Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng mặt trời

Nhu câu sử d ng năng lư ng tăng lên theo sự phát triển xã hội, tuy nhiên việc sử d ng năng lư ng quá m c, không khoa học, trái với các nguyên tắc về bảo vệ môi trư ng làm kéo theo nhiề

M CăL C

LỦăl chăkhoaăh c i

L iăcamăđoan iii

L iăc mă n iv

Tómăt t v

Abstract vi

M căl c vii

Cácăt ăvi tăt tăvƠăkỦăhi u x

Danh sách các hình xiii

Danhăsáchăcácăb ng xv

CH NGă1: T NGăQUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan về MHD và các kết quả đã nghiên c u 4

1.2 M c tiêu nghiên c u 7

1.3 Phương pháp nghiên c u 7

1.4 Ph m vi nghiên c u 7

1.5 Giới h n c a đề tài 7

1.6 Điểm mới c a đề tài 7

1.7 Giá trị thực tiễn 8

1.8 Bố c c 8

CH NGă2: C ăS ăLụăTHUY T 9

2.1 Năng lư ng mặt tr i và các phương pháp khai thác sử d ng 9

2.1.1 Nguồn năng lư ng mặt tr i 9

2.1.2 Các phương pháp khai thác, sử d ng năng lư ng mặt tr i 10

2.1.3 T p trung NLMT hiệu suất cao 12

2.1.4 Hương nghiên cưu vê thiêt bi ̣ sử dụng NLMT 15

2.2 Máy phát điện từ th y đ ng lực (MHD) 15

2.2.1 Nguyên lý làm việc c a máy phát điện MHD: 15

2.2.2 H n h p khí làm việc trong máy phát MHD 19

2.2.3 Máy phát điện Faraday 22

2.2.5 Máy phát điện cực chéo 24

2.2.θ Máy phát đĩa 25

2.3 Lưu chất c a máy phát điện MHD: 26

2.3.1 Khí ion hóa (Plasma) 26

2.3.2 Kim lo i lỏng (Liquid Metal): 27

2.4 Chu trình kết h p máy phát điện MHD: 30

2.4.1 Chu trình Brayton: 30

2.4.2 Chu trình Rankine: 31

CH NGă3: PHÂN TÍCH CHU TRÌNH 33

3.1 Xây dựng chu trình MHD h n h p dùng năng lư ng mặt tr i: 33

3.2 Các ký hiệu trong chu trình: 34

3.3 Phân tích các khối trong chu trình: 35

3.3.1 Phân tích máy phát MHD: 35

3.3.2 Phân tích b thu năng lư ng mặt tr i: 37

3.3.3 Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt: 37

3.3.4 Phân tích máy nén: 37

3.3.5 Phân tích tua bin khí: 40

3.3.θ Phân tích tuabin hơi: 41

3.3.7 Phân tích nhiệt lư ng: 41

3.3.8 Phân tích nhiệt lư ng c a các nút t i chu trình: 41

3.3.9 Phân tích Entropy: 42

3.3.10 Hiệu suất c a chu trình MHD h n h p sử d ng NLMT 43

3.4 Xây dựng chu trình LMMHD dùng NLMT: 45

3.η Các ký hiệu trong chu trình: 46

3.θ Phân tích chu trình LMMHD sử d ng NLMT 47

3.6.1 Phân tích b thu NLMT 47

3.6.3 Phân tích máy phát LMMHD 48

3.θ.4 Phân tích b tách 48

3.θ.η Phân tích bơm áp suất 49

3.θ.θ Phân tích bơm điện từ 49

3.θ.7 Phân tích tuabin hơi 50

3.θ.8 Phân tích nhiệt lư ng 50

3.6.9 Phân tích Entropy 50

3.θ.10 Hiệu suất c a chu trình LMMHD sử d ng NLMT 51

CH NGă4: TệNHă TOÁNăVĨăMỌăPH NGăCÁCăTHỌNGăS ăăC AăCHUă TRÌNH 53

4.1 Bài toán 1 53

4.1.1 Dữ liệu tính toán 53

4.1.2 Kết quả tính toán 54

4.1.3 So sánh kết quả với chu trình h n h p sử d ng NLMT truyền thống 56

4.2 Bài toán 2 58

4.2.1 Dữ liệu tính toán 58

4.2.2 Kết quả tính toán 58

4.2.3 So sánh kết quả với chu trình LMMHD truyền thống sử d ng nhiệt thải 60 4.3 So sánh với các kết quả đư c công bố 62

CH NGă5: K TăLU NăVĨăH NGăPHÁTăTRI NăĐ ăTĨI 64

5.1 Kết lu n 64

5.2 Hướng phát triển c a đề tài 64

TĨIăLI UăTHAMăKH O 65

PH L C 67

CÁCăT ăVI TăT TăVĨăKụăHI U

Cácăt ăvi tăt t

NLMT: Năng lư ng mặt tr i

MHD: Magnetohydrodinamic (Máy phát từ th y đ ng lực)

LM: Liquid metal (Kim lo i lỏng)

LMMHD: Liquid metal Magnetohydrodinamic (Máy phát từ th y đ ng lực kim lo i lỏng)

SCOT: Solar concentration off-tower (T p trung năng lư ng mặt tr i ngoài tháp)

KỦăhi u

B ăthuănĕngăl ngăm tătr i

rec: Hiệu suất thu

K(r): Thông lư ng ánh sáng

r: Tọa đ xuyên tâm mặt phẳng m c tiêu

Trec: Nhiệt đ thu

x,y,z: Tọa đ tr c trong MHD

p: Áp suất dòng chảy lưu chất

F: Lực

Fy: Lực theo tr c y

re: Bán kính quỹ đ o electron

me: Khối lư ng electron

KH: Thông số tải Hall

H: Hiệu suất c a kênh

P: Công suất

u: Thành phần v n tốc trên tr c x

e

 : Hiệu suất điện

: Góc nghiêng giữa điện cực và tr c x

M: khối lư ng lưu chất

W: năng lư ng (điện năng)

v: vectơ v n tốc

Qin: nhiệt lư ng đầu vào

Qi: Nhiệt lư ng t i nút th i (W)

Ti: Nhiệt đ t i nút th i (0K)

Pi: Áp suất t i nút th i (at)

γ: Hệ số nhiệt c a chất khí

Πt: Tỉ số áp suất ra - vào tuabin

τt: Tỉ số nhiệt đ ra ậ vào tuabin

G: Lưu lư ng c a chất khí qua máy phát MHD

PMHD: Điện năng ra khỏi máy MHD

Pc: Năng lư ng máy nén cần

Pion: Năng lư ng cần thiết để ion hóa chất khí

Tref: Nhiệt đ lấy m u (0K)

Pref: Áp suất lấy m u (at)

Si: Entropy

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 201η và 2020 1

Hình 1.2: Mô hình sản xuất điện mặt tr i h n h p [1] 3

Hình 2.1: Quá trình truyền năng lư ng b c x mặt tr i qua lớp khí quyển [1] 10

Hình 2.2: Các mô hình khai thác năng lư ng mặt tr i [11] 11

Hình 2.3: Sơ đồ nhà máy SCOT [9] 13

Hình 2.4: B t p trung không đối x ng [9] 14

Hình 2.η: Lực Lorentz [4] 16

Hình 2.θ: Nguyên lý c a máy phát MHD [4] 17

Hình 2.7: So sánh ho t đ ng máy phát điện từ th y đ ng lực học (B) với máy phát điện tuabin truyền thống (A) [4] 18

Hình 2.8: Chuyển đ ng theo quỹ đ o tròn c a electron trong từ trư ng và lực Lorentz luôn hướng tâm 20

