NGUỒN THỦY LỰC: ĐẶC ĐIỂM, CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG, ƯU ĐIỂM, CÁCH SỬ DỤNG - MÔI TRƯỜNG - 2025

Công suất thủy lực là khả năng nước tạo ra công dưới dạng chuyển động, ánh sáng và nhiệt dựa trên thế năng và động năng của chúng. Nó cũng được coi là một loại năng lượng tái tạo sạch, hiệu suất cao.

Năng lượng này được xác định bởi dòng chảy, sự không đồng đều giữa các điểm trên mặt đất mà nước chuyển động và lực hấp dẫn. Nó đã được con người sử dụng từ thời cổ đại để thực hiện các công việc khác nhau.

Đập Itaipú (Brazil và Paraguay). Nguồn: Angelo Leithold

Một trong những ứng dụng đầu tiên của năng lượng thủy lực là cung cấp năng lượng cho các nhà máy nước tận dụng sức mạnh của dòng điện. Bằng cách này, bằng các bánh răng, các cối xay có thể được di chuyển để đập lúa mì.

Hiện tại, ứng dụng thích hợp nhất của nó là tạo ra năng lượng điện thông qua các nhà máy thủy lực hoặc nhà máy thủy điện. Các nhà máy này về cơ bản bao gồm một con đập và một hệ thống tuabin và máy phát điện.

Nước tích tụ trong đập giữa hai cấp độ của kênh (không đồng đều về mặt trắc địa), tạo ra thế năng hấp dẫn. Sau đó, dòng nước (động năng) kích hoạt các tua-bin truyền năng lượng cho máy phát điện để tạo ra năng lượng điện.

Trong số những lợi thế của năng lượng thủy lực là nó có thể tái tạo và không gây ô nhiễm, không giống như các nguồn năng lượng khác. Mặt khác, nó cho hiệu quả cao với năng suất dao động từ 90 - 95%.

Tác động môi trường của các nhà máy thủy điện gắn liền với sự thay đổi nhiệt độ và sự thay đổi vật lý của dòng nước. Tương tự như vậy, dầu và mỡ thải được tạo ra được lọc từ máy móc.

Nhược điểm chính của nó là sự thay đổi vật lý mà nó gây ra do lũ lụt trên nhiều vùng đất và dòng chảy tự nhiên và dòng chảy của các con sông bị thay đổi.

Nhà máy thủy điện lớn nhất trên thế giới là Tam Hiệp, nằm ở Trung Quốc, trên sông Dương Tử. Hai điểm quan trọng khác là Itaipú ở biên giới giữa Brazil và Paraguay và nhà máy thủy điện Simón Bolívar hoặc Guri ở Venezuela.

nét đặc trưng

Nguồn năng lượng thủy lực là nước và nó được coi là năng lượng tái tạo miễn là vòng tuần hoàn của nước không bị thay đổi. Tương tự như vậy, nó có thể tạo ra công việc mà không tạo ra chất thải rắn hoặc khí gây ô nhiễm và do đó được coi là năng lượng sạch.

hiệu suất

Hiệu quả năng lượng đề cập đến mối quan hệ giữa lượng năng lượng thu được trong một quá trình và năng lượng cần thiết để đầu tư vào nó. Trong trường hợp năng lượng thủy lực, hiệu suất đạt được từ 90 đến 95% tùy thuộc vào tốc độ của nước và hệ thống tuabin được sử dụng.

Thủy điện hoạt động như thế nào?

Sơ đồ nhà máy thuỷ điện. Nguồn: Người dùng: Tomia

Biến đổi quang năng thành động năng

Nền tảng của năng lượng thủy lực là năng lượng mặt trời, địa hình của đất và lực hấp dẫn của trái đất. Trong chu trình nước, năng lượng mặt trời gây ra sự bay hơi và sau đó nước ngưng tụ và kết tủa trên trái đất.

Do mặt đất không bằng phẳng và lực hấp dẫn, các dòng nước bề mặt xuất hiện trên bề mặt trái đất. Theo cách này, năng lượng mặt trời được biến đổi thành động năng do chuyển động của nước bằng tác động kết hợp của lực không đồng đều và trọng lực.

Sau này động năng của nước có thể chuyển hóa thành cơ năng có khả năng sinh công. Ví dụ, các cánh có thể được di chuyển để truyền chuyển động đến một hệ thống bánh răng có thể vận hành các thiết bị khác nhau.

Độ lớn của năng lượng thủy lực được cho bởi sự không đồng đều giữa hai điểm đã cho của lòng sông và dòng chảy của nó. Đất càng không bằng phẳng thì thế năng và động năng của nước cũng như khả năng sinh công của nước càng lớn.

