Bài học

Sơ đồ chuyển hoá năng lượng của các nguồn tái tạo

Mục tiêu bài học

Sau bài học này, em mô tả và so sánh được sơ đồ chuyển hoá năng lượng của bốn nguồn tái tạo đã học (mặt trời, gió, nước, sinh khối), chỉ ra được nguồn nào đi qua bước cơ học trung gian và nguồn nào không, và tính được công suất điện qua một chuỗi nhiều bước chuyển hoá kèm hiệu suất.

Kiến thức nền cần nhớ

Ba chương trước, mỗi bài đều có riêng một sơ đồ chuyển hoá: pin quang điện đi thẳng từ quang năng sang điện năng; tua-bin gió và thuỷ điện đều qua một bước cơ học (quay tua-bin) rồi mới tới cảm ứng điện từ; biogas đi từ hoá năng sang nhiệt năng, có thể dừng lại ở đó hoặc tiếp tục sang điện năng. Bài này đặt cả bốn chuỗi đó cạnh nhau để so sánh, dựa trên định luật bảo toàn năng lượng đã học: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, chỉ chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác, và mỗi bước chuyển hoá đều hao phí một phần thành nhiệt năng.

Khởi động

Bốn nguồn năng lượng tái tạo đã học đều tạo ra điện để hoà vào cùng một lưới điện quốc gia. Nhưng đường đi năng lượng của chúng, từ dạng ban đầu tới dòng điện cuối cùng, có giống nhau không?

Kiến thức trọng tâm

So sánh bốn chuỗi chuyển hoá đã học: mặt trời (pin quang điện) đi thẳng từ quang năng sang điện năng, không qua giai đoạn cơ học nào. Gió đi từ động năng của không khí, sang động năng quay cơ học của tua-bin, rồi mới tới điện năng qua cảm ứng điện từ. Nước (thuỷ điện) đi từ thế năng, sang động năng dòng chảy, sang động năng quay cơ học của tua-bin, rồi mới tới điện năng — nhiều bước hơn cả gió. Sinh khối/biogas đi từ hoá năng sang nhiệt năng khi đốt cháy, và nếu tiếp tục chạy máy phát thì mới sang điện năng qua một bước cơ học nữa.

Điểm mấu chốt cần nhớ: pin quang điện là trường hợp duy nhất trong bốn nguồn không qua bước cơ học trung gian; ba nguồn còn lại đều phải qua một tua-bin quay và một máy phát điện dựa trên cảm ứng điện từ. Mỗi bước chuyển hoá — dù là cơ học, nhiệt, hay điện — đều có một phần năng lượng hao phí thành nhiệt năng do ma sát hoặc điện trở, nên chuỗi càng nhiều bước trung gian thì hiệu suất tổng thể thường càng thấp hơn, dù mỗi bước riêng lẻ có thể đạt hiệu suất khá cao.

So sánh bốn chuỗi chuyển hoá đã học: **mặt trời** (pin quang điện) đi thẳng từ quang năng sang điện năng, không qua giai đoạn cơ học nào. **Gió** đi từ động năng của không khí, sang động năng quay cơ học của tua-bin, rồi mới tới điện năng qua cảm ứng điện từ. **Nước** (thuỷ điện) đi từ thế năng, sang động năng dòng chảy, sang động năng quay cơ học của tua-bin, rồi mới tới điện năng — nhiều bước hơn cả gió. **Sinh khối/biogas** đi từ hoá năng sang nhiệt năng khi đốt cháy, và nếu tiếp tục chạy máy phát thì mới sang điện năng qua một bước cơ học nữa. Điểm mấu chốt cần nhớ: pin quang điện là trường hợp **duy nhất** trong bốn nguồn không qua bước cơ học trung gian; ba nguồn còn lại đều phải qua một tua-bin quay và một máy phát điện dựa trên cảm ứng điện từ. Mỗi bước chuyển hoá — dù là cơ học, nhiệt, hay điện — đều có một phần năng lượng hao phí thành nhiệt năng do ma sát hoặc điện trở, nên chuỗi càng nhiều bước trung gian thì hiệu suất tổng thể thường càng thấp hơn, dù mỗi bước riêng lẻ có thể đạt hiệu suất khá cao.

Số liệu minh hoạ mang tính đại diện, có thể thay đổi theo công nghệ cụ thể; thuỷ điện có hiệu suất cao nhất vì ít bước trung gian và ít hao phí do ma sát trong môi trường lỏng.

