sống”
Tiểu chủ đề: Sản xuất điện năng
A. Mục tiêu bài học
1. Kiến thức
-Nêu được vị trí và vai trò của điện năng trong sản xuất và đời sống.
- Nêu được nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều và các khái niệm về tần số, chu kì, cường độ dòng điện cực đại, cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.
- Giải thích được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều
- Giải thích, phân biệt được nguồn điện ba pha và các đại lượng dây(Ud, Id) và các
đại lượng pha(Up, Ip) của mạch điện ba pha
- Ghi được kí hiệu các đại lượng Ud, Up, Id, Ip của mạch điện 3 pha trên sơ đồ.
- Hiểu được đặc điểm của mạch điện 3 pha có dây trung tính, giải thích được tác dụng của dây trung tính và ứng dụng của mạch điện này trong thực tế.
- Vẽ được sơ đồ nguồn điện nối 3 pha có dây trung tính, nêu được ưu điểm của mối cách nối.
-Trình bày được các dạng chuyển hóa năng lượng hóa thạch, năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời thành điện năng trong đời sống. Nêu được các ưu nhược điểm của từng dạng chuyển hóa năng lượng trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng và ảnh hưởng đến môi trường.
35
- Trình bày được một số kiến thức cơ bản, phổ thông về năng lượng hóa thạch, năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời và tiềm năng của những dạng năng lượng này ở Việt Nam.
2. Kĩ năng
-Vận dụng những kiến thức về cảm ứng điện từ để giải thích nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều, nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều.
- Vận dụng những kiến thức về sự chuyển hóa năng lượng để nêu ra được các cách chuyển hóa năng lượng sang điện năng.
- Vận dụng được các kiến thức về nhiệt độ không khí, phân bố khí áp để nêu ra được các yếu tố tăng hiệu suất phát điện gió và nhiệt điện Mặt Trời
- Thu thập, xử lí thông tin và trình bày thông tin về sản xuất điện năng, các phương án chuyển hóa từ các dạng năng lượng thành điện năng và ưu nhược điểm của từng từ phương án.
3. Thái độ
- Nghiêm túc, thận trọng trong nghiên cứu - Có lòng say mê, yêu thích môn học
- Có ý thức vận dụng kiến thức đã học về sản xuất điện năng vào cuộc sống.
- Có thái độ thân thiện với môi trường, có hành động cụ thể trong việc vận dụng các phương pháp sản xuất điện năng không làm ảnh hưởng tới môi trường.
B.Nội dung kiến thức trọng tâm
1. Nguyên tắc sản xuất dòng điện xoay chiều
a, Vị trí và vai trò của điện năng của dòng điện xoay chiều
- Cung cấp năng lượng không chỉ cho sự phát triển kinh tế mà còn cần thiết cho sự ổn định kinh tế, xã hội và chính trị mỗi quốc gia
- Là nguồn động lực chủ yếu đối với sản xuất và đời sống vì:
+ Được sản xuất tập trung trong các nhà máy điện và có thể truyền tải đi xa với hiệu suất cao.
+ Quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng được tự động hóa và điều khiển từ xa dễ dàng.
+ Điện năng dễ dàng biến đổi sang các dạng năng lượng khác + Điện năng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị dân dụng
+ Điện năng nâng cao năng suất lao động, cải thiện đời sống và thúc đẩy KHKT phát triển
- Máy phát điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản hơn,tuổi thọ làm việc dài hơn máy phát điện một chiều
36
- Với cùng một công suất, máy phát điện xoay chiều có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn máy phát điện một chiều
- Tiêu hao kim loại màu để chế tạo ít hơn
- Có thể biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều với với mạch điện đơn giản dùng điôt.
b, Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều
- Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ + Từ trường đều
+Khung dây dẫn:có N vòng dây, diện tích mỗi vòng S quay quanh trục Δ có tốc độ góc ω
Hình2.1. Khung dây quay trong từ trường
+ Lúc t0 = 0 có = (
+ Tại thời điểm t có = ωt +
+ Từ thông qua khung dây là Φ = NBScos = NBScos(ωt +
+ Suất điện động cảm ứng e d
dt
= NBSsin(ωt +
+ Khung dây khép kín với điện trở R thì xuất hiện dòng điện
i = NBS
R sin(ωt với I0 = NBS
R thì i = I0sin(ωt + = I0cos(ωt + φ)
- Dòng điện xoay chiều: là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn theo thời
gian i = I0cos(ωt + φ).
