Các bộ máy phát điện - động cơ nổ cung cấp công suất điện xoay chiều sao cho nó có thể được sử dụng thay thế nguồn điện lưới thường phải mua từ các trạm phân phối của công ty điện lực..
Trang 1BÁO CÁOTÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN
Trang 2HÀ NỘI 4/201
MỤC LỤC
I.Khái quát chung về máy phát Điện 4
1.Khái niệm về máy phát Điện 4
2.Phân loại máy phát điện 4
2.1 Máy phát điện công suất thấp 4
2.2 Máy phát điện - động cơ nổ 5
2.3 Máy phát điện động cơ nổ- công suất trung bình 6
2.4 Máy phát điện tua bin nước 7
2.5 Máy phát điện tua bin hơi và tua bin khí 7
II.Ứng dụng của máy phát điện hiện nay 10
1.Trong nhà máy thủy điện 10
1.1.Khái niệm về nhà máy thủy điện 10
1.2.Ưu điểm của nhà máy thủy điện 10
1.3.Nhược điểm của nhà máy thủy điện 12
1.4.Tầm quan trọng của nhà máy thủy điện 13
2.Trong nhà máy nhiệt điện 14
2.1 Khái niệm về nhà máy nhiệt điện 14
2.2 Nguyên lý chung của nhà máy nhiệt điện 15
2.3 Tiềm năng của nhà máy nhiệt điện 16
3.Trong nhà máy điện hạt nhân 16
3.1 Khái niệm về năng lượng hạt nhân 16
3.2 Công nghệ lò phản ứng hạt nhân 16
3.3 Tiềm năng cảu nhà máy điện hạt nhân 18
4.Nhà máy điện Mặt Trời 19
Trang 34.1 Khái niệm về năng lượng mặt trời 19
4.2 Nguyên lý hoạt động 20
4.3 Triển vọng của năng lượng mặt trời 21
5.Tạo năng lượng từ gió 23
5.1Khái niệm về năng lượng gió 23
5.2 Mô hình chuyển đổi chung 23
5.3 Công suất các lại tuabin gió: 24
Trang 4I.Khái quát chung về máy phát Điện
1.Khái niệm về máy phát Điện
Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường
sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động
cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng khác
Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện
Nó thực hiện ba chức năng: phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp
2.Phân loại máy phát điện
2.1 Máy phát điện công suất thấp
Một số máy phát điện nhỏ nhất có thể thấy là các máy phát điện cho đèn
xe đạp Các máy này thường là các máy phát nam châm vĩnh cửu, 0,5 A cung cấp một công suất 3 đến 6 w ở điện thế 6 đến 12 V Để có thể quay được bằng sức người đạp, vấn đề hiệu suất phải đặt ra hàng đầu, và phải được thiết kế và chế tạo rất tinh xảo, với những nam châm vĩnh cửu đất hiếm Tuy nhiên, hiệu suất của nó chỉ có thể đạt được đến 60% với những máy phát tốt nhất, và 40% với loại thông thường, do phải sử dụng nam châm vĩnh cửu Nhưng nếu muốn dùng máy phát điều chỉnh được kích từ, lại phải dùng bình ắc quy Điều này không thể chấp nhận được, vì nó làm tăng trọng lượng và kích thước
Những thuyền buồm thường sử dụng các máy phát kéo bằng sức nước hoặc sức gió, để nạp điện từ từ cho các bình ắc quy Những chiếc chân vịt, các tua bin gió hoặc các bánh xe công tác sẽ được kết nối với các máy phát công suất thấp và bộ chỉnh lưu để có dòng điện đến 12 A ở tốc độ nhỏ nhất.
Trang 52.2 Máy phát điện - động cơ nổ
Máy phát điện - động cơ của một trạm thu phát vô tuyến (nhà bảo tàng quân sự Dubendorf) Máy phát chỉ phát điện khi cần phát tín hiệu vô tuyến Còn phía máy thu thì dùng nguồn ắc quy
Máy phát điện quay tay của trạm thu phát vô tuyến (nhà bảo tàng quân sự Dubendorf)
Một máy phát điện - động cơ nổ là tổ hợp một máy phát điện và một động
cơ nổ kéo nó thành một khối thiết bị Tổ hợp này có khi được gọi là bộ máy
phát điện - động cơ (engine-generator set) hoặc bộ máy phát (gen-set) Trong
nhiều ngữ cảnh khác nhau, người ta có thể quên đi cái động cơ nổ, mà chỉ gọi
đơn thuần cả tổ hợp là máy phát điện (generator).
