tạo ra một hồ chứa. Nước trong hồ chứa này chảy qua nhà máy thủy điện để tạo ra điện.
Hồ chứa hạ lưu – Nước thải từ nhà máy thủy điện chảy vào hồ chứa hạ lưu thay vì chảy ngược trở lại sông và xuôi dòng.
Sử dụng tuabin 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 bổ sung nước cho hồ chứa phía trên. Bằng cách bơm nước trở lại hồ chứa phía trên, nhà máy có nhiều nước hơn để sản xuất điện trong thời gian tiêu thụ cao điểm.
Máy phát điện
Trái tim của nhà máy thủy điện chính là máy phát điện. Hầu hết các nhà máy thủy điện đều có nhiều máy phát điện như vậy.
Như bạn có thể đoán, máy phát điện tạo ra điện năng. Quá trình cơ bản để tạo ra điện theo cách này là quay một loạt nam châm bên trong các cuộn dây dẫn. Quá trình này làm dịch chuyển các electron, tạo ra dòng điện.
Đập Hoover có tổng cộng 17 máy phát điện, mỗi máy có thể tạo ra công suất lên đến 133 megawatt. Tổng công suất của nhà máy thủy điện Đập Hoover là 2.074 megawatt. Mỗi máy phát điện được cấu tạo từ một số bộ phận cơ bản:
Khi tuabin quay, bộ kích từ sẽ truyền dòng điện đến rôto. Rôto là một dãy các nam châm điện lớn quay bên trong một cuộn dây đồng được quấn chặt, gọi là stato. Từ trường giữa cuộn dây và các nam châm tạo ra dòng điện.
Tại đập Hoover, dòng điện 16.500 ampe chạy từ máy phát điện đến máy biến áp, nơi dòng điện tăng lên đến 230.000 ampe trước khi được truyền tải.
Các nhà máy thủy điện tận dụng một quá trình tự nhiên, diễn ra liên tục — quá trình tạo ra mưa và làm mực nước sông dâng cao. Mỗi ngày, hành tinh của chúng ta mất đi một lượng nước nhỏ qua khí quyển do tia cực tím phá vỡ các phân tử nước. Nhưng đồng thời, nước mới được phun trào từ bên trong Trái đất thông qua hoạt động núi lửa. Lượng nước được tạo ra và lượng nước bị mất đi gần như bằng nhau.
Tại bất kỳ thời điểm nào, tổng lượng nước trên thế giới tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Nước có thể ở dạng lỏng, như trong đại dương, sông ngòi và mưa; dạng rắn, như trong các sông băng; hoặc dạng khí, như hơi nước vô hình trong không khí. Nước thay đổi trạng thái khi được các dòng gió di chuyển khắp hành tinh. Các dòng gió được tạo ra bởi hoạt động làm nóng của mặt trời. Chu kỳ dòng khí được tạo ra do mặt trời chiếu sáng nhiều hơn vào xích đạo so với các khu vực khác trên hành tinh.
Các dòng hải lưu điều khiển nguồn cung cấp nước của Trái đất thông qua một chu trình riêng, được gọi là chu trình thủy văn. Khi mặt trời làm nóng nước ở dạng lỏng, nước bốc hơi thành hơi nước trong không khí. Mặt trời làm nóng không khí, khiến không khí bốc lên trong khí quyển. Không khí ở độ cao càng cao càng lạnh, vì vậy khi hơi nước bốc lên, nó càng nguội đi và ngưng tụ thành các giọt nước. Khi đủ số lượng giọt nước tích tụ ở một khu vực, các giọt nước có thể trở nên đủ nặng để rơi xuống 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 chảy của nước. Nếu lượng mưa gần nhà máy thấp, nước sẽ không tích tụ ở thượng nguồn. Khi không có nước tích tụ ở thượng nguồn, lượng nước chảy qua nhà máy thủy điện sẽ ít hơn và lượng điện sản sinh ra cũng ít hơn.
Ý tưởng cơ bản của thủy điện là sử dụng sức mạnh của chất lỏng chuyển động để làm quay cánh tuabin. Thông thường, người ta phải xây dựng một con đập lớn giữa sông để thực hiện chức năng này. Một phát minh mới đang tận dụng ý tưởng 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 đến từ Ontario, Canada, đã nảy ra ý tưởng đặt các máy phát điện thủy điện nhỏ vào đế giày. Ông tin rằng những tuabin siêu nhỏ này sẽ tạo ra đủ điện năng 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 độc đáo chạy bằng sức chân của mình.
Có một nguyên tắc rất cơ bản về cách chúng ta đi bộ: Bàn chân đặt từ gót chân xuống trước rồi đến ngón chân trong mỗi bước đi. Khi bàn chân tiếp đất, lực được truyền xuống qua gót chân. Khi chuẩn bị cho bước tiếp theo, bạn xoay bàn chân về phía trước, do đó lực được chuyển sang phần trước bàn chân. Komarechka dường như đã nhận thấy nguyên tắc cơ bản này của việc 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 của Komarechka, "giày dép tích hợp máy phát điện thủy lực" gồm năm bộ phận:
Chất lỏng – Hệ thống sẽ sử dụng một loại chất lỏng dẫn điện.
Các túi chứa chất lỏng – Một túi được đặt ở gót giày và một túi khác ở phần mũi giày.
Ống dẫn – Các ống dẫn kết nối mỗi bao tải với một máy phát điện mini.
Tuabin – Khi nước chuyển động qua lại trong lòng bàn chân, nó sẽ làm quay các cánh của một tuabin nhỏ.
Máy phát điện siêu nhỏ – Máy phát điện được đặt giữa hai túi chứa đầy chất lỏng và bao gồm một rôto cánh quạt, rôto này dẫn động một trục và làm quay máy phát điện.
Khi một người đi bộ, sự 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 lực. Khi người dùng tiếp tục đi bộ, gót giày sẽ được nâng lên và áp lực hướng xuống sẽ tác động lên túi dưới phần trước bàn chân. Sự chuyển động của chất lỏng sẽ làm quay rôto 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 điều khiển nguồn cũng có thể được cung cấp để đeo trên thắt lưng của người dùng. Các thiết bị điện tử sau đó có thể được gắn vào bộ điều khiển nguồn này, bộ điều khiển này sẽ cung cấp nguồn điện ổn định.
"Với sự gia tăng số lượng các thiết bị di động chạy bằng pin," bằng sáng chế nêu rõ, "ngày càng cần thiết phải cung cấp một nguồn điện bền lâu, linh hoạt và hiệu quả." Komarechka kỳ vọng thiết bị của ông sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay, điện thoại di động, máy nghe nhạc CD, máy thu GPS và bộ đàm hai chiều.
Thời gian đăng bài: 21/7/2022