Trong đó: I0 cường độ dòng điện cực đại;
ω là tần số góc f = 2 là tần số dòng điện. - Cường độ hiệu dụng : I = I0 2
2. Máy phát điện xoay chiều
a, Cấu tạo máy phát điện xoay chiều một pha
- Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều một pha gồm hai bộ phận chính:
+Phần cảm nhằm tạo ra từ trường được cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện,
37
- Bộ phận đứng yên gọi là stato, bộ phận quay gọi là rôto. Máy phát điện xoay chiều có rôto là phần cảm (nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện) có p cặp cực từ, stato là phần ứng (các cuộn dây). Khi rôto quay với tốc độ n (vòng/s) thì từ thông qua mỗi cuộn dây của stato biến thiên tuần hoàn với tần số f = np. Kết quả là trong các cuộn dây xuất hiện suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số f.
b, Cấu tạo máy phát điện xoay chiều ba pha
- Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều ba pha gồm hai bộ phận chính:
+ Stato gồm có ba cuộn dây hình trụ giống nhau được đặt trên một đường tròn tại ba vị trí đối xứng (ba trục của ba cuộn dây nằm trên mặt phẳng đường tròn, đồng quy tại
tâm O của đường tròn và lệch nhau 120o).
+ Rôto là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện có thể quay quanh một trục đi qua O.
- Khi rôto quay với tốc độ góc ω thì trong mỗi cuộn dây của stato xuất hiện một suất điện
động cảm ứng cùng biên độ, cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau 2
3
.
c. Cách mắc mạch ba pha
- Cách nối máy phát ba pha hình sao
- Cách nối máy phát ba pha hình sao không có dây trung tính - Cách mắc máy phát ba pha hình tam giác
Hình 2.2. Mắc mạch hình sao và tam giác
* Ưu điểm của dòng điện ba pha
- Truyền tải điện năng đi xa bằng dòng ba pha tiết kiệm dây dẫn so với truyền tải bằng dòng một pha
- Cung cấp cho các động cơ điện ba pha phổ biến trong các xí nghiệp
- Với cách mắc ba pha bốn dây: tạo ra hai điện áp có trị số khác nhau thuận tiện cho việc sử dụng đồ dùng điện. Với mạng điện sinh hoạt thường không đối xứng, nhờ có dây trung tính điện áp pha trên các tải hầu như giữ không đổi, không vượt qua điện áp định mức.
3. Chuyển hóa các dạng năng lượng thành điện năng
Với máy phát điện xoay chiều kiểu cảm ứng, năng lượng dùng để chạy máy phát điện tồn tại ở dạng năng lượng vật chất chuyển hóa toàn phần và năng lượng tái tạo.
A2 A1 A3 B1 B2 B3 A3 B1 A1 A2 B2 B3 A2 A3 A1 B1 B3 B2
38
a, Năng lượng vật chất chuyển hóa toàn phần:
- Năng lượng chuyển hóa toàn phần là dạng năng lượng mà nhiên liệu sản sinh ra nó không có khả năng tái sinh và vĩnh viễn mất đi.Có hai loại năng lượng chuyển hóa toàn phần:
+ Năng lượng hóa thạch (Fossil fuels): than đá, dầu mỏ, khí đốt…
+ Năng lượng hạt nhân(nguyên tử) (Nuclear power): nguyên tử Urani 235, Plutoni 239
- Chu trình hoạt động của nhà máy điện sử dụng năng lượng hóa toàn phần
Hình 2.3. Sơ đồ chu trình máy phát điện dùng xăng dầu
Hình 2.4. Sơ đồ chu trình máy phát điện dùng than đá, dầu mỏ, khí đốt và năng lượng hạt nhân
*Động cơ đốt trong
- Đặc điểm của động cơ đốt trong kéo máy phát điện + Động cơ có công suất phù hợp với công suất máy phát + Có tốc độ quay phù hợp với tốc độ quay của máy phát + Có bộ điều tốc để giữ ổn định tốc độ quay của động cơ
+ Hệ thống truyền lực không đảo chiều quay của hệ thống và không có bộ phận điều khiển hệ thống truyền lực
- Cách vận hành máy phát điện dùng động cơ đốt trong
+ Kiểm tra sự an toàn của động cơ, máy phát và hệ thống truyền lực + Khởi động động cơ, chạy ở tốc độ thấp
+ Kiểm tra sự vận hành của động cơ và tăng tốc từ từ để đạt tốc độ quay định mức. + Cho động cơ kéo máy công tác và tăng từ từ đạt tới tải định mức
Ngưng tụ NHIÊN LIỆU (than đá, dầu mỏ, khí đốt, U235, Pu239) THÁP NGƯNG TỤ
LÒ HƠI TUA BIN
MÁY PHÁT ĐIỆN Nhiệt năng Bơm nước Điện năng NHIÊN LIỆU (xăng, dầu) ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN
39
+ Giảm tải, giảm tốc độ của động cơ và tắt động cơ
*Năng lượng hạt nhân
- Trong các nhà máy điện hạt nhân, năng lượng được sử dụng là năng lượng tỏa ra từ phản ứng phân hạch với hệ số nhân nơtrôn bằng 1.
