Giới hạn kỹ thuật của các nhà máy điện
Bài viết xét trên khía cạnh công suất - khả năng sản xuất điện năng. Phần tiếp theo của bài viết "Giấc mơ năng lượng mặt trời và bài toán kinh tế"
Chỉ số cơ bản
Đối với nhà máy điện có một số định nghĩa hiểu theo cách đơn giản như sau:
Công suất: là khả năng sản sinh năng lượng trong một đơn vị thời gian.
Hiệu suất chuyển hóa - hệ số hiệu dụng (hệ số chuyển hóa hiệu dụng): tỷ số giữa năng lượng có ích và năng lượng ban đầu. Cụ thể là số điện thu được chia cho tổng năng lượng đã sản sinh ra nó.
Mô hình tối giản
Đối với nhà máy thủy điện, năng lượng được khai thác từ dòng chảy tự nhiên của nước (nước từ trên cao chảy xuống thấp - quy luật tự nhiên). Xây đập chứa nước, xả từ từ làm quay "chân vịt", sinh công...
Nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân gần như động cơ hơi nước. Đốt nhiên liệu sinh nhiệt, nhiệt chuyển hóa thành công cơ học. Để nhiên liệu vào lò, đốt từ từ, đun sôi nước, hơi nước làm quay "chong chóng", sinh công...
Công từ chuyển động xoay của "chân vịt/chong chóng" được tải vào máy phát điện để phát điện.
## Ngoài lề: máy phát điện
Cấu tạo máy phát điện về cơ bản có trục nam châm xoay bên trong cuộn dây, ở 2 đầu trục có ổ bi để triệt tiêu lực cản. Có nhiều bạn sẽ thắc mắc vì sao chỉ để xoay máy phát điện mà tốn nhiều năng lượng đến như vậy.
(máy phát điện của nhà máy điện hạt nhân)
Thật hài hước vì mình cũng chỉ mới biết gần đây thôi , máy phát điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ: trong lòng cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện tạo ra từ trường chống lại từ trường sinh ra nó. Dòng điện xuất hiện càng nhiều thì lực cản càng nhiều.
Máy phát điện có hiệu suất chuyển hóa rất cao, lên đến 97%. Thậm chí đối với máy công suất nhỏ hiệu suất chuyển hóa lên đến 100%.
Chất sinh công
Luôn luôn là nước, vì nước có sẵn, nhiều, rẻ tiền và đại trà...tính chất của nước đã được nghiên cứu rất kỹ ở nhiều ngành khoa học, và đặc biệt không độc hại.
Thủy điện về nguyên tắc bất cứ dòng chảy nào của chất lỏng đủ lớn đều có khả năng sinh điện - nước sông suối là vô địch.
Nhiệt điện và điện hạt nhân "đun" nước thành hơi, lợi dụng tính chất tăng thể tích đột ngột tạo luồng hơi áp suất cao làm quay máy phát điện. Bất cứ chất lỏng nào có tính chất tương tự cũng có thể làm chất sinh công, nhưng xét về mặt kinh tế và hiểu biết thì nước vẫn vô địch.
Giới hạn hiệu suất chuyển hóa
Nhà máy thủy điện có hệ số chuyển hóa từ thế năng của nước sang điện năng cao, lên đến 94%. Nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân con số đó chỉ dừng lại ở con số 35%. Đối với lò VVER-1000 công suất nhiệt 3000MW, chỉ thu được được trên dưới 1000MW điện dân dụng, còn 2000MW còn lại được thải ra môi trường bên ngoài. Nghe có vẻ nghịch lý, nhưng hiệu suất chuyển hóa 33% là con số lý tưởng của ngành điện hạt nhân.
Nên nhớ rằng, sản xuất với quy mô càng lớn, công suất càng lớn, thì hiệu suất lại càng giảm. Bài toán kinh tế cân bằng giữa công suất và hiệu suất vẫn còn nhiều ẩn số. Có một số lò nhiệt (hạt nhân) trong phòng thí nghiệm, có cấu tạo đặc biệt cho hiệu suất chuyển hóa lên đến 65% nhiệt thành điện. Nhưng không thể áp dụng vào sản xuất điện quy mô lớn.
Hệ số hiệu dụng này bị giới hạn "trên" bởi mô hình lý tưởng - chu trình nhiệt Karno. Phần này thuộc kiến thức chuyên ngành sẽ giải thích ở những bài viết sau.
Giới hạn công suất
Giới hạn này được thiết lập bởi bộ môn sức bền vật liệu, bởi cách chế tạo "chân vịt" và "chong chóng" - Tuabin.
Tuabin càng lớn công suất càng cao?
Vâng, nhưng hiệu suất của nó lại giảm đáng kể, vì không tận dụng được hết động năng của chất sinh công. Luồng hơi có áp suất thấp không thể làm quay tuabin.
Tuabin quay càng nhanh thì càng nhiều điện?
Với cùng một công suất nhiệt, turbin quay nhanh sẽ có mô-men xoắn thấp hơn turbin quay chậm. Nhanh thì yếu, chậm thì lại khỏe. Đối với mỗi loại thì lại có cách thiết kế máy phát điện khác nhau. Dù nhanh hay chậm, thì cùng một công suất nhiệt thì lượng điện thu được cũng không thay đổi.
Nói đến sức bền vật liệu, tuabin quay càng nhanh hoặc cánh tuabin càng dài càng dễ hỏng hóc do lực li tâm sinh ra rất lớn. Muốn nhiều điện thì phải làm cánh dài, mỏng...muốn bền thì ngược lại, nhưng lại nặng nề, giảm hiệu suất chuyển hóa.
Một tổ máy "chân vịt" của nhà máy thủy điện có công suất không vượt quá 700MW. Có thể làm nhiều tổ máy tùy vào độ lớn của đập thủy điện, lưu lượng nước và sự chênh lệnh mực nước...sông nhỏ, ít nước không thể cho công suất cao. Nhưng khai thác thủy điện gây ra một số ảnh hưởng nhất định điến tự nhiên, sinh hoạt, và đời sống. Nhà máy nhiệt điện có công suất rất đa dạng, ở Việt Nam mỗi tổ máy "chong chóng" có công suất 100MW-600MW. Một nhà máy có thể có nhiều tổ máy, không giới hạn, nhưng việc xây tập trung lại khó khăn trong việc truyền tải điện đi xa, chi phí vận chuyển nhiên liệu và mặt bằng...
Cùng logic đối với nhà máy điện hạt nhân, công suất tối đa của lò VVER-1200 là 1200MW cho một tổ máy. Ở Pháp có lò hạt nhân cho công suất điện hơn 1500MW nhưng hệ số chuyển hóa năng lượng lại thấp, cái gì cũng có cái giá của nó.
Nhiệt điện và điện hạt nhân luôn thải ra gần 70% năng lượng nhiệt ra môi trường bên ngoài. Riêng nhiệt điện còn thải ra một lượng khí thải đáng kể.
Làm nhiều tuabin cho cùng một lò nhiệt?
Trong lịch sử phát triễn của mình, tuabin có cấu tạo ngày càng phức tạp và nhiều bộ phận, chi tiết và rất đắt đỏ...làm nhiều tuabin cho một tổ máy làm tăng thêm chi phí xây dựng và vận hành. Đòi hỏi phải có lò công suất nhiệt đủ lớn, kéo theo sự vượt quá các tiêu chuẩn và quy tắc an toàn.
Công suất bị giới hạn "trên" bởi độ bền của tuabin và hệ số hiệu dụng, là kết quả của bài toán kinh tế (nâng cao hệ số chuyển hóa) và bài toán sức bền vật liệu.