Theo nghĩa này, thế năng là năng lượng tích tụ trong một vùng nước và có liên quan đến độ cao của nó so với mặt đất. Mặt khác, động năng là năng lượng mà nước giải phóng trong chuyển động rơi của nó như một hàm của địa hình và trọng lực.

Sản xuất điện từ thủy điện (Thủy điện)

Động năng do nước rơi xuống có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng điện. Điều này đạt được bằng cách xây dựng các con đập nơi nước tích tụ và được giữ ở các mức độ cao khác nhau.

Như vậy, thế năng của nước tỷ lệ thuận với sự chênh lệch mức độ giữa điểm này và điểm khác và khi nước rơi xuống thì nó được chuyển hóa thành động năng. Sau đó, nước đi qua một hệ thống các cánh quạt quay và tạo ra động năng quay.

Chuyển động quay cho phép các hệ thống bánh răng chuyển động có thể kích hoạt các hệ thống cơ khí như cối xay, bánh xe hoặc máy phát điện. Trong trường hợp cụ thể của sản xuất điện thủy điện, hệ thống yêu cầu hệ thống tuabin và máy phát điện để tạo ra điện.

Tua bin

Tuabin bao gồm một trục nằm ngang hoặc trục thẳng đứng với hệ thống các cánh quạt làm quay trục nhờ lực của nước.

Có ba loại tua bin thủy lực cơ bản:

Tuabin Pelton

Tua bin Pelton. Nguồn: Robertk9410

Nó là một tuabin xung áp suất cao có trục nằm ngang hoạt động mà không bị ngập hoàn toàn. Bánh công tác có một loạt các cánh lõm (lưỡi hoặc răng) được dẫn động bởi các tia nước.

Càng nhiều tia nước đập vào tuabin, nó sẽ tạo ra càng nhiều công suất. Loại tuabin này được sử dụng cho các thác nước cao từ 25 đến 200 mét và đạt hiệu suất lên đến 90%.

Tuabin Francis

Tuabin Francis. Nguồn: Người tải lên ban đầu là Stahlkocher tại Wikipedia tiếng Đức.

Nó là một tuabin phản ứng trung áp có trục thẳng đứng và hoạt động chìm hoàn toàn trong nước. Cánh quạt được cấu tạo bởi các cánh quạt được dẫn động bằng nước dẫn qua bộ phân phối.

Nó có thể được sử dụng trong các thác nước cao từ 20 đến 200 mét và đạt hiệu suất 90%. Đây là loại tuabin được sử dụng thường xuyên nhất trong các nhà máy thủy điện lớn trên thế giới.

Tuabin Kaplan

Tua bin Kaplan. Nguồn: TheRunnerUp

Nó là một biến thể của tuabin Francis và cũng giống như tuabin này, nó có một trục thẳng đứng, nhưng cánh quạt được tạo thành từ một loạt các cánh có thể điều chỉnh. Nó là phản ứng áp suất cao và hoạt động hoàn toàn chìm trong nước.

Tuabin Kaplan được sử dụng trong các thác nước cao từ 5 đến 20 mét và hiệu suất của nó có thể đạt tới 95%.

Máy phát điện

Máy phát điện xoay chiều là thiết bị có khả năng biến đổi cơ năng thành điện năng thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ. Do đó, các cực từ (cuộn cảm) được quay trong một cuộn dây với các cực của vật liệu dẫn điện xen kẽ (ví dụ đồng quấn trong sắt mềm).

Hoạt động của nó dựa trên thực tế là một vật dẫn chịu tác động của từ trường biến thiên trong một thời gian nhất định, tạo ra điện áp.

Lợi thế

Nguồn thủy lực được sử dụng rộng rãi vì nó có nhiều mặt tích cực. Trong số này, chúng ta có thể làm nổi bật:

Đó là kinh tế

Mặc dù đối với các nhà máy thủy điện, vốn đầu tư ban đầu cao, nhưng xét về lâu dài thì đó là năng lượng rẻ. Điều này là do tính ổn định và chi phí bảo trì thấp.

Ngoài ra, phải bổ sung thêm phần bù kinh tế do các hồ chứa có khả năng nuôi trồng thủy sản, thể thao dưới nước và du lịch.

Nó có thể tái tạo

Vì nó dựa trên chu trình nước, nó là một nguồn năng lượng tái tạo và liên tục. Điều này ngụ ý rằng nó không cạn kiệt trong thời gian không giống như năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch.

Tuy nhiên, tính liên tục của nó phụ thuộc vào chu trình nước không bị thay đổi trong một khu vực nhất định hoặc trên toàn cầu.

Hiệu suất cao

Năng lượng thủy lực được coi là rất hiệu quả và có hiệu suất cao từ 90 đến 95%.