+ Phản ứng phân hạch xảy ra khi một hạt nhân nặng (U235, Pu239) hấp thụ mộtnơtrôn
chậm rồi vỡ ra thành hai hạt nhân có khối lượng trung bình đồng thời phóng ra hai đến ba nơtrôn.
+ Các nơtrôncó thể lại tiếp tục gây sự phân hạch cho các hạt nhân U235, Pu239khác, gây
ra phản ứng dây chuyền.
+ Các bộ phận chính của nhà máy điện hạt nhân gồm:
- Lò phản ứng hạt nhân.
- Hệ thống trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh hơi làm quay tua bin.
Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân là thực hiện phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, có thể kiểm soát được với hệ số nhân nơtron k = 1. Các bộ phận chính trong lò phản ứng nơtron nhiệt gồm:
1. Thanh nhiên liệu (urani). 2. Chất làm chậm.
3. Vỏ kim loại. 4. Lớp phản xạ nơtron bằng graphit.
5. Ống làm lạnh và tải nhiệt. 6. Thanh điều khiển.
7. Thành bảo vệ phóng xạ.
8. Đường ống làm thí nghiệm (dùng cho lò nghiên cứu).
b) Năng lượng tái tạo: là dạng năng lượng mà nguồn nhiên liệu liên tục tái sinh từ những
quá trình tự nhiên như: Năng lượng Mặt Trời (Solar power); Năng lượng sinh khối (Biomass energy); Năng lượng từ lòng đất (Geothermal power); Năng lượng gió (Wind power); Năng lượng thủy triều (Tidal power); Năng lượng sức nước (Hidro power); Năng lượng sóng biển (Wave power).
* Năng lượng Mặt Trời
Hai ứng dụng chính của năng lượng Mặt Trời là:
- Năng lượng nhiệt Mặt Trời là nhiệt năng hấp thụ bởi hệ thống thu bắt nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời, sử dụng để đun nóng nước (hoặc một số dung dịch khác) hoặc để tạo hơi nước. Khác với các hệ nhiệt Mặt Trời công suất nhỏ sử dụng chảo thu mặt phẳng để thu nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời, các nhà máy nhiệt Mặt Trời công suất lớn sử dụng các thiết bị thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời và từ đó đạt nhiệt độ cao cần thiết để tạo hơi nước quay turbin. Hơi nước được sử dụng để quay turbin và rồi vận hành phát điện. Nhiệt Mặt Trời có ứng dụng rộng rãi trong việc cung cấp nước nóng và sản xuất điện,với công suất có thể đạt tới vài MW. Có 3 dạng tập trung năng lượng Mặt Trời tạo nhiệt đun là: trũng parabol, đĩa quay và tháp năng lượng.
40
+ Tháp năng lượng: Hệ thống thu nhiệt trung tâm sử dụng ở các nhà máy lớn bao gồm các gương hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một đĩa thu duy nhất lắp trên đỉnh một tháp trung tâm. Bức xạ nhiệt của ánh sáng Mặt Trời sẽ làm nóng chảy muối bên trong chảo thâu, và nhiệt lượng của muối nóng chảy này sẽ được sử dụng để tạo điện thông quay các máy phát dạng hơi thông thường.