Đi kèm với máy phát điện và động cơ nổ, các bộ máy phát điện - động cơ
nổ thường có kèm theo một bồn chứa nhiên liệu, một bộ điều tốc cho động cơ
nổ và một bộ điều thế cho máy phát điện Nhiều khối máy còn kèm theo bình ắc quy và bộ động cơ điện khởi động Những tổ máy dùng làm máy phát dự phòng thường bao gồm cả hệ thống tự động khởi động và một bộ chuyển mạch đảo nguồn transfer switch để tách tải ra khỏi nguồn điện dịch vụ và nối vào máy phát
Các bộ máy phát điện - động cơ nổ cung cấp công suất điện xoay chiều sao cho nó có thể được sử dụng thay thế nguồn điện lưới thường phải mua từ các trạm phân phối của công ty điện lực Các thông số diện áp (volt), tần
số (Hz) và công suất (watt) định mức của máy phát được lựa chọn sao cho phù hợp với tải cần nối vào máy phát Có cả hai loại máy một pha và ba pha Rất ít loại máy ba pha là máy xách tay di động Thường máy xách tay người ta chỉ làm máy một pha và hầu hết các máy ba pha là loại máy lớn dùng trong công nghiệp
Trang 6bộ máy phát điện - động cơ nổ thường được chế tao trong một dải công suất khá rộng Nó có thể bao gồm từ các máy di động quay tay có thể cấp điện cỡ vài trăm watt, loại xách tay như hình vẽ trên, có thể cấp điện cỡ vài nghìn watt và loại tĩnh hoặc loại đặt trên rơ moóc có thể cấp điện đến vài triệu watt Các máy nhỏ thường dùng nhiên liệu là xăng, và các máy lớn hơn sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau, từ dầu diesel, khí tự nhiên hay khí propane.
Khi sử dụng máy phát điện - động cơ nổ, bạn có thể phải quan tâm đến chất lượng của dạng sóng ra của nó Điều này rất quan trong khi sử dụng những thiết bị điện tử nhạy cảm Một bộ điều hòa điện năng power conditioner có thể lấy những sóng vuông do máy phát điện - động cơ nổ phát ra, và làm cho nó đẹp
đẽ lại bằng cách cho nó chạy qua một mạch điện trong đó có phần trung gian là một bình ắc quy Sử dụng một bộ nghịch lưu cao cấp thay thế máy phát điện có thể tạo ra điện áp có dạng sóng thuần sin hơn Một vài loại nghịch lưu chạy rất
êm, tạo ra điện áp sin rất sạch sẽ, phù hợp với máy tính điện tử và các thiết bị điện tử nhạy cảm Tuy nhiên một số bộ nghịch lưu rẻ tiền không phát ra được điện áp sin hoàn hảo, và có thể làm hư hỏng một số thiết bị điện tử
Các máy phát điện động cơ nổ thường được sử dụng để cung cấp điện cho các vùng mà nguồn điện lưới không kéo đến được, và trong những tình huống phải cấp điện ngắn hạn tạm thời Các máy phát nhỏ đôi khi có thể dùng
để cấp điện cho các dụng cụ tại các công trường xây dựng Các máy phát điện loại rơ moóc có thể dùng cấp điện cho chiếu sáng, và các trò chơi giải trí trong các hội chợ di động
Các máy phát điện dự phòng thường được lắp đặt cố định và luôn sẵn sàng hoạt động để cấp điện cho những tải quan trọng khi nguồn điện lưới bị gián đoạn Bệnh viện, các cơ sở thông tin liên lạc, các trạm bơm và rất nhiều các dịch vụ quan trọng đều được lắp đặt máy phát điện dự phòng
Các máy phát điện cỡ nhỏ hoặc cỡ trung đặc biệt phổ biến ở các nước trong thế giới thứ ba, nơi nguồn điện lưới không tin cậy Các máy phát điện đặt trên rơ moóc có thể được kéo đến những vị trí thiên tai khi nguồn điện lưới bị gián đoạn
Máy phát điện cũng có thể được vận hành bằng sức người để tạo ra nguồn điện tức thời trong lĩnh vực thông tin liên lạc
2.3 Máy phát điện động cơ nổ- công suất trung bình
Máy phát điện - động cơ nổ công suất trung bình như hình vẽ dưới đây là một bộ máy có công suất 100 kVA cấp điện áp 415 V với dòng điện khoảng 110
A per phase Nó được kéo bằng một máy Perkins Phaser, sê ri 1000 dung tích
Trang 7xy lanh 6,7l có hệ thống nạp gió kiểu turbo Máy này tiêu thụ khoảng 27l nhiên liệu mỗi giờ, có bồn chứa 400 l Các máy phát điện tĩnh có thể được thiết kế đến hàng nghìn kW và thường quay ở tốc độ 1500 vòng/phút với tần số 50 Hz, và
1800 vòng/phút với tần số 60 Hz Các bộ máy sử dụng động cơ diesel ở công suất tối ưu có thể phát được khoảng 3 kWh với mỗi kG nhiên liệu, và có thể có hiệu suất thấp hơn khi làm việc ở các tải khác
