Đặt vấn đề Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường, khủng hoảng về nhu cầu năng lượng đang diễn ra hết sức gay gắt không chỉ ở Việt Nam mà còn xuất hiện ở các quốc gia khác trên thế giới. Năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng có vai trò rất quan trọng và ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực đời sống kinh tế xã hội. Việt Nam một trong những nước đang phát triển nhưng còn nhiều hạn chế về mặt năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện trong khi nhu cầu không ngừng tăng nhanh. Đứng trước tình hình tài nguyên năng lượng truyền thống ngày càng khan hiếm, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là vấn đề cần thiết, trong đó việc tìm ra các nguồn năng lượng mới cũng như năng lượng tái tạo đã trở thành ưu tiên quan trọng trong chính sách năng lượng quốc gia, trong đó năng lượng mặt trời đang được ưu tiên khai thác.
Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE. Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước.
Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của Miền Trung và Miền Nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ về việc Phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 1 Luan van 2030, tầm nhìn đến năm 2050 đã nêu rõ định hướng phát triển nguồn năng lượng mặt trời: “Phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia. Điện năng sản xuất từ năng lượng mặt trời tăng từ khoảng 10 triệu kWh năm 2015 lên khoảng 1,4 tỷ kWh vào năm 2020; khoảng 35,4 tỷ kWh vào năm 2030 và khoảng 210 tỷ kWh vào năm 2050.
Đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng mặt trời trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức không đáng kể hiện nay lên đạt khoảng 0,5% vào năm 2020, khoảng 6% vào năm 2030 và khoảng 20% vào năm 2050. Phát triển các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nhiệt cho các hộ gia đình; sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ. Tổng năng lượng mặt trời cung cấp nhiệt tăng từ 1,1 triệu TOE năm 2020 lên khoảng 3,1 triệu TOE năm 2030 và 6,0 triệu TOE năm 2050” Chính vì vậy mà việc đẩy nhanh ứng dụng và nghiên cứu các giải pháp nhằm khai thác có hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Trong đó, việc nghiên cứu “Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời thụ động kết hợp với từ thuỷ động” là một trong những hương nghiên cứu mới, có khả năng đưa vào sử dụng trong tương lai nhằm góp phần giải quyết bài toán nan giải về điện năng cũng như nhu cầu về năng lượng trong các lĩnh vực khác.Tổng quan về MHD và các kết quả đã nghiên cứu Máy phát điện từ thuỷ động lực (MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học.
MHD có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần phải có các chi tiết cần được bôi trơn (chuyển động cơ học). Khí thải của hệ thống MHD thường là các dòng plasma nóng và chúng có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (turbin hơi nước hay tuabin khí). Về mặt nhiệt động lực học, các máy phát điện từ thủy động lực thường hoạt động theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Camot trong điều kiện lý tưởng. Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
2 Luan van Cuộn dây Điện cực Solenoides phân đoạn B Đầu vào v I Vòi phun tăng tốc Đầu ra Hình 1. Cấu tạo máy phát MHD MHD có một vai trò to lớn trong việc nâng cao hiệu suất của một nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch, chất dẫn điện trong MHD có thể là kim loại lỏng hoặc khí làm việc ở nhiệt độ rất cao lên đến 3000°K trong khi với máy phát điện thông thường tuabin hơi chỉ làm việc với nhiệt độ khoảng 1000oK. Về mặt hiệu suất cũng vậy nếu máy phát điện tuabin hơi thường có hiệu suất khoảng 40% thì máy phát MHD nâng hiệu suất đó lên đến 60%. Máy phát MHD tuy có những ưu điểm như vậy nhưng nó chưa được ứng dụng cho sản xuất điện năng với quy mô lớn do có những vấn đề về kỹ thuật cũng như về sự chênh lệch giá thành so với các tuabin khí ngày càng phát triển.
Máy phát MHD chu trình hở thường vận hành với nhiên liệu hóa thạch sau đó kết hợp với tuabin hơi và được nghiên cứu vào những năm đầu của thập nhiên 60. Máy phát MHD chu trình kín thường vận hành với nhiên liệu từ lò phản ứng hạt nhân. Vì có khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao nên MHD được phát triển như một chu trình đứng đầu để nâng cao hiệu quả của nhà máy điện tuabin khí đặc biệt là khi đốt than hay nhà máy điện hạt nhân vì vậy MHD nên được sử dụng với chu trình kết hợp. * Lịch sử phát triển và hướng nghiên cứu trên thế giới: Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1938 tại Hoa Kỳ và được 3 Luan van cấp bằng sáng chế số 2210918 “Quy trình chuyển đổi năng lượng” vào ngày 13 tháng 8 năm 1940.
Chiến tranh thế giới lần thứ II đã làm gián đoạn sự phát triển của máy phát từ thủy động lực mãi đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát điện MHD đã được tổ chức tại Newcastle (Vương Quốc Anh) do tiến sĩ Brian C Lindley nghiên cứu và tổ chức. Năm 1964 hội nghị lần thứ hai đã được tổ chức ở Paris (Pháp) với sự tham gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu. Tháng 7 năm 1966 hội nghị lần thứ ba với sự tài trợ của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã được tổ chức tại Salzburg ( Áo). Thực tế trong những năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát điện MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi R ROSA.
Đến cuối những năm 1960 sự quan tâm đến máy phát MHD đã bị từ chối do sự phát triển phổ biến của điện hạt nhân nguyên tử. Vào những năm cuối thập niên 1970 khi sự quan tâm đến điện hạt nhân bị giảm xuống thì người ta lại có xu hướng quay trở lại quan tâm đến MHD. Năm 1975 UNESCO khuyến cáo nên nghiên cứu MHD và coi đó như là một phương pháp hiệu quả nhất để sử dụng trữ lượng than đá trên thế giới và UNESCO đã trở thành nhà tài trợ chính cho ILGMHD. * Vài nét về máy phát từ thủy động lực ở các quốc gia trên thế giới: - Tại Hoa Kỳ: trong những năm đầu của thập niên 1980 bộ năng lượng mỹ bắt đầu chương trình phát triển mạnh mẽ MHD mà đỉnh cao là máy phát 50MW (năm 1992) dùng chu trình hở (chu trình đốt than).
- Tại Nhật Bản : vào cuối những năm 1980 tại Nhật người ta tập trung vào máy phát điện MHD có chu trình kín. Việc nghiên cứu đó phù hợp với điều kiện của Nhật Bản với công suất của nhà máy nhỏ hơn 100 MW khi đó có ưu thế là thiết bị nhỏ gọn không gây ô nhiễm môi trường còn chu trình hở chạy bằng than chỉ vận hành kinh tế nếu công suất trên 200MW. Tại Nhật Bản đầu tiên chúng ta phải kể đến công trình FUJI - 1 được viện công nghệ Tokyo nghiên cứu. Hệ thống này là 4 Luan van một máy phát dạng đĩa với helium, khí argon và hạt ion hóa kali.
Kết quả của thí nghiệm cho mật độ điện gần 100MW/m3 và hiệu suất EE lên đến 30,2%. Năm 1994 kế hoạch FUJI - 2 được xây dựng dựa trên FUJI - 1 hệ thống này sử dụng khí trơ thông qua máy phát dạng đĩa với mục đích là khai thác enthapy 35% và hiệu suất phải đạt được là 60% tiến tới trang bị thêm 300MW cho nhà máy điện sử dụng khí thiên nhiên. - Tại Australia: năm 1986 giáo sư Hugokal Mersserle tại đại học Sydney đã nghiên cứu MHD dùng nhiên liệu là than đốt kết quả là hàng loạt nhà máy điện đã đi vào hoạt động bên ngoài Sydney. - Tại Italia: vào năm 1989 Italia bắt đầu nghiên cứu MHD theo 3 lĩnh vực chính: + Nghiên cứu mô hình MHD.
+ Phát triển nam châm siêu dẫn với mục tiêu là vào năm 1994 có một nhà máy điện MHD công suất lớn. + Đưa MHD vượt qua lò hơi và trở thành nhà máy điện chính. - Tại Nga: năm 1994 Nga đã phát triển và điều hành cơ sở than U - 25 tại Viện hàn lâm khoa học Nga ở Moscow và quan tâm đến MHD dạng đĩa dùng nhiên liệu than. - Tại Đức: Theo hội nghị được tổ chức tại Munich (Đức) với sự tham gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu; Bộ Giáo Dục và Khoa học Đức thì chu trình MHD mở coi như đã đạt đến giai đoạn nguyên mẫu trong khi có những tiến bộ đáng kể được thực hiện trong hệ thống MHD khép kín nó là mối quan tâm đặc biệt trong việc kết nối với lò phản ứng hạt nhân tiên tiến.
Trong những năm đầu của thế kỉ XXI chu trình MHD kín (MHD plasma) đã có những nghiên cứu và phát triển. Các nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien, Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín đã được báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến đạt 55,2%. Nghiên cứu này cho thấy MHD kín phù hợp với lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao, không gây ô nhiễm môi trường 5 Luan van Hình 1.