Điện gió - Điện mặt trời

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Máy phát điện gió

Trong máy phát điện gió, năng lượng của sức gió đã biến đổi thành điện năng.
Cánh quạt gắn với trục quay của Rôto của máy phát điện.
Stato là các cuộn dây điện.
W_đgió →W_đrôto →W_điện _{trong máy phát điện}.
Bộ phận lái để tự động điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió.
Máy phát điện gió tuy công suất nhỏ nhưng rất gọn nhẹ, có thể bố trí ngay cạnh nhà, rất thuận tiện cho việc cung cấp điện cho một vài gia đình. Ở nước ta hiện nay, một số vùng núi cao hay hải đảo đã lắp đặt máy phát điện gió như Hà Giang, Quảng Ngãi, Bạch Long Vĩ,... Công suất từ vài trăm oát đến vài trăm kilôoat.

2. Pin mặt trời

2.1. Cấu tạo.

Pin mặt trời là những tấm phẳng làm bằng chất silicon. Nếu chiếu ánh sáng mặt trời vào tấm đó thì năng lượng của ánh sáng mặt trời sẽ trực tiếp chuyển hóa thành điện năng.

2.2. Hoạt động:

W _{ánh sáng} → W _điện.

2.3. Sử dụng:

Phải có ánh sáng chiếu vào.
Điện từ máy phát điện gió, pin mặt trời được nạp vào một hệ thống ắc quy, khi sử dụng dùng ắc quy để phát điện lại.
Pin mặt trời rất tiện lợi cho các vùng núi cao, hải đảo (chẳng hạn như đảo Bạch Long Vĩ) không có điều kiện đưa lưới điện quốc gia đến, nhất là ở các nước vùng nhiệt đới có nhiều ngày nắng to như ở nước ta.

3. Nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân biến đổi năng lượng hạt nhân thành điện năng. Nhà máy điện hạt nhân có thể cho công suất rất lớn nhưng phải có thiết bị bảo vệ rất cẩn thận để ngăn các bức xạ có thể gây nguy hiểm chết người.
Sự chuyển hoá năng lượng: Lò phản ứng:
- W hạt nhân→ nhiệt năng→nhiệt năng của nước.
- Nồi hơi: Biến nhiệt năng hạt nhân→nhiệt năng chất lỏng→nhiệt năng của nước.
- Máy phát điện: Nhiệt năng của nước→ cơ năng của tua bin.

4. Sử dụng tiết kiệm điện năng

Năng lượng điện có đặc điểm là đã sản xuất ra thì phải sử dụng hết, không thể dự trữ được (trừ trường hợp dự trữ nhỏ trong các acquy). Các máy phát điện lớn đã mở máy thì phải chạy đều, không thể cần nhiều thì cho chạy nhanh, khi cần ít thì cho chạy chậm. Bởi vậy cần phải tiết kiệm, sử dụng điện hạn chế trong các giờ cao điểm như buổi chiều tối và khuyến khích sử dụng điện vào đêm khuya.
Trong một số máy móc, dụng cụ, năng lượng ban đầu được biến đổi sau một chuỗi quá trình để được năng lượng cần dùng. Ví dụ, trong bóng đèn dây tóc, điện năng được biến đổi thành nhiệt năng rồi nhiệt năng thành quang năng.

2.5. Cách nhận biết các loại máy phát điện

Căn cứ vào dạng năng lượng ban đầu chuyển hóa thành điện năng:

Máy điện gió: năng lượng của sức gió biến đổi thành điện năng.
Pin mặt trời: năng lượng của ánh sáng mặt trời biến đổi thành điện năng.
Nhà máy điện hạt nhân: năng lượng hạt nhân biến đổi thành điện năng.

Bài tập minh họa

Bài 1. Gió trời tự nhiên không bao giờ hết. Vậy nguồn điện năng lấy từ máy phát điện gió cũng không bao giờ cạn. Phải chăng ở đây năng lượng đã tự sinh ra ? Nếu không phải thì năng lượng đó từ đâu mà có ?

Hướng dẫn giải:

Không khí chuyển động thành gió. Gió chuyển động từ vùng không khí lạnh đến vùng không khí nóng, không khí nóng lên nhờ có năng lượng ánh sáng mặt trời. Vậy năng lượng gió do năng lượng ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành.

Bài 2. Những ngày trời nắng không có mây, bề mặt có diện tích 1m²của tấm pin mặt trời để ngoài nắng nhận được một năng lượng mặt trời là 1 400 J trong 1s. Hỏi cần phủ lên mái nhà một tấm pin mặt trời có diện tích tối thiểu là bao nhiêu để có đủ điện thấp sáng hai bóng đèn có công suất 100W và một máy thu hình 75W. Biết rằng hiệu suất của pin mặt trời là 10%.

