Điện được tạo ra như thế nào?


Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi một dạng năng lượng thành điện năng. Có nhiều loại máy phát điện khác nhau. Phần lớn sản lượng điện trên thế giới là từ các máy phát điện dựa trên khám phá của nhà khoa học Michael Faraday vào năm 1831 rằng việc di chuyển một nam châm bên trong một cuộn dây sẽ tạo ra (gây ra) một dòng điện chạy trong dây. Ông đã tạo ra máy phát điện đầu tiên gọi là đĩa Faraday, hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa từ tính và điện và dẫn đến việc thiết kế các máy phát điện từ mà chúng ta sử dụng ngày nay.

Máy phát điện từ sử dụng nam châm điện—một nam châm được tạo ra bởi điện—không phải nam châm truyền thống. Một máy phát điện từ cơ bản có một loạt các cuộn dây cách điện tạo thành một hình trụ đứng yên—được gọi là stato—bao quanh một trục điện từ—được gọi là rôto. Việc quay rôto sẽ tạo ra dòng điện chạy trong từng phần của cuộn dây, trở thành một dây dẫn điện riêng biệt. Dòng điện trong các phần riêng lẻ kết hợp lại tạo thành một dòng điện lớn. Dòng điện này là dòng điện di chuyển từ máy phát điện qua đường dây điện đến người tiêu dùng. Máy phát điện từ được điều khiển bởi động cơ nguyên tố động học (cơ khí) chiếm gần như toàn bộ sản lượng điện của Hoa Kỳ.

Máy phát điện chạy bằng tuabin

Hầu hết sản lượng điện là từ các nhà máy điện sử dụng tua-bin để điều khiển máy phát điện. Trong máy phát điện tua-bin, chất lỏng chuyển động – nước, hơi nước, khí đốt hoặc không khí – đẩy một loạt cánh quạt gắn trên trục rôto. Lực của chất lỏng tác dụng lên các cánh quạt làm quay/làm quay trục rôto của máy phát điện. Đến lượt mình, máy phát điện chuyển đổi cơ năng (động năng) của rôto thành năng lượng điện. Các loại tua bin khác nhau bao gồm tua bin hơi nước, tua bin đốt (khí), tua bin thủy điện và tua bin gió.
 

Máy phái điện tua bin hơi nước được sử dụng để tạo ra phần lớn điện năng trên thế giới và chúng chiếm khoảng 45% sản lượng điện của Hoa Kỳ vào năm 2021. Hầu hết các tua bin hơi nước đều có nồi hơi trong đó nhiên liệu được đốt cháy để tạo ra nước nóng và hơi nước trong bộ trao đổi nhiệt, và hơi nước cung cấp năng lượng cho tuabin chạy máy phát điện. Lò phản ứng điện hạt nhân sử dụng thanh nhiên liệu hạt nhân để tạo ra hơi nước. Các nhà máy nhiệt điện mặt trời và hầu hết các nhà máy điện địa nhiệt đều sử dụng tua bin hơi nước. Hầu hết các nhà máy điện lớn nhất của Mỹ đều sử dụng tua bin hơi nước.

Tua bin khí đốt, tương tự như động cơ phản lực, đốt nhiên liệu khí hoặc lỏng để tạo ra khí nóng làm quay các cánh quạt trong tua bin.

Tua bin hơi nước và tua bin đốt có thể được vận hành như các máy phát điện độc lập trong một chu trình đơn hoặc kết hợp trong một chu trình hỗn hợp tuần tự. Hệ thống chu trình hỗn hợp sử dụng khí đốt từ một tuabin để tạo ra nhiều điện hơn ở tuabin khác. Hầu hết các hệ thống chu trình hỗn hợp đều có máy phát điện riêng cho mỗi tuabin. Trong hệ thống chu trình hỗn hợp một trục, cả hai tuabin có thể dẫn động một máy phát điện. Tìm hiểu thêm về các loại nhà máy điện chu trình hỗn hợp khác nhau. Năm 2021, các nhà máy điện chu trình hỗn hợp đã cung cấp khoảng 33% sản lượng điện ròng của Hoa Kỳ.