2.4 Máy phát điện tua bin nước
Thông thường, các tua bin nước có tốc độ thấp Vì thế các máy phát điện kéo bằng tua bin nước cũng có tốc độ rất thấp Các máy này thường có nhiều đôi cực, trục ngắn, đường kính lớn, chế tạo theo kiểu cực lồi Tùy theo thể loại,
và tùy theo tốc độ của tua bin nước, các máy này có thể được đặt đứng hay nằm ngang
Đối với những máy phát điện nhỏ, có đường kính ngoài nhỏ hơn 1 m, mạch từ của stator chỉ là một khối hình xuyến làm bằng các lớp lá thép kỹ thuật điện có sơn cách điện ghép lại Đối với các máy có đường kính lớn hơn 1 m, thường phải làm từ nhiều khối dạng vòng cung
Rotor của máy phát điện thường làm bằng nhiều khối thép rèn ghép lại với nhau thành nhiều cực từ Trên mỗi cực từ có các cuộn dây kích thích quấn tập trung
2.5 Máy phát điện tua bin hơi và tua bin khí
Máy phát điện kéo bằng Tua bin hơi nước
Trang 8Các tua bin hơi và tua bin khí có tốc độ cao hơn tua bin nước Các máy phát điện tua bin hơi hoặc tua bin khí thường được chế tạo với tốc độ cao nhất (3000 vòng/phút đối với máy có tần số 50 Hz, và 3600 vòng/ phút đối với máy
60 Hz) Hầu hết các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí là loại trục nằm ngang, chế tạo theo kiểu cực ẩn Loại này có rotor dài hơn nhiều
so với đường kính
Stator của máy cũng giống như máy phát cực lồi Thông thường với đa số các máy có đường kính lớn hơn 1 m, lõi thép stator được chế tạo thành nhiều cung, bằng thép silicon cao cấp, có tính định hướng, phủ chất cách điện để giảm thiểu tổn thất điện năng Người ta thường không ghép thành một khối như các máy điện cỡ nhỏ, mà làm thành nhiều lớp, có khe hở ở giữa để thông gió làm mát
Các đầu dây Stator của một máy phát điện sau khi tháo nắp máy phát
Cuộn dây stator được làm từ các thanh dẫn đồng xếp nằm trong các rãnh, hai đầu nối lại với nhau thành các vòng dây Các thanh dẫn thường không phải
là thanh đặc nguyên khối, mà được làm từ các dây dẹp quấn bện theo kiểu Roebel, sao cho mỗi thanh nhỏ trong bó đều có một chiều dài bằng nhau, dù có phải uốn lượn theo nhiều hướng khác nhau Các dây nối ra ngoài và dây nối giữa các pha, các vòng dây với nhau được cố định chắc chắn hai đầu bằng các vật liệu cách điện có độ bền điện và độ bền cơ học cao
Điện áp ra của stator thường nằm trong khoảng vài kV đến 14,4 kV Muốn truyền đi xa hơn, người ta thường phải dùng một máy biến áp tăng áp Để
Trang 9lấy điện đưa xuống sử dụng cho các thiết bị điện phụ vụ cho tổ máy vận hành, người ta dùng một máy biến áp hạ áp, trong trường hợp này gọi là máy biến áp
là dòng kích thích
Thông thường, hai đầu của rotor đều có lắp đặt cánh quạt để thổi chất khí
đi vào theo các dường dẫn đặt sẵn, để làm mát máy Chất khí đó có thể là không khí tự nhiên, thông với môi trường bên ngoài, hoặc khí hydrogen, tuần hoàn kín Trong trường hợp tuần hoàn kín, có thể phải lắp đặt thêm một số bộ trao đổi nhiệt, để làm mát chất khí đó bằng nước
Các máy phát điện tua bin hơi và máy phát điện tua bin khí có thể chế tạo
từ một vài MW đến 700 MW
Trang 10II.Ứng dụng của máy phát điện hiện nay
1.Trong nhà máy thủy điện
1.1.Khái niệm về nhà máy thủy điện
Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước Đa số năng lượng
thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay
một tuốc bin nướcvà máy phát điện Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng
lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước
như năng lượng thuỷ triều Thuỷ điện là nguồn năng lượng có thể hồi phục
Năng lượng lấy được từ nước phụ thuộc không chỉ vào thể tích mà cả vào sự
khác biệt về độ cao giữa nguồn và dòng chảy ra Sự khác biệt về độ cao được
gọi là áp suất Lượng năng lượng tiềm tàng trong nước tỷ lệ với áp suất Để có
được áp suất cao nhất, nước cung cấp cho một turbine nước có thể được cho
chảy qua một ống lớn gọi là ống dẫn nước có áp (penstock).