Hình 2.9: Biểu đồ Vector c a bơm MHD và lực điện sinh ra trong dòng ion [4] 21

Hình 2.10: Máy phát Faraday điện cực phân đo n [4] 23

Hình 2.11: Máy phát Hall [4] 24

Hình 2.12: Máy phát điện cực chéo [4] 25

Hình 2.13: Máy phát điã [4] 26

Hình 2.14: Kim lo i lỏng NaK nhiệt đ phòng 27

Hình 2.1η: Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON [8] 28

Hình 2.1θ: Gương Parabol t p trungvà thấu kính Fresnel [1] 29

Hình 2.17: Chu trình Brayton lý tư ng [7] 31

Hình 2.18: Bố trí c a bốn thiết bị chính đư c sử d ng trong chu trình Rankine [2] 32 Hình 3.1: Chu trình kết h p MHD h n h p dùng NLMT 34

Hình 3.2: Chu trình phát điện h n h p truyền thống dùng NLMT [11] 44

Hình 3.3: Chu trình phát điện LMMHD dùng NLMT 46

Hình 3.4: Nguyên lý c a b tr n [8] 47

Hình 3.η: Nguyên lý c a b tách 49

Hình 3.θ: Chu trình phát điện LMMHD dùng nhiệt thải 52 Hình 4.1: Kết quả phân tích chu trình MHD- tuabin khí với T3=20000

K 55 Hình 4.2: Đồ thị T-S với T3=20000K c a chu trình MHD h n h p 55 Hình 4.3: Kết quả phân tích chu trình h n h p với T3=20000

K 57 Hình 4.4: Đồ thị T-S với T3=20000K c a chu trình h n h p 57 Hình 4.η: Kết quả phân tích chu trình LMMHD NLMT với T3=8500

K 59 Hình 4.θ: Đồ thị T-S với T3=8500K c a chu trình LMMHD NLMT 59 Hình 4.7: Kết quả phân tích chu trình LMMHD nhiệt thải với T3=8500

K 61 Hình 4.8: Đồ thị T-S với T3=8500K c a chu trình LMMHD nhiệt thải 61 Hình 4.9: Nhà máy điện mặt tr i theo mô hình Volker Quasching [18] 62

DANHăSÁCHăCÁCăB NG

Bảng 4.1: Dữ liệu tính toán bài toán 1 53

Bảng 4.2: Kết quả tính toán thông số với T3=20000K chu trình MHD h n h p 54

Bảng 4.3: Dữ liệu tính toán chu trình h n h p sử d ng NLMT 56

Bảng 4.4: Kết quả tính toán thông số với T3=20000K chu trình MHD h n h p 56

Bảng 4.η: Dữ liệu tính toán bài toán 2 58

Bảng 4.θ: Kết quả tính toán thông số với T3=8η00 K LMMHD NLMT 58

Bảng 4.7: Dữ liệu tính toán chu trình LMMHD nhiệt thải 60

Bảng 4.8: Kết quả tính toán thông số với T3=8η00K LMMHD nhiệt thải 60

CH NGă1

T NGăQUAN

1.1 Đ tăvấnăđ

Các chuyên gia vừa đưa ra l i cảnh báo thế giới sẽ phải đối mặt với tình

tr ng kh ng hoảng thiếu năng lư ng trong vòng η năm tới, vì tốc đ c n kiệt nguồn nhiên liệu hóa th ch trên thế giới diễn ra nhanh hơn dự đoán Theo các chuyên gia, sớm hay mu n thế giới cũng phải đối mặt với sự c n kiệt nguồn dầu mỏ, nên cần từ

bỏ sự ph thu c vào nguồn năng lư ng này càng sớm càng tốt, khi mà tất cả hệ thống kinh tế - xã h i đều ph thu c vào dầu, trong khi việc thay đổi nhiên liệu đòi hỏi nhiều th i gian và tiền c a

Hình 1.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 201η và 2020

(Chú thích: Con số trên tr c bên trái chỉ lư ng điện tổng c ng/ năm,

V y giải pháp nh p khẩu năng lư ng? Đây là m t giải pháp hiện thực, đang

đư c khai thác và sẽ đẩy m nh hơn trong tương lai Chúng ta đang nói đến nh p khẩu điện từ các nước láng giềng như Lào, Trung Quốc, Campuchia và nh p khẩu than, chẳng h n từ Úc Theo dự tính, đến năm 201η, để bảo đảm cân đối năng

lư ng, nước ta có thể nh p khoảng 13 TWh điện và khoảng 3η triệu tấn than

Cuối cùng là giải pháp tiết kiệm năng lư ng Đây là giải pháp chung c a mọi quốc gia Đối với các nước đang phát triển, như Việt Nam, càng có ý nghĩa đặc biệt Tuy v y, chính sách tiết kiệm năng lư ng cũng chỉ góp phần giảm bớt ch không thể giải quyết căn bản tình tr ng mất cân bằng gay gắt cung cầu điện năng

Nhu câu sử d ng năng lư ng tăng lên theo sự phát triển xã hội, tuy nhiên việc

sử d ng năng lư ng quá m c, không khoa học, trái với các nguyên tắc về bảo vệ môi trư ng làm kéo theo nhiều hệ quả nghiêm trọng như: c n kiệt nguồn năng lư ng hóa

th ch, sự tăng lên c a khí nhà kính (CO2,…) làm Trái Đất nóng lên, các sự cố từ các

lò h t nhân… đe đọa sự sống trên Trái Đất Con ngư i hiện đã có ý th c sử d ng các

nguồn năng lư ng tái t o từ thiên nhiên để bảo vệ môi trư ng sinh thái Năng lư ng mặt tr i là m t trong những nguồn năng lư ng tái t o s ch và bền vững

Bên c nh đó việc tìm ra các công nghệ phát điện mới vừa đơn giản vừa hiệu quả đang đư c đầu tư phát triển Máy phát từ th y đ ng lực học (MHD) đáp ng

đư c các yêu cầu này Trên cơ s phát điện m t cách trực tiếp không có các cơ cấu truyền đ ng cơ khí nên tổn hao thấp hơn Khi kết h p kiểu phát điện này với các chu trình kín thì hiệu suất sẽ đư c nâng cao

Trước đây ngư i ta phải đốt than hay sử d ng nguồn nhiệt từ phản ng h t nhân để ion hóa chất khí làm nhiên liệu cho máy phát từ th y đ ng lực học phát điện Hiện nay công nghệ khoa học phát triển cao nên ta có thể sử d ng thêm các

d ng nhiên liệu khác cho máy phát điện từ th y đ ng lực học như kim lo i lỏng, nước muối… Nguồn nhiệt cho ho t đ ng phát điện có thể thu từ năng lư ng nhiệt mặt tr i Ngày nay do công nghệ v t liệu phát triển nên chúng ta có thể t p trung năng lư ng nhiệt mặt tr i nhiệt đ khá cao khoảng 2η000K Việc kết h p máy

phát điện từ th y đ ng lực học và năng lư ng mặt tr i h a hẹn sẽ đem l i nguồn điện s ch cho cu c sống lâu dài, hướng tới tương lai

Hình 1.2: Mô hình sản xuất điện mặt tr i h n h p [1]

Máy phát điện MHD có thể kết h p với nhà máy điện năng lư ng mặt tr i sử

d ng tua bin khí để phát điện Với công nghệ mới viêc t p trung nhiệt từ ánh sáng mặt tr i đ t đư c nhiệt đ khá cao trên 2η000K [1] Hệ thống b ba chu kỳ năng

lư ng mặt tr i đư c xây dựng bao gồm ba phần: máy phát điện từ th y đ ng lực học nhiệt đ cao và hai chu kỳ kế tiếp (chu kỳ Brayton và chu kỳ Rankine) bên dưới

t o thành chu trình kín Hiệu suất entropy c a mô hình này đư c nâng cao hơn so với chu trình điện mặt tr i h n h p truyền thống Mô hình này có thể ng d ng với các nhà điện mặt tr i công suất lớn, t p trung đư c nhiệt đ cao