+ Đĩa quay: Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời thứ hai là hệ thống hình đĩa, giống dạng đĩa thu tín hiệu vệ tinh trong viễn thông. Hệ thống này sử dụng đĩa phản chiếu hình parabol để hội tụ ánh sáng vào tâm thu ở tại tiêu điểm của đĩa. Dung dịch đun được truyền vào đĩa thu để hấp thu nhiệt tại đó. Nhiệt khi cho dung dịch đun dãn nở ra làm đẩy piston và từ đó quay turbin. Phương pháp này cho phép tập trung ánh sáng từ 100 đến 2000 lần.
+Trũng parabol: Dạng hệ thống còn lại là thiết bị hình trũng, thiết bị này là một gương cầu dài dùng hội tụ ánh sáng lên trên các ống dẫn chứa dung dịch đun (dầu-oil).
Dung dịch đun trong ống có thể đạt đến nhiệt độ 4000C như tại Solar Electric Generating
Systems tại vùng Nam California. Dung dịch đun nhiệt độ cao được sử dụng để đun nóng nước tạo hơi quay turbin rồi vận hành máy phát điện.
- Điện Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện-photovoltaics). Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay. Chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con bọ điện tử trong máy tính. Một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện. Quá trình chuyển đổi photon thành điện này gọi là hiệu ứng quang điện.Có 3 lớp vật liệu chính: lớp trên cùng gọi là silicon loại n (n: negative, âm), vật liệu này có khả năng “phóng thích” các hạt tích điện âm gọi là electron một khi được đưa ra ngoài ánh sáng mặt trời. Lớp dưới cùng gọi là lớp p, tích điện dương khi tiếp xúc với bức xạ Mặt Trời (p: positive, dương). Lớp vật liệu ở giữa gọi là lớp chèn (junction), lớp này có vai trò như một lớp phân cách (insulator) giữa lớp n và lớp p. Các electron được phóng thích từ lớp n sẽ di chuyển theo đường ít bị cản trở nhất, tức là di chuyển từ lớp n tích điện âm ở bên trên về lớp p tích điện dương ở bên dưới. Như vậy, nếu vùng p và vùng n được nối bởi một mạch điện tạo bởi các dây dẫn mỏng, dòng electron sẽ di chuyển trong mạch điện này, tạo ra dòng điện một chiều có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được “dự trữ” để dùng sau.
- Sự phân bố của nhiệt độ trong không khí trên Trái Đất. Nguồn cung cấp nhiệt chủ yếu cho mặt đất là bức xạ của mặt trời. Nhiệt lượng do mặt trời mang đến cho Trái đất luôn thay đổi theo góc chiếu của tia bức xạ mặt trời. Các yếu tố ảnh hưởng sự phân bố nhiệt độ của không khí trên Trái Đất
41
+ Phân bố theo vĩ độ: Vĩ độ càng thấp thì nhiệt độ trung bình càng lớn, biên độ thay đổi càng nhỏ
+ Phân bố theo lục địa và đại dương: nhiệt độ trung bình cao nhất và thấp nhất đều ở trong lục địa, biên độ dao động của nhiệt độ ở lục địa lớn, ở đại dương thì nhỏ.
+ Phân bố theo địa hình: địa hình càng dốc thì nhiệt độ càng cao.
+ Phân bố qua sự hình thành ngày và đêm, độ dài ngắn của ngày đêm theo mùa và vĩ độ. Sự hình thành ngày đêm: Trái Đất quay quanh mặt trời. Nguyên nhân gây ra độ dài ngắn của ngày đêm: trục trái đất nghiêng và không đổi phương. Độ dài ngày đêm phụ thuộc theo mùa và vĩ độ.
Bảng 2.1. Bảng số liệu về giờ chiếu sáng trong ngày ở một số vĩ tuyến
Vĩ tuyến Số giờ chiếu sáng trong ngày
21- 3 22 - 6 23 - 9 22 - 12 66033’B(vòng cực bắc) 12 24 12 0 23027’B(chí tuyến bắc) 12 13,5 12 10,5 00(xích đạo) 12 12 12 12 23027’N(chí tuyến nam) 12 10,5 12 13,5 66033’N(vòng cực nam) 12 0 12 24
- Tiềm năng về năng lượng Mặt trời tại một số nơi ở Việt Nam