1.2.Ưu điểm của nhà máy thủy điện
Những ngôi nhà đã bị ngập chìm từ năm 1955, tái xuất hiện sau một thời gian
dài khô hạn
Trang 11Hồ chứa nước thuỷ điện Vianden,Luxembourg (tháp)
Lợi ích lớn nhất của thuỷ điện là hạn chế được giá thành nhiên liệu Các
nhà máy thuỷ điện không phải chịu cảnh tăng giá của nhiên liệu hóa
thạch như dầu mỏ,khí thiên nhiên hay than đá, và không cần phải nhập nhiên
liệu Các nhà máy thuỷ điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện,
một số nhà máy thuỷ điện đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến
100 năm trước Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự
động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường
Các nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng bơm hiện là công cụ đáng chú ý
nhất để tích trữ năng lượng về tính hữu dụng, cho phép phát điện ở mức thấp
vào giờ thấp điểm (điều này xảy ra bởi vì các nhà máy nhiệt điện không thể
dừng lại hoàn toàn hàng ngày) để tích nước sau đó cho chảy ra để phát điện vào
giờ cao điểm hàng ngày Việc vận hành cách nhà máy thuỷ điện hồ chứa bằng
bơm cải thiện hệ số tải điện của hệ thống phát điện
Những hồ chứa được xây dựng cùng với các nhà máy thuỷ điện thường là
những địa điểm thư giãn tuyệt vời cho các môn thể thao nước, và trở thành điểm
thu hút khách du lịch Các đập đa chức năng được xây dựng để tưới tiêu, kiểm
soát lũ, hay giải trí, có thể xây thêm một nhà máy thuỷ điện với giá thành thấp,
tạo nguồn thu hữu ích trong việc điều hành đập
Trang 121.3.Nhược điểm của nhà máy thủy điện
Một biển cảnh báo những người bơi thuyền tại Đập O'Shaughnessy
Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ thỉnh thoảng khá phức tạp bởi vì
yêu cầu tưới tiêu có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu điện lên mức
cao nhất Những thời điểm hạn hán có thể gây ra các vấn đề rắc rối, bởi vì mức
bổ sung nước không thể tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng Nếu yêu cầu về mức
nước bổ sung tối thiểu không đủ, có thể gây ra giảm hiệu suất và việc lắp đặt
một turbine nhỏ cho dòng chảy đó là không kinh tế
Những nhà môi trường đã bày tỏ lo ngại rằng các dự án nhà máy thuỷ
điện lớn có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh Trên thực tế,
các nghiên cứu đã cho thấy rằng các đập nước dọc theo bờ biểnĐại Tây
Dương và Thái Bình Dương của Bắc Mỹ đã làm giảm lượng cá hồi vì chúng
ngăn cản đường bơi ngược dòng của cá hồi để đẻ trứng, thậm chí ngay khi đa số
các đập đó đã lắp đặt thang lên cho cá Cá hồi non cũng bị ngăn cản khi chúng
bơi ra biển bởi vì chúng phải chui qua các turbine Điều này dẫn tới việc một số
vùng phải chuyển cá hồi con xuôi dòng ở một số khoảng thời gian trong năm
Các thiết kế turbine và các nhà máy thuỷ điện có lợi cho sự cân bằng sinh
thái vẫn còn đang được nghiên cứu
Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường
của dòng sông bên dưới Thứ nhất, nước sau khi ra khỏi turbine thường chứa rất
ít cặn lơ lửng, có thể gây ra tình trạng xối sạch lòng sông và làm sạt lở bờ sông
Thứ hai, vì các turbine thường mở không liên tục, có thể quan sát thấy sự thay