Sử d ng kim lo i lỏng cho máy phát MHD (Liquid Metal MHD hay LMMHD) đư c nghiên c u những năm θ0 c a thế kỷ trước Đây là lo i MHD sử

d ng kim lo i lỏng làm nhiên liệu ho t đ ng Hệ thống này sử d ng nguồn nhiệt cấp thấp: các hệ thống t p trung năng lư ng mặt tr i công suất nhỏ, nhiệt thải phản ng

h t nhân, địa nhiệt… Mô hình phát điện này có thể kết h p với các hệ thống t p

1.2ăT ngăquanăv ăMHDăvƠăcácăk tăqu ăđƣănghiênăc u

Máy phát điện MHD là hệ thống chuyển nhiệt năng hay đ ng năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ th y đ ng học L i thế c a MHD là có khả năng làm việc nhiệt đ cao và không cần có các chi tiết đư c bôi trơn (chuyển

đ ng cơ học) Khí thải c a hệ thống MHD thư ng là các dòng Plasma nóng và có thể đư c tái sử d ng cung cấp cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (tuabin khí

và tuabin hơi nước) Ngoài ra MHD còn có thể ho t đ ng nguồn nhiệt cấp thấp khi sử d ng kim lo i lỏng phát điện Về mặt nhiệt đ ng lực học các máy phát điện

từ th y đ ng lực học thư ng ho t đ ng theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tư ng Hiệu suất c a MHD ph thu c vào chênh lệch nhiệt đ giữa nguồn nóng và nguồn l nh Chất d n điện trong MHD

có thể là kim lo i lỏng hoặc khí làm việc nhiệt đ rất cao lên đến 30000K trong khi các máy phát điện thông thư ng tuabin chỉ làm việc với nhiệt đ khoảng

10000K [2] Về hiệu suất nếu tuabin phát điện vào khoảng 40% thì máy phát MHD nâng hiệu suất đó lên đến θ0% [4]

Tuy có ưu điểm như v y nhưng máy phát MHD chưa đư c ng d ng nhiều

cho sản xuất điện năng với quy mô lớn do các vấn đề về kỹ thu t cũng như sự chênh lệch về giá thành so với tuabin khí Máy phát MHD chu trình h thư ng v n hành với nguyên liệu hóa th ch sau đó kết h p với tuabin hơi đư c nghiên c u vào những năm θ0 Máy phát MHD với chu trình kín v n hành với nguồn nhiên liệu từ phản

ng h t nhân Do có khả năng làm việc nhiệt đ rất cao nên MHD có thể đư c chọn là chu trình đ ng đầu để nâng cao hiệu suất c a các tuabin khí do đó MHD sử

d ng với chu trình kết h p

Trên thực tế máy phát MHD sử d ng nhiên liệu hóa th ch vư t qua các công nghệ phát điện khác M t nghiên c u khả thi đã đư c b năng lư ng Mỹ (DOE) công bố trong trong tháng θ năm 1989 cho thấy hiệu suất c a nó vư t qua công nghệ than đá thông thư ng

L chăs ăphátătri năvƠăh ngănghiênăc uătrênăth ăgi i

Máy phát MHD đầu tiên đư c nghiên c u vào năm 1938 t i Mỹ đư c cấp bằng sáng chế số 2210918 “ Quy trình chuyển đổi năng lư ng” vào ngày 13 tháng 8 năm 1940 Chiến tranh thế giới lần th II đã làm gián đo n sự phát triển c a máy phát này đến năm 19θ2 h i nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD đã đư c tổ

ch c t i Newcastle (Vương Quốc Anh) do Tiến sĩ Brian C Lindley nghiên c u và tổ

ch c [4]

Năm 19θ4 h i nghị lần th hai đư c tổ ch c t i Paris ( Pháp) với sự tham gia

c a cơ quan năng lư ng h t nhân Châu Âu Tháng 7 năm 19θθ h i nghị lần th ba với sự tài tr c a cơ quan năng lư n nguyên tử quốc tế đã đư c tổ ch c t i Salzbug (Áo) [4]

Trong nhưng năm c a th p niên 19θ0 tính thực tiễn c a máy phát MHD cho

hệ thống nhiên liệu hóa th ch đã đư c nghiên c u b i J Rosa Cuối những năm 19θ0 do sự phát triển c a điện h t nhân nguyên tử nên sự quan tâm MHD bị từ chối Đến cuối những năm 1970 sự quan tâm điện h t nhân giảm xuống thì có xu hướng quay tr l i đến MHD [4]

Năm 197η Unesco khuyến cáo nên nghiên c u MHD và coi đó như phương pháp hiệu quả nhất để sử d ng dự trữ than đá trên thế giới và Unesco đã tr thành nhà tài tr chính cho ILGHMD [4]

Vài nét phát triển c a máy phát MHD trên thế giới:

T iăM : Trong những năm đầu c a th p niên 1980 b Năng lư ng Mỹ bắt

đầu chương trình phát triển m nh mẽ MHD mà đỉnh cao là máy phát η0MW (1992) dung nhiên liệu than đá [4] Chương trình này đư c phát triển dựa trên sự kết h p

c a 4 phần:

1 Đ ng đầu c a chu trình tích h p này là máy phát MHD hiệu ng Hall đư c cấp nhiệt bằng than đá nghiền thành b t cùng h t mang điện ion hóa Kali với sự giám sát c a AVCO

2 Cơ s để t o ra các h t ion hóa đư c phát triển b i TRW Theo phương

3 Phần cuối c a chu trình đư c nghiên c u và phát triển b i CDIF

4 Phương pháp tích h p MHD từ nhà máy than đư c Westinghouse Electric nghiên c u cùng với sự kết h p c a công ty điện lực Montana Chương trình thử nghiệm đã kết thúc vào năm 1993 với hơn 4000 gi ho t đ ng

T iăNh tăB n: Vào cuối những năm 1980 t i Nh t ngư i ta t p trung vào phát

điện MHD có chu trình kín Nghiên c u này phù h p với điều kiện c a Nh t Bản với công suất nhỏ hơn 100MW, thiết kế nhỏ gọn không ô nhiễm môi trư ng Máy phát đầu tiên phải kể đến là công trình Fuji-1 do viện công nghệ Tokyo chế t o Đây là

m t máy phát d ng đĩa với Helium, khí Argon và h t ion hóa Kali.Kết quả c a thí nghiệm cho m t đ điện gần 100MW/m3 hiệu suất EE lên đến 30,2 % [4]

Năm 1994 dự án Fuji-2 đư c xây dựng dựa trên Fuji-1, hệ thống này sử d ng khí trơ thông qua máy phát d ng đĩa với m c đích là khai thác Enthapy 3η% và hiệu suất đ t đư c là θ0% [4]

T iăAustralia: Năm 198θ giáo sư Hugokal Mersserle t i đ i học Sydney đã

nghiên c u MHD dùng nhiên liệu than kết quả là hàng lo t nhà máy điện đã đư c đưa vào ho t đ ng bên ngoài Sydney

T iăItalia: Vào năm 1989 Italia bắt đầu nghiên c u MHD theo 3 lĩnh vực chính

1 Nghiên c u mô hình MHD

2 Phát triển nam châm siêu d n

3 Đưa MHD vư t qua lò hơi tr thành máy phát điện chính

T iăNga: Năm 1994 Nga đã phát triển và điều hành cơ s than U-2η t i viện

Hàn lâm khoa học Nga Moscow và quan tâm đến MHD d ng đĩa dùng nhiên liệu than [4]