Các nhà máy nhiệt điện kết hợp (CHP), có thể được gọi là máy phát điện, sử dụng nhiệt không được chuyển đổi trực tiếp thành điện trong tua bin hơi nước, tua bin đốt hoặc máy phát động cơ đốt trong để cung cấp nhiệt cho quá trình công nghiệp hoặc cho không gian và sưởi ấm nước. Hầu hết các nhà máy CHP lớn nhất ở Hoa Kỳ đều được đặt tại các cơ sở công nghiệp như nhà máy giấy và bột giấy, nhưng chúng cũng được sử dụng tại nhiều trường cao đẳng, đại học và các cơ sở chính phủ. CHP và các nhà máy điện chu trình hỗn hợp là một trong những cách hiệu quả nhất để chuyển đổi nhiên liệu dễ cháy thành năng lượng hữu ích.

Tua bin thủy điện sử dụng lực chuyển động của nước làm quay các cánh tuabin để cung cấp năng lượng cho máy phát điện. Hầu hết các nhà máy thủy điện đều sử dụng nước được trữ trong hồ chứa hoặc được dẫn từ sông, suối. Các nhà máy thủy điện thông thường này chiếm khoảng 6% sản lượng điện của Hoa Kỳ vào năm 2021. Các nhà máy thủy điện tích năng sử dụng cùng loại tua-bin thủy điện mà các nhà máy thủy điện thông thường sử dụng, nhưng chúng được coi là hệ thống lưu trữ điện (xem bên dưới). Các loại tua bin thủy điện khác gọi là tua bin thủy động được sử dụng trong hệ thống năng lượng thủy triều và năng lượng sóng. Tìm hiểu thêm về các loại tuabin thủy điện khác nhau.

Tua bin gió sử dụng năng lượng gió để di chuyển các cánh quạt để cung cấp năng lượng cho máy phát điện. Có hai loại tua bin gió chung: tua bin trục ngang (phổ biến nhất) và tua bin trục thẳng đứng. Tua bin gió là nguồn cung cấp khoảng 9% sản lượng điện của Hoa Kỳ vào năm 2021.

Hệ thống chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương (OTEC) sử dụng chênh lệch nhiệt độ giữa nước biển ở các độ sâu khác nhau để cung cấp năng lượng cho tuabin sản xuất điện.

Các loại máy phát điện khác

Có nhiều loại máy phát điện không sử dụng tua-bin để tạo ra điện. Được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là hệ thống quang điện mặt trời (PV) và động cơ đốt trong.

Các tế bào quang điện mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Chúng được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị nhỏ như đồng hồ đeo tay và có thể được kết nối với nhau thành các bảng được kết nối với nhau thành mảng để cung cấp năng lượng cho từng ngôi nhà hoặc tạo thành các nhà máy điện lớn. Các nhà máy điện quang điện (PV) hiện là một trong những nguồn phát điện phát triển nhanh nhất trên toàn thế giới. Tại Hoa Kỳ, các nhà máy điện PV là nguồn cung cấp khoảng 3% tổng sản lượng điện quy mô tiện ích vào năm 2021.

Động cơ đốt trong, chẳng hạn như động cơ diesel, được sử dụng trên toàn thế giới để phát điện, kể cả ở nhiều ngôi làng xa xôi ở Alaska. Chúng cũng được sử dụng rộng rãi để cung cấp điện di động tại các công trường xây dựng và cung cấp điện khẩn cấp hoặc dự phòng cho các tòa nhà và nhà máy điện. Máy phát điện sử dụng động cơ diesel có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu bao gồm dầu diesel, nhiên liệu lỏng và khí sinh học dựa trên sinh khối, khí tự nhiên và propan. Máy phát điện động cơ đốt trong nhỏ chạy bằng xăng, khí tự nhiên hoặc propan thường được sử dụng bởi các đội xây dựng và thương nhân và để cung cấp điện khẩn cấp cho các hộ gia đình.

Các loại máy phát điện khác bao gồm pin nhiên liệu, động cơ Stirling (được sử dụng trong máy phát điện dạng đĩa parabol nhiệt mặt trời) và máy phát nhiệt điện.

Hệ thống lưu trữ năng lượng để phát điện bao gồm lưu trữ bơm thủy lực, lưu trữ khí nén, đập điện hóa và bánh đà. Các hệ thống lưu trữ năng lượng này sử dụng điện để sạc thiết bị hoặc phương tiện lưu trữ và lượng điện mà chúng có thể cung cấp ít hơn lượng điện chúng sử dụng để sạc. Do đó, lượng điện ròng phát ra từ hệ thống lưu trữ được tính là âm để tránh tính gấp đôi lượng điện sử dụng để sạc hệ thống lưu trữ.

Xem thêmSự khác biệt giữa động cơ ac/dc là gì?