đổi nhanh chóng và bất thường của dòng chảy Tại Grand Canyon, sự biến đổi
dòng chảy theo chu kỳ của nó bị cho là nguyên nhân gây nên tình trạng xói
mòn cồn cát ngầm Lượng oxy hoà tan trong nước có thể thay đổi so với trước
đó Cuối cùng, nước chảy ra từ turbine lạnh hơn nước trước khi chảy vào đập,
điều này có thể làm thay đổi số lượng cân bằng của hệ động vật, gồm cả việc
gây hại tới một số loài Các hồ chứa của các nhà máy thuỷ điện ở các vùng nhiệt
đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon dioxide Điều này
Trang 13bởi vì các xác thực vật mới bị lũ quét và các vùng tái bị lũ bị tràn ngập nước,
mục nát trong một môi trường kỵ khí và tạo thành methane, một khí gây hiệu
ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí quyển khí nước được xả từ đập để
làm quay turbine Theo bản báo cáo của Uỷ ban Đập nước Thế giới (WCD), ở
nơi nào đập nước lớn so với công suất phát điện (ít hơn 100 watt trên mỗi
km2 diện tích bề mặt) và không có việc phá rừng trong vùng được tiến hành
trước khi thi công đập nước, khí gas gây hiệu ứng nhà kính phát ra từ đập có thể
cao hơn những nhà máy nhiệt điện thông thường Ở các hồ chứa phương
bắc Canada và Bắc Âu, sự phát sinh khí nhà kính tiêu biểu chỉ là 2 đến 8% so
với bất kỳ một nhà máy nhiệt điện nào
Một cái hại nữa của các đập thuỷ điện là việc tái định cư dân chúng sống
trong vùng hồ chứa Trong nhiều trường hợp không một khoản bồi thường nào
có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hoá gắn liền với địa điểm
đó vì chúng có giá trị tinh thần đối với họ Hơn nữa, về mặt lịch sử và văn hoá
các địa điểm quan trọng có thể bị biến mất, như dự án Đập Tam Hiệp ở Trung
Quốc, đập Clyde ở New Zealand và đập Ilisu ở đông nam Thổ Nhĩ Kỳ
Một số dự án thuỷ điện cũng sử dụng các kênh, thường để đổi hướng
dòng sông tới độ dốc nhỏ hơn nhằm tăng áp suất có được Trong một số trường
hợp, toàn bộ dòng sông có thể bị đổi hướng để trơ lại lòng sông cạn Những ví
dụ như vậy có thể thấy tại Sông Tekapo và Sông Pukaki
Những người tới giải trí tại các hồ chứa nước hay vùng xả nước của nhà
máy thuỷ điện có nguy cơ gặp nguy hiểm do sự thay đổi mực nước, và cần thận
trọng với hoạt động nhận nước và điều khiển đập tràn của nhà máy
Việc xây đập tại vị trí địa lý không hợp lý có thể gây ra những thảm hoạ
như vụ Đập Vajont tại Ý, gây ra cái chết của 2001 người năm 1963
1.4.Tầm quan trọng của nhà máy thủy điện
Thuỷ điện, sử dụng động lực hay năng lượng dòng chảy của các con sông
hiện nay chiếm 20% lượng điện của thế giới Na Uy sản xuất toàn bộ lượng điện
của mình bằng sức nước, trong khi Iceland sản xuất tới 83% nhu cầu của họ
(2004), Áo sản xuất 67% số điện quốc gia bằng sức nước (hơn 70% nhu cầu của
họ) Canada là nước sản xuất điện từ năng lượng nước lớn nhất thế giới và
lượng điện này chiếm hơn 70% tổng lượng sản xuất của họ
Ngoài một số nước có nhiều tiềm năng thuỷ điện, năng lực nước cũng
thường được dùng để đáp ứng cho giờ cao điểm bởi vì có thể tích trữ nó vào giờ
thấp điểm (trên thực tế các hồ chứa thuỷ điện bằng bơm – pumped-storage