Trong những năm đầu c a thế kỷ XXI chu trình MHD kín ( MHD plasma) đã

có những nghiên c u và phát triển Nghiên c u c a Nob Harada, Le Chi Kien, Hishikawa t i đ i học Nagaoka Niigata Nh t Bản về vấn đề MHD kín đư c báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến là ηη,2 % [θ]

1.2 M cătiêuănghiên c u

- Phân tích cấu trúc và hiệu suất c a chu trình phát điện MHD sử d ng Plasma (khí ion hóa) và MHD dùng kim lo i lỏng (Liquid metal) để phát điện Hai

mô hình này sử d ng nguồn nhiệt từ t p trung năng lư ng mặt tr i

- Phân tích tính toán các thông số t i các nút trong chu trình MHD h n h p

và chu trình MHD dùng kim lo i lỏng để đưa ra hiệu suất c a chu trình phát điện sử

d ng năng lư ng mặt tr i

1.3 Ph ngăphápănghiênăc u

- Thu th p tài liệu liên quan đến đề tài nghiên c u

- Do nước ta vấn đề nghiên c u hệ thống phát điện này còn sơ khai nên chưa có đ điều kiện thực nghiệm Vì v y tác giả chọn phương pháp nghiên c u cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt dựa trên nguyên lý nhiệt đ ng lực học c a chất khí sau đó rút ra kết lu n

- Sử d ng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trong sơ đồ phân tích

1.4 Ph măviănghiênăc u

- Nghiên c u cơ s lý thuyết về MHD

- Khảo sát hệ thống MHD h n h p và hệ thống LMMHD sử d ng năng

lư ng mặt tr i

1.5 Gi iăh năc aăđ ătƠi

- Không phân tích cấu t o máy phát MHD

- Không phân tích hệ thống thu NLMT

- Không phân tích lưu chất làm việc c a MHD

- Không có điều kiện để thực nghiệm nên ch yếu dựa trên phân tích quá trình nhiệt đ ng lực học

1.6 Đi măm iăc aăđ ătƠi

- Kết h p NLMT với máy phát MHD để phát điện

- Phân tích T-S tìm ra năng lư ng các khối trong chu trình để tính toán hiệu

1.7 Giáătr ăth căti nă

- Đề tài “Nghiênăc uăh ăth ngăt ăth yăđ ngăl căs ăd ngănĕngăl ngăm tă

tr i” nhằm làm cơ s để l p kế ho ch xây dựng nhà máy điện mặt tr i hiệu suất cao

phù h p với điều kiện địa lý, nguồn nhân lực và tiềm lực kinh tế c a đất nước

- T o ra mô hình nhà máy điện mới sử d ng NLMT với hiệu suất cao góp phần cải thiện môi trư ng thiên nhiên

Ch ngă2:ăC ăs ălỦăthuy t

Trình bày cơ s lý thuyết về nguồn NLMT, nguyên lý ho t đ ng máy phát MHD, LMMHD và phân tích đ ng học c a chu trình phát điện tua bin khí, tuabin hơi

Ch ngă3:ăPhơnătíchăchuătrình

Xây dựng chu trình phát điện, phân tích nhiệt đ ng lực học c a từng khối trong chu trình (P, T, Q, S) từ đó tính toán ra thông số và hiệu suất c a chu trình

Ch ngă4:ăTínhătoánăvƠămôăph ngăchuătrình

Trình bày các bài toán ng d ng phân tích chu trình ra các thông số c thể,

mô phỏng thông số c a các khối, đồ thị mối quan hệ thông số, so sánh kết quả với các mô hình truyền thống

Ch ngă5:ăK tălu năvƠăh ngăphátătri năc aăđ ătƠi

Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên c u tiếp theo c a đề tài

CH NGă2

C ăS ăLụăTHUY T

2.1ăNĕngăl ngăm tătr iăvƠăcácăph ng phápăkhaiăthácăs ăd ng

2.1.1ăNgu nănĕngăl ngăm tătr i

a.ăNĕngăl ngăm tătr i

Năng lư ng do mặt tr i b c x ra vũ tr là m t năng lư ng khổng lồ M i giây nó phát ra 3,865.1026J, tương đương với năng lư ng đốt cháy hết 1,32.1016tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nh n đư c m t năng lư ng rất nhỏ và bằng 17,η7.1016J hay tương đương năng lư ng đốt cháy c a θ.106tấn than đá [1]

b Ph ăb căx ăm tătr i

B c x mặt tr i có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao đ ng điện từ trư ng trong không gian Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cư ng đ điện trư ng và cư ng đ từ trư ng luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền c a sóng điện từ Quãng đư ng mà sóng điện từ truyền đư c sau m t chu kỳ dao đ ng điện từ đư c gọi là bước sóng 

c Đ căđi măb căx ăm tătr iătrênăb ăm tătráiăđất

mặt đất nh n đư c hai thành phần b c x :

- B c x trực tiếp (còn gọi là Trực x ) là các tia sáng mặt tr i đi thẳng từ mặt

tr i đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển

- B c x nhiễu x hay b c x khuếch tán gọi tắt là tán x là thành phần các tia mặt tr i bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán x , phản x ,

Hướng c a tia trực x ph thu c vào vị trí c a mặt tr i trên bầu tr i, t c là

ph thu c vào th i gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với b c x nhiễu x không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu tr i Tổng hai thành phần b c x này đư c gọi là tổng x , nó chiếm khoảng 70% toàn b b c x mặt tr i hướng về quả đất [1]

Do các quá trình hấp th , tán x , phản x c a tia mặt tr i xảy ra khi nó đi qua lớp khí quyển nên cư ng đ b c x khi tới mặt đất ph thu c vào đ dài đư ng đi

c a tia trong lớp khí quyển Đ dài này ph thu c vào đ cao c a mặt tr i Ví d , khi mặt tr i điểm Zenith ( đỉnh đầu) thì các tia b c x mặt tr i khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán x và hấp th là ít nhất, vì đư ng đi ngắn nhất Còn các điểm

“chân tr i”, lúc mặt tr i mọc hoặc lặn thì đư ng đi c a tia b c x mặt tr i qua lớp khí quyển là dài nhất, nên b c x bị tán x và hấp th nhiều nhất [1]

Hình 2.1: Quá trình truyền năng lư ng b c x mặt tr i qua lớp khí quyển [1]

2.1.2ăCácăph ngăphápăkhaiăthác,ăs ăd ngănĕngăl ngăm tătr i

Năng lượng mă ̣t trơi (NLMT) là nguồn năng lư ng mà con ngư i biêt sử

d ng từ rất sớm , nhưng ưng dụng NLMT vao cac công nghê ̣ sản xuât va trên quy

mô rô ̣ng thi mơi chỉ thực sự vao cuôi thê kỉ 18 và cũng ch yếu những nước nhiều NLMT, những vung sa ma ̣c Tư sau cac cuộc khủng hoảng năng lượng thê giơi năm

1968 và 1973, NLMT cang được đă ̣c biê ̣t quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong viê ̣c nghiên cưu ưng dụng NLMT Các ng d ng NLMT phổ biên hiê ̣n nay bao gôm cac lĩnh vực chủ yêu sau:

Hình 2.2: Các mô hình khai thác năng lư ng mặt tr i [11]

a Ao nĕngă l ngă m tă tr i (Solar pond): Ao năng lư ng mặt tr i r ng,

nước nông, thư ng đư c đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen Nhiệt đ dưới đáy ao có thể lên đến 1000C [11] trong khi nước trên bề mặt v n giữ nhiệt đ không khí Ao có ba lớp nước chính Từ trên xuống dưới, lớp trên đư c gọi là vùng bề mặt, vùng chênh lệch và vùng lưu trữ Hàm lư ng muối trong ao tăng

từ trên xuống dưới Nước trong vùng lưu trữ là rất mặn Nước nóng trong vùng lưu trữ đư c d n đư ng ống để m t nồi hơi, nơi nó đư c làm nóng hơn nữa để t o ra hơi nước, đưa đến đĩa c a tuabin

b.ăH ăth ngăpinăquangăđi nă(Photovoltaicăsystem):ăPin mặt tr i là phương

pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lư ng mặt tr i qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt tr i có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ đâu có ánh sáng mặt tr i, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ tr ng d ng năng lư ng mặt tr i dưới d ng này đư c phát triển với tốc đ rất nhanh, nhất là các nước phát triển Ngày nay con ngư i đã

ng d ng pin mặt tr i trong lĩnh vực hàng không vũ tr , xe NLMT và trong sinh

c.ă ng khói m tătr i (Solar chimney): Hệ thống nhiệt điện này giống như

m t nhà kính khổng lồ, các hệ thống gương phản x b c x mặt tr i đốt nóng phần không khí bên dưới tháp t o thành m t dòng khí nóng tuần hoàn từ dưới lên Trên

đư ng đi c a dòng khí ngư i ta đặt các tuabin để phát điện

d Máng Parabol (Parabolic through): để t p trung tia b c x mặt tr i vào

m t ống môi chất đặt dọc theo đư ng h i t c a b thu, nhiệt đ có thể đ t tới

4000C [11]

e.ăThápăm tătr iă(Solarătower): sử d ng gương phản x định vị theo phương

mặt tr i để t p trung b c x mặt tr i đến b thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt đ có thể

đ t tới 1η000C [11] Nhiệt đ này dùng để đốt nóng môi chất quay tua bin khí

f.ăĐƿaăParabolă(Parabolicădish):ăsử d ng các đĩa Parabol h i t b c x mặt

tr i vào m t điểm để gia nhiệt môi chất làm quay máy phát điện Nhiệt đ t i điểm

h i t rất cao có thể đ t tới 3η000C [11] Hệ thống này cũng thư ng kết h p với đ ng

cơ nhiệt (đ ng cơ Stirling) t o ra s c cơ quay máy phát điện và các thiết bị khác

Ngoài ra nhiệt lư ng thu đư c từ việc t p trung b c x mặt tr i còn đư c sử

d ng với các m c đích dân d ng như:

a.ăB ăt pătrung NLMT

B thu năng lư ng mặt tr i chính là cánh đồng gương phản x với m t tháp trung tâm Các thiết kế c a cánh đồng gương phản x là m t quá trình ph c t p, trong đó có nhiều chi tiết đư c địa điểm c thể và ng d ng c thể Các góc đ khu vực thu ánh sáng mặt tr i đư c thực hiện càng lớn càng tốt để cho phép các nhà máy với quy mô lớn mà không cần đến tòa tháp cao bất h p lý T p trung năng

lư ng mặt tr i ngoài tháp Solar concentration off-tower (SCOT) là mô hình đư c

chọn Trong thiết kế này, m t đ thu gom các tia sáng sẽ đ t đư c hiệu suất tối đa

có thể, tránh tổn thất bóng quá m c trong điều kiện ngoài thiết kế Điều này có thể làm giảm năng lư ng thu đư c điểm điều kiện thiết kế, nhưng làm tăng năng

lư ng thu đư c t i các th i điểm khác, và do đó có thể làm tăng năng lư ng trung bình hàng năm [9]

Hình 2.3: Sơ đồ nhà máy SCOT [9]

a) Cấu trúc nhà máy b) Tổng thể nhà máy

b.ăB ăthuăNLMT

Việc đ t đư c nhiệt đ cao trong m t máy thu năng lư ng mặt tr i hiệu suất

h p lý đòi hỏi phải có m t máy thu không đẳng nhiệt hoặc phân tán Tổn thất thu

ph thu c nhiều vào nhiệt đ thu, và các thành phần tổn hao chính trong m t máy thu nhiệt đ cao là không khí làm tăng với nhiệt đ t o ra năng lư ng Để giảm những tổn thất máy thu phân tán này ngư i ta chia các đ m ống kính máy vào các phân đo n có nhiệt đ khác nhau, và lưu chất ch y trong ống đư c đun nóng liên

t c thông qua các phần theo th tự tăng thông lư ng b c x và nhiệt đ Do đó, m t phần lớn c a ống thu là nhiệt đ thấp hơn nhiều so với nhiệt đ tối đa c a máy thu, và những tổn thất đư c giảm đáng kể so với m t thiết kế đư c cân bằng nhiệt hoặc đẳng nhiệt

Hình 2.4: B t p trung không đối x ng [9]

Với bề mặt nhẵn đư c thiết kế trong hai cấu hình khác nhau mặt cắt ngang phía Bắc ậ Nam và mặt cắt ngang phía Đông-Tây, nhằm m c đích thu b c x với góc m khác nhau Cấu hình khác nhau này nối với nhau bằng hình elip

Mô hình mang l i hiệu suất thu cao là mô hình máy thu màu đen Hiệu suất

c a đối tư ng máy thu đen không đẳng nhiệt với thông lư ng phân phối K(r) ph

thu c vào sự phân bố nhiệt đ theo công th c [9]:

4 Re 0 Re

bố nhiệt đ bên trong máy thu không đẳng nhiệt, T(r) trong phương trình (2.1) đư c biết đến như là m t nghiệm, cần phải tìm ra nó từ sự phân bố thông lư ng và nhiệt

đ đầu vào Biết rằng dòng chảy nhiệt đ là từ vành xuyên tâm vào trong, và truyền nhiệt c c b là hoàn hảo, như v y nhiệt đ dòng khí và b hấp th bằng nhau Sự cân bằng năng lư ng trên m t phần c a máy thu d n đến m t phương trình vi phân

b c nhất phi tuyến tính cho nhiệt đ [9]:

Rec ( ) Rec( ) 2

pCdT   K r T r  rdr (2.2)

Trong đó: p tỷ lệ lưu lư ng (kg/s)

C nhiệt dung riêng (J/(kg.K)) Phương trình (2.2) đã đư c giải sử d ng Runge-Kutta b c bốn để tích h p số

lư ng bắt đầu từ b thu bán kính r = R đến r= 0 Việc thu th p bán kính R đư c xác định b i nhiệt đ đầu vào dòng nhiệt đ : nó là bán kính lớn nhất, nơi h n trong dấu ngoặc vuông trong phương trình là không âm Bán kính b sưu t p này xác định tổn thất bị mất mát [9]

2.1.4 H ngănghiênăc uăvêăthiêtăbi ̣ăs ̉ ădụngăNLMT

Vân đê sử dụng NLMT đã được cac nha khoa học trên thê giơi va trong nươc quan tâm Mă ̣c du tiêm năng của NLMT rât lơn nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thê giơi vẫn con khiêm tôn la

do con tổn ta ̣i mô ̣t sô ha ̣n chê như:

- Giá thành thiết bị còn cao

- Hiê ̣u suât thiêt bi ̣ con thâp

- Viê ̣c triển khai ưng dụng thực tê con ha ̣n chê

Để khai thác hiệu quả NLMT ta cần kết h p thêm với các thiết bị để nâng cao hiệu suất sử d ng nhiệt từ NLMT Máy phát điện từ th y đ ng lực học có nhiều tiềm năng cho việc kết h p này

2.2ăMáyăphátăđi năt ăth yăđ ngăl că(MHD)

2.2.1ăNguyênălỦălƠmăvi căc aămáyăphátăđi năMHD:

Máy phát điện từ th y đ ng lực (hay máy phát MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay đ ng năng trực tiếp thành điện năng, dựa trên các nguyên

lý từ th y đ ng học Chúng thư ng có khả năng làm việc nhiệt đ cao và không cần có các chi tiết phải bôi trơn Khí thải c a các hệ thống như v y thư ng là các plasma nóng (như lửa), có thể tái sử d ng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống (như máy phát điện hơi nước) [4]

Trong các máy phát điện MHD, chuyển đ ng c a dòng chất lỏng d n điện hoặc plasma đư c sử d ng để t o ra dòng điện Máy phát điện MHD ho t đ ng theo định lu t Lorentz:

Theo quy tắc nhân có hướng các véctơ, F vuông góc với cả v và B, và tuân

theo quy tắc bàn tay phải Lực này sẽ d n hướng các điện tử chuyển đ ng trong lưu chất d n điện đến các điện cực đặt vị trí thích h p trong dòng chảy nằm trong từ trư ng; và các điện cực sẽ gặt hái điện năng M t máy phát điện MHD ho t đ ng theo nguyên lý cơ bản: Định lu t Faraday và quy tắc bàn tay phải

Hình 2.6: Nguyên lý c a máy phát MHD [4]

Điện tử đi từ lưu chất m t vách c a điện cực, đến tải m ch ngoài, đến điện cực vách đối diện, và sau đó tr l i lưu chất, nối kín m ch điện Vì thế dòng điện trong máy phát từ th y đ ng lực học là dòng m t chiều, có thể cung cấp trực tiếp cho tải ngoài hoặc kết nối với biến tần để t o ra dòng điện xoay chiều

Hiệu ng nhiệt đ ng lực học có thể đư c cung cấp với các điện tử c a kim

lo i lỏng như Th y ngân hoặc Na hoặc khí nóng ch a các ion và điện tử tự do Trong cả hai trư ng h p, các điện tử có tính lưu đ ng cao, và sự sẵn sàng di chuyển

c a các nguyên tử và các ion trong khi tổng lư ng điện tích trung hòa đư c duy trì Điều đó có đư c do lực tĩnh điện t o nên sự cân bằng

Các máy phát điện này thư ng ho t đ ng theo chu trình Brayton, và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tư ng Hiệu suất này ph thu c vào chênh lệch nhiệt đ giữa nguồn nóng và nguồn l nh, và các máy phát từ

th y đ ng lực có thể ho t đ ng nhiệt đ nguồn nóng rất cao [4]

Hình 2.7: So sánh ho t đ ng máy phát điện từ th y đ ng lực học (B)

với máy phát điện tuabin truyền thống (A) [4]

Đối với m t nhà máy điện quy mô lớn để ho t đ ng hiệu quả cần chú ý tăng tính d n điện c a chất d n điện Nhiệt đ c a m t chất khí để tr ng thái plasma c a

nó hoặc việc bổ sung các chất dễ dàng ion hóa khác như các muối c a các kim lo i kiềm có thể thực hiện sự gia tăng này Trong thực tế, m t số vấn đề phải đư c xem xét trong việc thực hiện m t máy phát từ th y đ ng lực học: máy phát điện hiệu quả, kinh tế, và các sản phẩm ph không đ c h i Những vấn đề này đều bị ảnh

hư ng b i sự lựa chọn c a m t trong bốn thiết kế máy phát điện: máy phát điện Faraday, máy phát điện Hall, máy phát điện cực chéo và các máy phát đĩa

Các phương trình cơ bản c a máy phát MHD:

M t đ dòng đư c đưa ra b i định lu t Ohm khi áp d ng cho m t máy phát MHD:

2.2.2 H năh păkhíălƠmăvi cătrongămáyăphátăMHD

Trước khi phân tích kênh MHD, ta xét tóm tắt ho t đ ng c a các electron trong khí ion hóa nằm trong trư ng điện từ Trong dòng khí t i điểm gần cân bằng thì các nguyên tử, ion và điện tử thư ng chuyển đ ng bất định T i bất kỳ vị trí nào

đó trong không gian tương ng với 1 tốc đ thì tốc đ đó sẽ gia tăng theo sự gia tăng nhiệt đ Xét m t điện tử chuyển đ ng tự do và không có va ch m trong điều kiện bình thư ng với từ trư ng chuẩn như hình bên dưới, các electron có m t lực bằng qceB với q là điện tích electron và ce là đ lớn v n tốc Do lực không thay đổi nên v n tốc không thay đổi theo các đư ng tròn quanh đư ng s c từ trư ng

Theo định lu t II Newton ta có lực trên electron là

Tần số cyclotron c a điện tử không ph thu c vào tốc đ c a điện tử và chỉ

ph thu c vào cảm ng từ và đặc tính c a electron Mặc dù các chuyển đ ng cyclotron có thể bị phá vỡ b i sự va ch m với những h t khác

Hình 2.8: Chuyển đ ng theo quỹ đ o tròn c a electron trong từ trư ng

và lực Lorentz luôn hướng tâm Kết quả c a sự va ch m giữa các h t ph thu c vào kích thước h t c a chúng: các h t lớn sẽ va ch m nhau thư ng xuyên hơn Xác suất c a sự va ch m thể hiện khi xem xét mặt cắt Q c a các h t va ch m nhau Tần số va ch m c a các electron ωc do m t đ electron ne (số electron/m3), diện tích mặt cắt va ch m Q (m2)

Thông số thể hiện tương ng giữa số lần quay gây ra với m i va ch m, thông

số HALL thể hiện như sự chuyển đ ng c a các electron bị tác đ ng b i từ trư ng

Hình 2.9: Biểu đồ Vector c a bơm MHD và lực điện sinh ra trong dòng ion [4]

Ít nhất 3 tốc đ quan trọng c a khí d n điện trong kênh MHD là:

- Th nhất: tốc đ c a dòng khí u (trư ng h p này giả thuyết là không đổi)

- Th hai: tốc đ c a những điện tử riêng biệt ce bình quân tăng theo nhiệt

đ Khi trư ng điện từ mất đi thì tốc đ bình quân c a ce cho tất cả các electron là tốc đ dòng khí u Khi từ trư ng m nh thì chuyển đ ng c a các electron liên quan đến khí và theo chuyển đ ng này ta có thể xác định tính d n điện c a dòng khí

- Th ba: v n tốc tương đối c a các electron w e đư c xác định như là vector lệch c a tốc đ tuyệt đối và tốc đ thực c a chất lỏng:

Tốc đ dịch chuyển we là đ lớn c a tốc đ tương đối c a các electron Trong trư ng h p không có các trư ng thì giá trị trung bình c a ce là u và như v y tốc đ dịch chuyển bằng không Khi có điện trư ng, sự v n chuyển c a điện tích âm

do các electron t o nên dòng điện ch y trong khí

Thông số quan trọng khác là sự di chuyển c a các electron μ là do sự phản

ng c a các electron đối với điện trư ng Nó đư c định nghĩa là tỷ số c a đ d i electron we với cư ng đ điện trư ng

Nếu giả thuyết rằng 1 electron mất tất cả v n tốc d i do va ch m, gia tốc

c a electron có thể xấp xỉ với tỷ lệ c a v n tốc d i với th i gian giữa các va

ch m B i vì lực điện trư ng qE, định lu t Newton II cho phép v n tốc d i đư c biểu thị như sau:

Như v y thông số HALL là lớn với các khí mà đ di đ ng electron cao trong

từ trư ng m nh Đây là thông số có ảnh hư ng quan trọng đến hiệu suất trong việc thiết kế MHD

Giả sử các electron là những h t mang điện tích ch yếu, m t đ dòng có thể cũng liên quan đến tính chuyển đ ng qua tốc đ d i như sau [4]:

J = n e qw e = n e qńE/m e

Tính d n điện c a m t nơi cấp khí như sau:

Như v y tính di chuyển cao c a electron và m t đ số electron là cần thiết để

đ t đư c đ d n điện cao trong máy từ th y đ ng lực

2.2.3 Máyăphátăđi năFaraday

Máy phát điện Faraday đư c đặt tên theo ngư i đàn ông lần đầu tiên tìm thấy các hiệu ng trong sông Thames M t máy phát điện Faraday đơn giản sẽ bao gồm

m t ống hình chữ V hoặc ống c a m t v t liệu không d n điện Khi m t chất lỏng

d n điện chảy qua ống, với m t từ trư ng vuông góc nhất đinh, chất lỏng sẽ bị mất năng lư ng và năng lư ng điện đư c t o ra bằng cách đặt các điện cực hai bên góc 900 so với đư ng s c từ trư ng.Có những h n chế về m t đ và lo i hình trư ng đư c sử d ng Lư ng điện năng có thể khai thác trên máy phát Faraday tỷ lệ thu n với diện tích mặt cắt ngang c a ống và tốc đ c a dòng chảy d n Chất d n

điện cũng đư c làm l nh và làm ch m l i b i quá trình này Máy phát thư ng làm giảm nhiệt đ c a chất d n điện từ nhiệt đ plasma chỉ còn hơn 1000°C [4]

Các vấn đề thực tế chính c a m t máy phát điện Faraday là điện áp và dòng thay đổi khi chất lỏng đi qua các điện cực hai bên c a ống Tổn thất nhiều nhất là

từ hiệu ng dòng điện Hall Điều này làm cho máy phát Faraday không hiệu quả

Đã có những cải tiến liên t c máy phát Faraday để cố gắng để giải quyết vấn đề này

Từ trư ng tối ưu trên ống máy phát từ th y đ ng lực học có hình yên ngựa Để có

đư c hiệu suất cao, m t máy phát điện lớn đòi hỏi m t nam châm cực kỳ m nh mẽ Nhiều nhóm nghiên c u đã cố gắng để phát triển các nam châm siêu d n cho m c đích này [4]

Hình 2.10: Máy phát Faraday điện cực phân đo n [4]

2.2.4 Máy phát Hall

Các giải pháp phổ biến nhất là sử d ng hiệu ng Hall để t o ra m t dòng chảy với chất lỏng Các sơ đồ bình thư ng là đặt mảng ngắn điện dọc hai bên c a ống Các điện cực đầu tiên và cuối cùng trong điện ống d n tải M i m t điện cực đặt phía đối diện c a hai bên ống Những h n chế dòng điện c a máy phát Faraday

t o ra m t từ trư ng m nh mẽ trong chất lỏng Trư ng cảm ng th cấp này làm cho dòng chảy dòng điện trong m t hình d ng vồng giữa các điện cực đầu tiên và cuối cùng [4]

Tổn hao ít hơn so với m t máy phát điện Faraday, và điện áp cao hơn vì có ít ngắn m ch c a dòng điện gây ra Tuy nhiên, thiết kế này có vấn đề b i vì tốc đ c a dòng nguyên liệu đòi hỏi các điện cực giữa để đư c bù đắp để "bắt" các dòng Faraday Nếu tải khác nhau, tốc đ dòng chảy thay đổi, lệch định hướng dòng điện Faraday với điện cực c a nó, hiệu suất c a máy phát điện rất nh y cảm với tải c a

nó Đây chính là như c điểm c a máy phát Hall [4]

Hình 2.11: Máy phát Hall [4]

2.2.5 Máyăphátăđi năc căchéo

Gần đây cấu hình c a máy phát đã thiên về cách nối chéo các điện cực dọc theo các mặt đẳng thế với góc nghiêng  tan E y /E x, (/20) so với

vectơ uxB [4]

Nếu cấu hình này là lý tư ng thì dòng điện Hall bằng 0 và điện áp giữa các cặp điện cực đối diện giống như c a máy phát Faraday Với sự kết nối chéo, toàn b

m ch là sự kết nối nối tiếp c a nhiều điện cực c a máy phát Faraday Ngõ ra, điện

áp cao tương đối, đư c lấy cực đầu tiên và cuối cùng c a dãy nối tiếp Đặc tính

c a máy phát nối chéo là trung gian giữa máy phát Hall và máy phát Faraday [4]

Hình 2.12: Máy phát điện cực chéo [4]

2.2.6 Máyăphátăđƿa

Thiết kế hiệu quả nhất là các máy phát đĩa hiệu ng Hall Thiết kế này hiện đang nắm giữ hiệu suất và m t đ năng lư ng cho thế hệ máy phát từ th y đ ng lực học M t máy phát đĩa có chất lỏng chảy giữa trung tâm c a đĩa, và m t ống bọc xung quanh các c nh Lĩnh vực kích thích từ tính đư c t o là m t cặp cu n dây tròn Helmholtz trên và dưới đĩa Dòng điện Faraday trong m t th i gian ngắn hoàn hảo

bị triệt tiêu xung quanh chu vi c a đĩa Hiệu ng dòng điện Hall giữa các điện cực vòng gần trung tâm và vòng điện cực gần ngo i vi [4]

M t l i thế quan trọng c a thiết kế này là các nam châm hiệu quả hơn Đầu tiên, nó có đư ng s c song song đơn giản Th hai, b i vì các chất lỏng đư c xử lý trong m t đĩa, các nam châm có thể gần hơn với các chất lỏng, và cư ng đ từ trư ng tăng lên do khoảng cách gần hơn Cuối cùng, các máy phát điện nhỏ gọn hơn

so với công suất c a nó, vì v y các nam châm cũng nhỏ hơn Kết quả là nam châm

sử d ng m t tỷ lệ phần trăm nhỏ hơn nhiều c a điện năng đư c t o ra [4]

Hình 2.13: Máy phát điã [4]

2.3ăL uăchấtăc aămáyăphátăđi năMHD:

Lưu chất làm việc trong Máy phát MHD chia làm hai lo i chính:

- Chất khí ion hóa: Bao gồm không khí, Argon, Helium

- Kim lo i lỏng: Các chất lỏng có nguồn gốc kim lo i kiềm Natri

2.3.1 Khí ion hóa (Plasma)

Ion hóa là quá trình các nguyên tử hay phân tử trung hòa về điện nh n thêm hay mất đi electron để t o thành các ion âm hoặc dương Ion dương đư c t o thành khi chúng hấp th đ năng lư ng (năng lư ng này phải lớn hơn hoặc bằng thế năng tương tác c a electron trong nguyên tử) để giải phóng electron, những electron đư c giải phóng này đư c gọi là những electron tự do Năng lư ng cần thiết để xảy ra quá trình này gọi là năng lư ng ion hóa Ion âm đư c t o thành khi m t electron tự

do nào đó đ p vào m t nguyên tử mang điện trung hòa ngay l p t c bị tóm và thiết

l p hàng rào thế năng với nguyên tử này, vì nó không còn đ năng lư ng để thoát khỏi nguyên tử này nữa nên hình thành ion âm

điều kiện bình thư ng không khí gồm những nguyên tử và phân tử trung hòa về điện nên đư c xem là chất điện môi Khi bị đốt nóng không khí tr nên d n điện do ch a nhiều h t mang điện bao gồm ion dương, ion âm Như v y năng lư ng ion hóa không khí lúc này chính là nhiệt năng Nguồn nhiệt có thể lấy từ phản ng

h t nhân, đốt than, t p trung ánh sáng mặt tr i… Để tăng đ d n điện c a không khí ngư i ta thêm vào các lo i khí Argon, Helium

