Plasma “xoay chiều” tương lai ngành điện

61

Ít ai có thể tin rằng tương lai ngành điện lại phụ thuộc nhiều vào mấy cái công tắc chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều thành một chiều và ngược lại.

Ở Los Angeles, người ta sống nhờ điện sản xuất từ những con đập ở Hẻm núi Sông Columbia, một thung lũng cách hàng ngàn dặm về phía Bắc. Dân cư miền Đông bắc Hoa Kỳ cũng sử dụng nguồn thủy điện từ các con sông tận phía bắc Quebec xa xôi. Trong khi đó, trang trại gió ở Wyoming đang cung cấp điện năng cho các thành phố cách đó hàng trăm dặm. Khi thủy điện và phong điện ngày càng gia tăng tỷ trọng trong cơ cấu điện năng, công nghệ truyền tải năng lượng hiệu quả sẽ ngày càng quan trọng.

Để truyền tải đường dài một lượng lớn điện năng, dòng điện một chiều sẽ đỡ tốn chi phí hơn dòng xoay chiều. Nhưng dòng điện do máy phát điện sản xuất lại là điện xoay chiều, do đó lượng điện này phải được chuyển đổi sang điện một chiều để truyền tải đường dài, rồi lại được chuyển thành điện xoay chiều để chuyển tới người tiêu thụ. Đó là “gót chân Achilles” của truyền tải điện đường dài. Một “công tắc” chuyển mạch với khả năng xử lý một lượng lớn điện năng là yếu tố then chốt của công nghệ chuyển đổi điện một chiều thành xoay chiều.

Hiện nay, việc chuyển đổi điện một chiều thành xoay chiều thường được thực hiện ở các tòa nhà lớn trong các thành phố chính hay trung tâm dân cư. Bước đầu tiên của quá trình này là bật tắt liên tục nguồn điện một chiều từ các đường truyền đến để tạo ra dòng có dạng gần giống với dạng sóng lên xuống của dòng xoay chiều, sau đó “gọt giũa” tỉ mỉ dòng điện này cho mượt để sử dụng. Vì chưa có một công tắc nào có thể tự xử lý hàng nghìn ampe của dòng 300.000 V, các kỹ sư phải sử dụng nhiều công tắc nhỏ làm bằng chất bán dẫn.

Mỗi công tắc bán dẫn chỉ có thể xử lý từ 3.000 V đến 7.000 V. Vì vậy, họ phải mắc nối tiếp hàng trăm công tắc thành một chuỗi như chuỗi đèn trang trí để xử lý hết toàn bộ dòng điện. Phương pháp này quá phức tạp và tốn kém, lại khó đảm bảo hoạt động ổn định khi một công tắc bị hỏng hoặc khi có sét đánh gần đó. Một “công tắc” lớn có khả năng xử lý những dòng điện có điện áp cao và cường độ dòng điện lớn sẽ là giải pháp tốt hơn nhiều.

Thủy điện và phong điện ngày càng quan trọng, đòi hỏi phải có một công nghệ truyền tải điện hiệu quả. Ảnh: GE

Tim Sommerer, nhà vật lý tại Trung tâm Nghiên cứu Toàn cầu GE (GRC) tại Niskayuna, New York, đã dành nhiều năm nghiên cứu một công tắc như vậy. Thiết bị chuyển mạch này sử dụng khí tích điện, chính là plasma, thay cho chất bán dẫn. Ông và cộng sự đang chỉnh sửa công tắc plasma sử dụng trong một số máy X-quang và van hồ quang thủy ngân (công nghệ chuyển đổi điện một chiều thành xoay chiều trước đây) để dùng cho truyền tải điện.

Một mẫu thiết kế hoạt động trong các phòng thí nghiệm của GRC bao gồm hai điện cực được phân cách bằng khí heli. Khi điện áp lớn xuất hiện giữa hai điện cực, khí sẽ dẫn điện từ điện cực này sang điện cực kia. Để đóng mở công tắc, các nhà nghiên cứu đặt một lưới thép giữa hai điện cực. Bằng cách điều khiển dòng điện đi qua lưới, họ có thể kích hoạt hồ quang điện giữa hai điện cực. “Rất khó ngăn chúng ngừng dẫn điện”, Sommerer nói. “Nhưng chúng tôi kiểm soát chúng một phần bằng hình dạng buồng khí, hoặc ngăn hẳn dòng điện bằng cách kéo dòng điện ra khỏi dây trong lưới”.

Hiện nay dòng điện trong mẫu mô hình có thể chạy chưa được một phần nghìn giây, nhưng thế là đã đủ để kiểm tra tính khả thi và khả năng cải thiện việc kiểm soát dòng điện hiện nay. “Bạn có thể học được rất nhiều từ một phần nghìn giây đó”, Sommerer nói.

Đến nay, nhóm đã vận hành máy với cường độ 100.000 A ở điện áp 100.000 V và đang nghiên cứu tăng lên 300.000 V. Một ngày nào đó, các công tắc chuyển mạch bằng plasma sẽ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí trong ngành công nghiệp điện. “Hiện nay, việc chuyển đổi 3 gigawatts từ xoay chiều sang một chiều và trở lại xoay chiều tốn 400 triệu đô-la Mỹ. Chúng tôi hy vọng công nghệ mới sẽ giảm chi phí đó xuống một nửa”, Sommerer cho hay.

Theo Fred Guterl

BÌNH LUẬN CỦA BẠN