Hướng dẫn giải:

Công suất tiêu thụ: 2.100 + 75 = 275 W.

Công suất ánh sáng mặt trời cần thiết cung cấp cho pin mặt trời: 275.10 = 2750 W

Diện tích tấm pin mặt trời cần thiết : \[\frac{2750}{1400}\]≈ 1,96 m²

B. Hướng dẫn giải bài tập trong sách giáo khoa

Bài C1 (trang 162 SGK Vật Lý 9): Hãy chỉ ra năng lượng của gió đã được biến đổi lần lượt qua các bộ phận của máy như thế nào để cuối cùng thành điện năng.

Hướng dẫn giải:

- Gió thổi cánh quạt truyền cho cánh quạt cơ năng.

- Cánh quạt quay kéo theo rôto.

- Rôto và stato biến đổi cơ năng thành điện năng.

Bài C2 (trang 163 SGK Vật Lý 9): Ánh sáng mặt trời mang đến cho mỗi mét vuông mặt đất một công suất l,4kW. Hiệu suất của pin mặt trời là 10%, hãy tính xem cần phải làm các tấm pin mặt trời có diện tích tổng cộng là bao nhiêu để cung cấp điện cho một trường học sử dụng 20 bóng đèn 100W và 10 quạt điện 75 W

Hướng dẫn giải:

Công suất sử dụng tổng cộng

20.100+10.75=2750 W

Công suất của ánh sáng mặt trời cần cung cấp cho pin mặt trời

2750.10=27500 W

Diện tích tấm pin mặt trời \[\frac{2750}{1400}\approx 19,6\]nr

Bài C3 (trang 163 SGK Vật Lý 9): Người ta đã dùng những thiết bị nào để chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng, cơ năng, quang năng dùng trong đời sống và sản xuất?

Hướng dẫn giải:

Nồi cơm điện: Điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng

Quạt điện: Điện năng chuyển hóa thành cơ năng.

Đèn LED, đèn bút thử điện: Điện năng chuyển hóa thành quang năng

Bài C4 (trang 164 SGK Vật Lý 9): Xem bảng 1 SGK và cho biết dùng động cơ điện và máy phát điện để thực hiện việc chuyển hóa năng lượng có gì lợi so với các máy khác.

Hướng dẫn giải:

Hiệu suất lớn hơn (đỡ hao phí).

C. Một số bài tập trắc nghiệm

Câu 1: Dòng điện do pin mặt trời cung cấp có gì khác với dòng điện do máy phát điện gió cung cấp?

A. Pin Mặt Trời có công suất lớn hơn máy phát điện gió.

B. Dòng điện do pin mặt trời cung cấp là dòng một chiều, còn do máy phát điện gió là xoay chiều.

C. Pin Mặt Trời cho dòng điện liên tục, còn máy phát điện gió cung cấp dòng điện đứt quãng.

D. Dòng điện do Pin Mặt Trời cung cấp là dòng điện xoay chiều còn do máy phát điện cung cấp là dòng một chiều biến đổi.

Câu 2: Trong máy phát điện gió, dạng năng lượng nào đã được chuyển hóa thành điện năng?

A. Cơ năng.

B. Nhiệt năng.

C. Hóa năng.

D. Quang năng.

Câu 3: Ánh sáng mặt trời mang đến cho mỗi mét vuông mặt đất một công suất 1,4kW. Hiệu suất của pin mặt trời là 10%, hãy tính xem cần phải làm các tấm pin mặt trời có diện tích tổng cộng là bao nhiêu để cung cấp điện cho một trường học sử dụng 20 bóng đèn 100W và 10 quạt điện 75W.

A. 13,7 m².

B. 14,7 m².

C. 32,6 m².

D. 19,6 m².

Câu 4: Những ngày trời nắng không có mây, bề mặt có diện tích 1m² của tấm pin mặt trời để ngoài nắng nhận được một năng lượng mặt trời là 1 400 J trong 1s. Hỏi cần phủ lên mái nhà một tấm pin mặt trời có diện tích tối thiểu là bao nhiêu để có đủ điện thấp sáng hai bóng đèn có công suất 100W và một máy thu hình 75W. Biết rằng hiệu suất của pin mặt trời là 10%.

A. 1,50m²

B. 1,41m²

C. 1,96m²

D. 1,43m²

Câu 5: Thiết bị nào không dùng để chuyển hóa điện năng thành cơ năng ?

A. Quạt điện

B. Máy bơm nước

C. Động cơ điện

D. Bếp điện