2.3.2 Kimălo iăl ng (Liquid Metal):

d ng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: đồng hồ, điện tho i cảm ng… Trong máy phát điện MHD kim lo i lỏng đư c sử d ng là NaK NaK, hoặc h p kim natri-kali là h p kim c a Kali (K) 77% và Natri (Na) 23%, thư ng là chất lỏng nhiệt đ phòng Là lo i hóa chất công nghiệp NaK phản ng rất mãnh liệt với nước và có thể gây cháy khi tiếp xúc với không khí, vì v y phải đư c xử lý với biện pháp phòng ngừa đặc biệt [8]

Hình 2.14: Kim lo i lỏng NaK nhiệt đ phòng

So với khí ion hóa thì kim lo i lỏng có ưu điểm là tính d n điện cao hơn và

ho t đ ng nhiệt đ cấp thấp hơn m t chu trình MHD sử d ng khí ion hóa

b.ăMáyăphátăMHDăs ăd ngăkimălo iăl ng:

Những n lực cũng đã đư c thực hiện để thay thế nhiên liệu đốt khí c a máy

chẳng h n như kim lo i lỏng, có thể đư c sử d ng trong máy phát MHD với l i thế

là có đ d n điện cao hơn (khoảng 106 lần so với khí ion hóa) nhiệt đ thấp Vì

v y, m t sản lư ng điện năng h p lý có thể thu đư c bằng cách sử d ng m t kim

lo i lỏng thích h p, do đó tránh đư c những vấn đề c a việc phải có v n tốc khí nhiệt đ rất cao, áp suất và lưu lư ng cho khí bị ion hóa đư c sử d ng trong sản xuất điện MHD [8]

Nghiên c u và phát triển trên hệ thống chuyển đổi năng lư ng LMMHD đư c bắt đầu vào đầu những năm 19θ0 và kể từ đó m t số khái niệm về hệ thống như v y

đã đư c phát triển và m t số hệ thống đã thực sự đư c xây dựng và thử nghiệm Kim

lo i lỏng như m t chất lỏng làm việc trong các máy phát điện LMMHD đư c làm nóng trực tiếp hoặc gián tiếp để làm cho nó chảy qua các kênh MHD [8]

Hình 2.15: Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON [8]

Hệ thống LMMHD cơ bản bao gồm hai ống kết nối với nhau t o thành hệ thống kín M t máy tr n nằm dưới cùng c a ống d n lên và m t máy phát điện MHD m t chiều (năng lư ng điện đư c sinh ra t i đây ) đặt bên phía dưới ống d n xuống nơi tiết diện ống thu nhỏ l i M t chất lỏng hơi / khí hoặc dễ bay hơi (như chất lỏng làm việc nhiệt đun sôi tiếp xúc trực tiếp với kim lo i lỏng nóng ) đư c đưa vào máy tr n dưới cùng c a ống d n lên nhiệt đ và áp suất thích h p M t chất lỏng hai pha có nồng đ thấp hơn đư c t o ra Chất lỏng hai pha này t o thành

m t dòng chảy và sau đó sẽ tách ra, khí trải qua quá trình giãn n với áp lực cao trong máy tr n với áp suất thấp trong thiết bị tách, thúc đẩy dòng chất lỏng chuyển

đ ng và đồng th i giảm nồng đ c a nó Dòng khí (chất lỏng làm việc ) đư c lấy ra thiết bị tách, do đó t o ra m t dòng chảy LM tr l i vào ống d n xuống Sự khác biệt giữa áp lực giữa hai ống d n (chênh lệch áp suất th y tĩnh) và do sự khác biệt

m t đ làm cho LM chuyển đ ng trong hệ thống, dòng LM chảy qua máy phát điện MHD, m t điện áp điện đư c sản sinh và hệ thống sẽ phát điện Tốc đ dòng chảy trong vòng lặp tự điều chỉnh để cân bằng sự khác biệt m t đ giữa ống d n lên và ống d n xuống với những tổn thất ma sát dòng chảy và khả năng tăng tốc và công suất c a máy phát MHD [8]

Hệ thống LMMHD có thể kết h p đư c với các nguồn nhiệt nhiệt đ thấp, chẳng h n như năng lư ng nhiệt cấp thấp hoặc nhiệt thải công nghiệp Các khái niệm về cách sử d ng các nguồn nhiệt, c thể là năng lư ng mặt tr i (ví d như các gương cố định, t p h p gương parabol t p trung , thấu kính Fresnel)

Ngoài ra LMMHD còn có thể sử d ng nguồn nhiệt từ địa nhiệt và chất thải h t nhân, để chuyển đổi nhiệt năng thành đ ng năng c a các LM làm phát sinh nhiều chu

kỳ làm việc liên quan đến m t pha, cũng như hai pha dòng chảy chất lỏng

2.4ăChuătrìnhăk tăh pămáyăphátăđi năMHD:

2.4.1 Chu trình Brayton:

Chu trình Brayton là m t chu trình nhiệt đ ng lực học, đặt tên theo George Brayton (1830-1892), m t kỹ sư ngư i Mỹ, ngư i đã phát triển nó Ngày nay, chu trình Brayton là nguyên lý ho t đ ng c a đ ng cơ tuốc bin khí Giống như với các đ ng cơ đốt trong khác, chu trình Brayton là chu trình m , dù cho trong nghiên

c u nhiệt đ ng lực học, đôi khi có thể đặt giả thuyết rằng khí thải ra đư c dùng l i

để đầu vào, để hệ tương đương với chu trình kín Chu trình Brayton còn đư c biết đến với tên gọi chu trình Joule

Ngày nay chu trình Brayton đư c nhắc đến trong đ ng cơ tuốc bin khí Đ ng

cơ này cũng có ba phần:

 Buồng nén khí

 Buồng đốt

 Buồng giãn n làm quay tuốc bin

Không khí đư c hút vào buồng nén, đư c làm tăng áp suất theo quá trình gần với đẳng entropy Khí đã nén ch y sang buống đốt, nơi nhiên liệu đư c phun vào và đốt nóng, làm tăng nhiệt đ khí trong m t quá trình đẳng áp, do buồng đốt m thông cho dòng khí chảy vào và ra Khí áp suất và nhiệt đ cao đư c giãn n t i buồng giãn n đẩy các cánh qu t c a tuốc bin; theo quá trình giãn n đẳng entropy M t phần công năng cung cấp cho tuốc bin đư c dùng vào việc nén khí buồng nén khí

Hình 2.17: Chu trình Brayton lý tư ng [7]

Chu trình Brayton lý tư ng: P - áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lư ng; T - nhiệt

đ °K; s - entropy 1-2: Nén đẳng entropy t i máy nén; 2-3: gia nhiệt đẳng áp t i buồng đốt; 3-4: giãn n sinh công đẳng entropy t i tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngoài môi trư ng

Trên thực tế, quá trình nén khí và giãn n không thực sự đẳng entropy; và công năng bị hao h t trong các quá trình này làm giảm hiệu suất nhiệt đ ng lực học c a đ ng cơ Công có ích do đ ng cơ sinh ra đư c thể hiện bằng diện tích hình khép kín 1 ậ 2 ậ 3 ậ 4 Diện tích này càng lớn thì công có ích và hiệu suất càng lớn,

để tăng diện tích này thì phải tăng áp suất sau máy nén c a điểm 2;3 (áp suất c a điểm 4;1 là áp suất môi trư ng không thể giảm xuống đư c) nên hiệu suất đ ng cơ

đư c quyết định bằng tỷ số nén Việc tăng tỷ số nén giúp cải thiện hiệu suất và công suất c a hệ thống Brayton

Hiệu suất c a chu trình Brayton là: