Người ta đang tạo ra nhiều cải tiến kỹ thuật cho xã hội, bao gồm các loại năng lượng khác nhau. Năng lượng cơ bắp của con người và động vật cũng là một nguồn năng lượng quan trọng từ xa xưa. Vì sự phát triển mạnh mẽ và liên tục của hoạt động con người trên trái đất, cần nhiều năng lượng hơn từ các nguồn tự nhiên.

Thiên nhiên xung quanh chúng ta luôn rất giàu về nguồn năng lượng. Nguồn năng lượng điện cũng không ngoại lệ, nó rất dồi dào và phong phú. Những nguồn năng lượng từ thiên nhiên như than đá, dầu khí, nguồn nước của các dòng sông và biển, nguồn phát nhiệt lượng từ mặt trời và ở trong lòng đất, các luồng khí chuyển động, gió v.v. đều là những nguồn năng lượng rất tốt và quí giá đối với con người.

Năng lượng điện (điện năng) hiện nay đã trở thành một dạng năng lượng rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Sản lượng hằng năm của năng lượng điện trên thế giới ngày càng tăng và đạt hàng nghìn tỷ kWh. Điều này có thể giải thích bởi sự tiện lợi và nhiều lợi ích của năng lượng điện, chẳng hạn như dễ dàng chuyển thành các dạng năng lượng khác (cơ, hoá, nhiệt v.v…) , dễ chuyển tải đi xa và có hiệu suất cao.

Khác với hầu hết các loại sản phẩm, điện năng sản xuất ra thường không thể tích trữ được (trừ một số trường hợp đặc biệt với công suất rất nhỏ, người ta sử dụng pin và ắc quy làm bộ phận tích trữ). Tại mọi thời điểm, ta phải đảm bảo sự cân bằng giữa điện năng được sản xuất ra và điện năng tiêu thụ, bao gồm cả những tổn thất do truyền tải.

Các quá trình liên quan đến điện diễn ra rất nhanh, ví dụ như sóng điện truyền trong dây điện với tốc độ lên đến 300,000 km/giây, quá trình sét và quá độ, các quá trình ngắn mạch cũng xảy ra rất nhanh (trong vòng nhỏ hơn 1/10 giây). Các quá trình này cần được quản lý và kiểm soát một cách kĩ lưỡng để đảm bảo sự an toàn cho người dùng điện và tránh các sự cố.

Công nghiệp điện lực có liên quan chặt chẽ đến hầu hết các ngành kinh tế quốc dân, bao gồm khai thác mỏ, cơ khí, dân dụng, và công nghiệp nhẹ. Nó là một trong những động lực góp phần tăng năng suất lao động và tạo nên sự phát triển nhiều ngành kinh tế. Qua việc quản lý đặc điểm này, các quyết định hợp lý về mức độ điện khí hoá của các ngành kinh tế các vùng lãnh thổ khác nhau có thể được xây dựng. Điểm quan trọng là mức độ xây dựng nguồn điện, mạng lưới truyền tải phân phối, để đáp ứng sự phát triển cân đối và tránh được những thiệt hại kinh tế quốc dân do hạn chế nhu cầu của người dùng điện.

Ở nhà máy nhiệt điện, các năng lượng hóa thạch như than đá, khí hóa lỏng sẽ được đốt để sinh ra nhiệt, từ đó làm nóng hơi nước làm quay tua bin, các tua bin quay sẽ kéo theo các động cơ điện quay theo và sinh ra dòng điện.

• Được xây dựng gần với các nguồn nhiên liệu nhằm tiết kiệm chi phí vận chuyển. Gần nguồn nước như là các khu vực ven biển để dễ dàng cho việc xử lý chất thải cũng như vận chuyển các thiết bị máy móc hạng nặng ra vào nhà máy.
• Để thay đổi công suất của nhà máy khi vận hành thì cần phải thay đổi nhiệt độ của các lò hơi, việc này diễn ra rất nhiều công đoạn nên tính linh hoạt trong vận hành kém. Việc khởi động các động cơ phải sử dụng các loại máy phát dieizen để kích hoạt nên chi phí khá tốn kém.
• Hiệu suất của nhà máy nhiệt điện là không cao khoảng 30% đến 40%.

Sử dụng rất nhiều nhiên liệu hóa thạch nên thải ra lượng khói lớn dẫn tới gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm không khí. Vì thế các nhà máy thường phải đặt xa các khu dân cư. Nhà máy nhiệt điện được phân thành 2 loại chính như sau:

Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, hay còn được gọi là nhà máy nhiệt điện hơi, là một cơ sở sản xuất điện năng bằng cách chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Loại nhà máy nhiệt này tận dụng nguyên lý vòng Rankine, trong đó nước được làm nóng để tạo ra hơi nước, từ đó đẩy một tuabin hơi kết nối với một máy phát điện.

Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi hoạt động bằng cách đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than, dầu hoặc khí tự nhiên trong một lò để tạo ra hơi nước áp suất cao. Quá trình đốt cháy nhiên liệu này tạo ra năng lượng nhiệt, được chuyển giao cho nước, biến nó thành hơi nước. Hơi nước áp suất cao sau đó chảy qua một loạt tuabin, gây ra chúng quay xoay. Khi tuabin quay, chúng tạo ra năng lượng cơ học đẩy máy phát điện được kết nối, tạo ra điện.

Một ví dụ nổi bật về nhà máy nhiệt điện ngưng hơi là nhà máy nhiệt điện than. Trong loại nhà máy này, than được nghiền thành bột mịn và sau đó đốt trong lò. Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy biến nước thành hơi, đẩy các tuabin và tạo ra điện năng.

Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi mang lại một số lợi ích, bao gồm khả năng tạo ra lượng điện lớn một cách đáng tin cậy và tính linh hoạt trong việc sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau. Ngoài ra, sự tiến bộ trong công nghệ đã làm tăng hiệu suất của chúng và giảm tác động môi trường thông qua việc triển khai các hệ thống kiểm soát khí thải khác nhau.

Nhà máy nhiệt điện rút hơi là một loại nhà máy sản xuất điện năng bằng cách tận dụng nhiệt năng từ nguồn nước nóng tự nhiên. Được xem là một hình thức năng lượng tái tạo, nhà máy nhiệt điện rút hơi sử dụng nước nóng từ các suối nước nóng hoặc từ các giếng nước nóng trong lòng đất để tạo ra điện.

Quá trình hoạt động của nhà máy nhiệt điện rút hơi bắt đầu bằng việc sử dụng một hệ thống cung cấp nước nóng. Nước nóng từ các nguồn tự nhiên được đưa vào một bồn chứa chung gọi là hồ chứa. Từ hồ chứa, nước nóng được bơm vào một hệ thống ống dẫn và thông qua các bình chứa áp suất cao.

Khi nước nóng chảy qua bình chứa áp suất cao, nhiệt năng của nước được chuyển đổi thành năng lượng cơ học bằng cách làm xoay một tuabin. Tuabin này có vai trò tạo ra sự quay của một máy phát điện, nơi năng lượng cơ học được chuyển đổi thành năng lượng điện.

Nguyên lý của nhà máy thủy điện là sử dụng năng lượng dòng nước để làm quay trục tuốc bin thủy lực để chạy máy phát điện.

Đặc điểm của nhà máy thủy điện:

• Xây dựng gần nguồn nước nên thường xa phụ tải.
• Vốn đầu tư xây lắp ban đầu lớn, chủ yếu thuộc về các công trình như đập chắn, hồ chứa.
• Thời gian xây dựng kéo dài do việc dựng đập chắn nước rất tốn kém. Chưa kể các nhà máy thường phải đặt ở những nơi đồi núi, có vị trí cao, hiểm trở để có thể đạt được cột nước cho phép phát điện.
• Chi phí sản xuất điện năng thấp. Do tua bin chạy bằng sức nước nên gần như chi phí nguyên liệu đầu vào của quá trình sản xuất điện bằng không. Nhà máy chỉ cần chi phí cho đội ngũ kỹ sư vận hành cũng như sửa chữa, bảo dưỡng các thiết bị.
• Thời gian khởi động máy ngắn.
• Hiệu suất cao. Quá trình làm quay tua bin được chuyển đổi trực tiếp từ thế năng của nước sang, sau tua bin quay kéo theo động cơ quay, điều này hạn chế được sự tổn hao năng lượng tron quá trình sản xuất điện.
• Tuổi thọ cao. Do tua bin và động cơ nhà máy thủy điện quay ở tốc độ chậm hơn so với nhà máy phát điện, do đó giảm được sự hỏng hóc từ đó nâng cao tuổi thọ của thiết bị trong nhà máy.

Nhà máy điện nguyên tử cũng tương tự như nhà máy nhiệt điện về phương diện biến đổi năng lượng: Tức là nhiệt năng do phân hủy hạt nhân sẽ biến thành cơ năng và từ cơ năng sẽ biến thành điện năng. Trong nhà máy điện nguyên tử, năng lượng được thu được không phải bằng cách sử dụng nhiên liệu hữu cơ mà là thông qua việc phá vỡ liên kết hạt nhân của chất Urani-235 hoặc Plutoni-239 trong lò phản ứng. Vì vậy, trong khi nhà máy điện hơi sử dụng lò hơi, nhà máy điện nguyên tử sử dụng lò phản ứng và các máy sinh hơi đặc biệt.

Ưu điểm của nhà máy điện nguyên tử:

• Chỉ cần một lượng vật chất phóng xạ nhỏ đã có thể đáp ứng được nhu cầu của nhà máy.
• Một nhà máy có công suất 100MW, một ngày thường tiêu thụ không nhiều hơn 1kg chất phóng xạ.
• Công suất của một tổ máy phát điện của nhà máy điện nguyên tử có thể đạt đến 500, 800, 1200, và thậm chí lên đến 1500MW.

Nhà máy điện nguyên tử có những đặc điểm sau:

• Đầu tư xây dựng ban đầu lớn và thời gian xây dựng dài.
• Chi phí sản xuất điện năng thấp nên thường hoạt động trong khoảng đáy đồ thị phụ tải.
• Thời gian sử dụng công suất cực đại lớn khoảng 7000 giờ/năm hoặc cao hơn.

Sự gió được sử dụng để quay hệ thống cánh quạt đặt đối diện với chiều gió. Hệ thống cánh quạt được truyền qua bộ biến đổi tốc độ để quay máy phát điện, sản xuất ra điện năng. Điện năng được sản xuất được lưu trữ bằng cách sử dụng các bình ắc quy. Động cơ gió phát điện có khó khăn trong việc điều chỉnh tần số do vì tốc độ gió luôn thay đổi. Động cơ gió phát điện thường có hiệu suất thấp và công suất nhỏ, vì vậy chỉ được sử dụng trong các vùng hải đảo, những nơi xa xôi không có lưới điện hoặc trong các trường hợp cần thiết như đèn hải đăng.

Nhà máy điện mặt trời, còn được gọi là nhà máy năng lượng mặt trời hoặc nhà máy điện quang, là một dạng nhà máy sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra nguồn điện. Hiện nay, năng lượng mặt trời được xem là một nguồn năng lượng tái tạo sạch và cần được hỗ trợ phát triển. Vì nó không chỉ góp phần vào việc cung cấp điện cho sản xuất và cuộc sống con người mà còn giúp ngăn chặn hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu.

Nhà máy điện mặt trời là một trong những cách tiên tiến để tạo ra nguồn điện sạch và đáng tin cậy. Sử dụng mặt trời làm nguồn năng lượng, nó giúp tiết kiệm nguồn năng lượng hữu cơ và giảm thiểu tác động đến môi trường. Nó cũng có thể giúp giảm chi phí điện và giúp người dân đạt được tính tự do về nguồn điện.

Xem thêm:

Giáo trình Kỹ thuật chiếu sáng

Giáo trình Thiết bị điện gia dụng