Ví dụ

Tính công suất điện qua một chuỗi hai bước chuyển hoá

1
Một tua-bin gió nhận công suất động năng của gió là 500kW ở đầu vào. Biết hiệu suất tua-bin cơ học (biến động năng gió thành động năng quay) là 40%, và hiệu suất máy phát điện (biến động năng quay thành điện năng) là 90%. Tính công suất điện đầu ra qua hai giai đoạn chuyển hoá.
2
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 1: $P_{cơ} = 500 \times 40\% = 200\,\text{kW}$ . (1)
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 1: $P_{cơ} = 500 \times 40\% = 200\,\text{kW}$. (1)
3
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 2 trên kết quả (1): $P_{điện} = 200 \times 90\% = 180\,\text{kW}$ . (2)
Áp dụng hiệu suất giai đoạn 2 trên kết quả (1): $P_{điện} = 200 \times 90\% = 180\,\text{kW}$. (2)
4
Từ (2), hiệu suất toàn phần so với động năng gió ban đầu: $\dfrac{180}{500} \times 100\% = 36\%$ .
Từ (2), hiệu suất toàn phần so với động năng gió ban đầu: $\dfrac{180}{500} \times 100\% = 36\%$.
5
Vậy công suất điện thực tế đầu ra là 180kW, ứng với hiệu suất toàn chuỗi 36% — minh hoạ rằng mỗi giai đoạn chuyển hoá đều hao phí một phần năng lượng, nên hiệu suất toàn chuỗi luôn thấp hơn hiệu suất của từng giai đoạn riêng lẻ.

Ví dụ

Bài toán dạng thi: công suất pin quang điện qua một bước chuyển hoá duy nhất

1
Một tấm pin quang điện diện tích 2m² nhận công suất ánh sáng chiếu tới 1000W/m², hiệu suất chuyển hoá của pin là 20%. a) Tính công suất ánh sáng chiếu tới toàn bộ tấm pin. b) Tính công suất điện tấm pin tạo ra. c) So sánh số bước chuyển hoá của pin quang điện với chuỗi hai bước của tua-bin gió ở ví dụ trên.
2
$P_{sáng} = 1000\,\text{W/m}^2 \times 2\,\text{m}^2 = 2000\,\text{W} = 2\,\text{kW}$ . (1)
$P_{sáng} = 1000\,\text{W/m}^2 \times 2\,\text{m}^2 = 2000\,\text{W} = 2\,\text{kW}$. (1)
3
Áp dụng hiệu suất pin: $P_{điện} = 2 \times 20\% = 0{,}4\,\text{kW} = 400\,\text{W}$ . (2)
Áp dụng hiệu suất pin: $P_{điện} = 2 \times 20\% = 0{,}4\,\text{kW} = 400\,\text{W}$. (2)
4
Pin quang điện chỉ có một bước chuyển hoá duy nhất (quang năng sang điện năng), trong khi tua-bin gió có hai bước (động năng gió sang động năng quay, rồi sang điện năng). (3)
5
Từ (1), (2), (3): dù hiệu suất một bước của pin quang điện (20%) thấp hơn hiệu suất mỗi bước riêng lẻ của tua-bin gió, việc chỉ có một bước chuyển hoá là một lợi thế về mặt cấu trúc, không phải tất cả về hiệu suất tổng thể đều do công nghệ pin kém hơn.

Sai lầm thường gặp

Nghĩ rằng nguồn có hiệu suất chuyển hoá cao hơn luôn luôn "tốt hơn" tuyệt đối, quên mất các yếu tố khác như điều kiện tự nhiên của địa phương, chi phí đầu tư ban đầu, và diện tích đất/mặt biển cần dùng — những yếu tố này sẽ được bàn kỹ ở bài sau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Pin quang điện là nguồn tái tạo duy nhất không qua bước cơ học trung gian; gió, nước và biogas (khi phát điện) đều qua tua-bin quay và cảm ứng điện từ. Hiệu suất toàn chuỗi bằng tích các hiệu suất từng bước, và luôn nhỏ hơn hiệu suất của bước cao nhất trong chuỗi, đúng theo định luật bảo toàn năng lượng.

Cầu nối

Biết cách so sánh hiệu suất chuyển hoá là một nửa câu chuyện. Bài sau đặt câu hỏi rộng hơn: xét cả lợi ích môi trường, chi phí và điều kiện thực tế, năng lượng tái tạo có thực sự tốt hơn năng lượng hoá thạch ở mọi mặt hay không?