Nó không gây ô nhiễm

Loại năng lượng này sử dụng nguồn tự nhiên như nước và cũng không tạo ra chất thải hoặc khí gây ô nhiễm. Do đó, tác động của nó đối với môi trường là thấp và nó được coi là một dạng năng lượng sạch.

Sự hiện diện của các hồ chứa

Trong trường hợp các hồ chứa được xây dựng để sử dụng năng lượng thủy điện, những lợi ích này mang lại một loạt lợi ích bổ sung:

- Chúng cho phép điều tiết dòng chảy của sông và tránh lũ lụt.
- Chúng đại diện cho một hồ chứa nước cho con người, tưới tiêu và sử dụng công nghiệp.
- Chúng có thể được sử dụng làm khu giải trí và luyện tập các môn thể thao dưới nước.

Nhược điểm

Sự phụ thuộc vào lượng mưa

Một hạn chế của sản xuất điện thủy điện là phụ thuộc vào chế độ mưa. Do đó, trong những năm đặc biệt khô hạn, nguồn cung cấp nước có thể giảm mạnh và mực nước hồ chứa bị hạ thấp.

Khi lưu lượng nước giảm, năng lượng điện tạo ra thấp hơn. Theo cách đó, tại các khu vực phụ thuộc nhiều vào nguồn cung năng lượng thủy điện có thể xảy ra các vấn đề.

Sự thay đổi dòng chảy tự nhiên của sông

Việc xây dựng một con đập trên một con sông làm thay đổi dòng chảy tự nhiên, chế độ lũ của nó, làm cạn kiệt (giảm dòng chảy) và quá trình kéo phù sa. Do đó, những thay đổi xảy ra trong sinh học của thực vật và động vật sống dưới nước hoặc nằm trong vùng lân cận của vùng nước.

Mặt khác, việc giữ lại trầm tích trong đập làm thay đổi sự hình thành các châu thổ ở cửa sông và làm thay đổi điều kiện đất.

Nguy cơ vỡ đập

Do lượng nước tích trữ ở một số đập thủy điện lớn, việc thủng tường chắn hoặc các mái dốc gần đó có thể gây ra tai nạn nghiêm trọng. Ví dụ, trong năm 1963, sự cố vỡ dốc của đập Vajont (hiện không được sử dụng) ở Ý đã xảy ra, khiến 2.000 người chết.

Các ứng dụng

Bánh xe đu quay và máy bơm nước

Chuyển động quay của bánh xe do động năng của nước cho phép hút nước từ giếng hoặc kênh nông vào kênh hoặc bể chứa trên cao. Tương tự như vậy, năng lượng cơ học do bánh xe tạo ra có thể dẫn động một máy bơm thủy lực.

Mô hình đơn giản nhất bao gồm một bánh xe có các cánh với các bát thu nước cùng lúc khi chúng được chuyển động bởi dòng điện. Sau đó, trong vòng quay của họ, họ thả nước vào bể hoặc kênh.

Mills

Trong hơn 2000 năm, người Hy Lạp và La Mã đã sử dụng năng lượng thủy lực để di chuyển các nhà máy xay ngũ cốc. Sự quay của bánh xe được dẫn động bởi dòng nước sẽ kích hoạt các bánh răng làm quay cối xay.

Rèn

Một ứng dụng cổ xưa khác của khả năng làm việc dựa trên năng lượng thủy lực là việc sử dụng nó để kích hoạt ống thổi rèn trong công việc rèn và luyện kim.

Gãy thủy lực

Trong khai thác mỏ và dầu mỏ, động năng của nước được sử dụng để làm xói mòn đá, làm đứt gãy đá và tạo điều kiện khai thác các loại khoáng chất khác nhau. Đối với điều này, vòi rồng áp suất khổng lồ được sử dụng để bắn vào nền cho đến khi nó ăn mòn nó.

Đây là một kỹ thuật phá hủy đất và gây ô nhiễm môi trường nước.

Fracking

Một kỹ thuật gây tranh cãi đang tạo đà trong ngành công nghiệp dầu mỏ là fracking. Nó bao gồm việc tăng độ xốp của đá gốc chứa dầu và khí để tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ nó.

Điều này đạt được bằng cách bơm một lượng lớn nước và cát ở áp suất cao cùng với một loạt các chất phụ gia hóa học. Kỹ thuật này đã bị nghi ngờ vì tiêu thụ nhiều nước, gây ô nhiễm đất và nước và gây ra những thay đổi địa chất.

Nhà máy thuỷ điện

Việc sử dụng hiện đại phổ biến nhất là để chạy các nhà máy phát điện, được gọi là nhà máy thủy điện hoặc nhà máy thủy điện.

Ví dụ về nhà máy thủy điện

Tam Hiệp

Đập Tam Hiệp (Trung Quốc). Nguồn: Le Grand Portage Tác phẩm sáng tạo: Rehman

Nhà máy thủy điện Tam Hiệp nằm ở tỉnh Hồ Bắc của Trung Quốc trên dòng sông Dương Tử. Việc xây dựng đập này bắt đầu vào năm 1994 và hoàn thành vào năm 2010, đạt diện tích ngập nước là 1.045 km² và công suất lắp đặt là 22.500 MW (megawatt).

Nhà máy bao gồm 34 tuabin Francis (32 công suất 700 MW và hai tuabin công suất 50 MW) với sản lượng điện hàng năm là 80,8 GWh. Đây là nhà máy thủy điện lớn nhất thế giới về cấu trúc và công suất lắp đặt.

Đập Tam Hiệp đã quản lý để kiểm soát lũ lụt định kỳ của con sông đến gây thiệt hại nghiêm trọng cho người dân. Nó cũng đảm bảo cung cấp điện cho khu vực.

Tuy nhiên, việc xây dựng nó đã gây ra một số hậu quả tiêu cực như việc di dời của khoảng 2 triệu người. Ngoài ra, nó đã góp phần vào sự tuyệt chủng của loài cá heo sông Trung Quốc cực kỳ nguy cấp (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Đập Itaipu. Nguồn: Herr stahlhoefer

Nhà máy thủy điện Itaipú nằm trên biên giới giữa Brazil và Paraguay trên dòng sông Paraná. Việc xây dựng nó bắt đầu vào năm 1970 và kết thúc trong ba giai đoạn vào các năm 1984, 1991 và 2003.

Diện tích ngập của đập là 1.350 km² và có công suất lắp đặt là 14.000 MW. Nhà máy bao gồm 20 tuabin Francis, mỗi tuabin 700 MW và có sản lượng điện hàng năm là 94,7 GWh.

Itaipu được coi là nhà máy thủy điện lớn nhất thế giới về sản xuất năng lượng. Nó đóng góp 16% năng lượng điện được tiêu thụ ở Brazil và 76% ở Paraguay.

Về những tác động tiêu cực của nó, con đập này đã ảnh hưởng đến hệ sinh thái của các hòn đảo và vùng đồng bằng sông Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

Nhà máy thủy điện Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Nguồn: Warairarepano & Guaicaipuro

Nhà máy thủy điện Simón Bolívar, còn được gọi là đập Guri, nằm ở Venezuela trên dòng chảy của sông Caroní. Việc xây dựng đập bắt đầu vào năm 1957, giai đoạn đầu hoàn thành vào năm 1978, và hoàn thành vào năm 1986.

Đập Guri có diện tích bị ngập là 4.250 km² và công suất lắp đặt là 10.200 MW. Nhà máy của nó bao gồm 21 tuabin Francis (10 công suất 730 MW, 4 công suất 180 MW, 3 công suất 400 MW, 3 tuabin 225 MW và một tuabin 340 MW)

Sản lượng hàng năm là 46 GWh và nó được coi là nhà máy thủy điện lớn thứ ba trên thế giới về cấu trúc và công suất lắp đặt. Nhà máy thủy điện này cung cấp 80% năng lượng điện mà Venezuela tiêu thụ và một phần được bán cho Brazil.

Trong quá trình xây dựng nhà máy thủy điện này, nhiều khu vực lớn của hệ sinh thái ở Guiana thuộc Venezuela đã bị ngập lụt, một khu vực có đa dạng sinh học cao.

Ngày nay, do cuộc khủng hoảng kinh tế sâu sắc ở Venezuela, năng lực sản xuất của nhà máy này đã bị suy giảm đáng kể.

Người giới thiệu

1.- Hadzich M (2013). Năng lượng thủy lực, Chương 7. Khóa đào tạo kỹ thuật PUCP Group. Công nghệ cho nhà ở và khách sạn sinh thái. Giáo hoàng Đại học Công giáo Peru.
2.- Raabe J (1985). Năng lượng Hidro. Việc thiết kế, sử dụng và chức năng của thiết bị thủy lực, thủy lực và điện. Đức: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Chương 6: Các khái niệm cơ bản về nhà máy thủy điện. Https://www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidro Electricalas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Dias HO và Rodrigues BS-Soares-BSgues LCP (2013). Sự phụ thuộc của sản xuất năng lượng thủy điện vào rừng ở Lưu vực sông Amazon ở quy mô địa phương và khu vực. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 110 (23), 9601–9606.
5.- Soria E (s / f). Môn thủy lực. Năng lượng tái tạo cho tất cả. IBERDROLA. 19 tr.