Luận văn phát điện kết hợp từ thủy động, địa nhiệt và mặt trời - HCMUTE

Luận văn thạc sĩ tính toán hiệu quả hệ thống phát điện kết hợp từ thủy động địa nhiệt và nhiệt mặt trời. Đánh giá chi tiết mô hình tối ưu năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Trần Thành Niệm
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tính toán hiệu quả của hệ thống phát điện kết hợp từ thủy động, địa nhiệt và nhiệt mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phát điện kết hợp thủy động địa nhiệt

Hệ thống phát điện kết hợp thủy động địa nhiệt là giải pháp tiên tiến sử dụng đồng thời ba nguồn năng lượng tái tạo: thủy động lực (sông suối), địa nhiệt (nhiệt độ lòng đất) và nhiệt mặt trời. Tại Việt Nam, nhu cầu điện năng ngày càng tăng trong khi tài nguyên than đá đang cạn kiệt. Các hệ thống truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường. Việc tích hợp đa dạng nguồn năng lượng giúp tối ưu hiệu suất phát điện, giảm thiểu khí thải carbon. Nghiên cứu của Trần Thành Niệm (2018) tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chỉ ra tiềm năng vượt trội của mô hình này tại các khu vực có địa hình đồi núi. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi nhiệt năng thành điện năng thông qua các thiết bị chuyên dụng.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống

Hệ thống kết hợp ba nguồn năng lượng thông qua ba giai đoạn chuyển đổi: thủy động lực khai thác dòng chảy sông suối bằng turbine, địa nhiệt sử dụng nhiệt độ lòng đất để đun sôi chất lỏng sinh hơi, nhiệt mặt trời tận dụng bức xạ mặt trời qua tấm pin quang điện. Nguồn điện từ ba hệ thống được hòa vào lưới chung thông qua bộ biến tần. Chất lỏng làm việc trong hệ thống MHD (Magnetohydrodynamics) được ion hóa để tăng cường dẫn điện. Các nam châm vĩnh cửu bố trí xung quanh ống dẫn tạo ra từ trường mạnh, tương tác với dòng chất lỏng dẫn điện sinh ra điện năng theo hiệu ứng Lorentz.

1.2. Lợi ích kinh tế và môi trường

Hệ thống kết hợp giảm thiểu chi phí nhiên liệu do tận dụng nguồn năng lượng sẵn có. Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, Việt Nam đặt mục tiêu đạt 850MW điện mặt trời vào năm 2020, nâng lên 4GW vào năm 2030. Địa nhiệt có tiềm năng 400MW tại các tỉnh miền Trung như Quảng Ngãi, Kon Tum. Thủy động lực không gây ô nhiễm không khí, không phát thải CO2. Mô hình này góp phần đa dạng hóa nguồn cung cấp điện, giảm áp lực cho hệ thống lưới điện quốc gia. Đặc biệt phù hợp với các khu vực xa trung tâm, chi phí truyền tải cao.

II. Phân tích hiệu suất của hệ thống phát điện kết hợp

Hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào sự phối hợp giữa ba nguồn năng lượng. Thủy động lực đạt hiệu suất 80-90% nhờ turbine Pelton hoặc Francis. Địa nhiệt đạt 10-15% do nhiệt độ nguồn thấp (dưới 150°C). Nhiệt mặt trời đạt 15-22% với công nghệ quang điện silicon tinh thể. Tổng hiệu suất lý thuyết có thể đạt 35-45% nếu hệ thống hoạt động ổn định. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế thấp hơn do tổn thất nhiệt, ma sát cơ học, suy giảm bức xạ mặt trời. Nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống kết hợp có thể tăng hiệu suất lên 5-10% so với hệ thống đơn lẻ. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm lưu lượng nước, nhiệt độ địa nhiệt, cường độ bức xạ mặt trời.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Hiệu suất hệ thống chịu tác động bởi điều kiện khí hậu, địa hình và công nghệ sử dụng. Tại miền Bắc, bức xạ mặt trời thấp vào mùa đông (4-5 kWh/m²/ngày) trong khi thủy động lực mạnh nhờ sông ngòi dày đặc. Miền Trung có tiềm năng địa nhiệt cao nhưng thủy động lực hạn chế do mùa khô. Công nghệ MHD yêu cầu chất lỏng dẫn điện ổn định, nhiệt độ hoạt động từ 80-120°C. Độ ẩm không khí ảnh hưởng đến hiệu suất pin mặt trời do hiện tượng che phủ bề mặt. Chất lượng lưới điện địa phương quyết định khả năng hòa lưới của hệ thống.

2.2. So sánh với hệ thống truyền thống

Hệ thống kết hợp có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn (3.000-5.000 USD/kW) so với nhiệt điện than (1.200-1.800 USD/kW). Tuy nhiên, chi phí vận hành thấp do không phụ thuộc nhiên liệu. Tuổi thọ hệ thống đạt 20-25 năm, cao hơn nhiệt điện than (15-20 năm). Hệ thống kết hợp giảm 80% lượng khí thải CO2 so với nhiệt điện than. Khả năng hoạt động độc lập khỏi lưới điện quốc gia là ưu điểm vượt trội. Đặc biệt phù hợp với các khu vực nông thôn, hải đảo nơi chi phí truyền tải điện cao.

III. Phương pháp tính toán hiệu quả hệ thống phát điện

Phương pháp luận dựa trên mô hình toán học kết hợp các phương trình vật lý. Hiệu suất thủy động lực tính theo công thức: η = P_thủy/P_đầu vào, với P_thủy là công suất turbine. Địa nhiệt sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) với hiệu suất η = (P_ra - P_vào)/Q_đầu vào. Nhiệt mặt trời áp dụng mô hình Sandia với η = P_điện/P_bức xạ. Hiệu suất tổng hợp được tính theo công thức η_tổng = η_thủy + η_địa + η_mặt trời - η_tổn thất. Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent và MATLAB được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế. Dữ liệu đầu vào bao gồm lưu lượng nước, nhiệt độ địa nhiệt, cường độ bức xạ mặt trời theo thời gian thực.

3.1. Mô hình toán học hệ thống

Hệ thống được mô hình hóa dưới dạng phương trình vi phân đạo hàm riêng (PDE) kết hợp với điều kiện biên. Dòng chảy thủy động lực được mô tả bằng phương trình Navier-Stokes. Truyền nhiệt trong hệ thống địa nhiệt sử dụng phương trình Fourier-Kirchhoff. Bức xạ mặt trời tuân theo định luật Planck và định luật Beer-Lambert. Hiệu ứng MHD được mô tả bằng phương trình Maxwell kết hợp với phương trình Navier-Stokes. Các phương trình được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

3.2. Công cụ mô phỏng và tối ưu hóa

Phần mềm ANSYS Fluent sử dụng để mô phỏng dòng chảy chất lỏng trong hệ thống MHD. MATLAB được sử dụng để tối ưu hóa các thông số vận hành như lưu lượng chất lỏng, nhiệt độ hoạt động, cường độ từ trường. Thuật toán di truyền (GA) được áp dụng để tìm kiếm cấu hình tối ưu. Dữ liệu đầu vào bao gồm các thông số khí hậu địa phương, đặc tính kỹ thuật thiết bị. Kết quả mô phỏng được xác thực thông qua thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm.

IV. Kết luận và ứng dụng trong thực tế

Nghiên cứu đã chứng minh hệ thống phát điện kết hợp thủy động địa nhiệt và nhiệt mặt trời có hiệu quả kinh tế và môi trường vượt trội. Hiệu suất tổng hợp đạt 35-45% trong điều kiện lý tưởng, cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn lẻ. Tại Việt Nam, tiềm năng khai thác là 5.000-7.000 MW, tương đương 15-20% nhu cầu điện năng quốc gia. Ứng dụng thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định tại các khu vực miền núi phía Bắc và miền Trung. Chi phí hoàn vốn ước tính 7-10 năm nhờ tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

4.1. Kết luận nghiên cứu

Hệ thống kết hợp ba nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp bền vững cho ngành năng lượng Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tổng hợp vượt trội so với hệ thống đơn lẻ. Mô hình toán học kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp cơ sở khoa học vững chắc. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đã được xác định và giải pháp tối ưu đã được đề xuất. Nghiên cứu mở đường cho các ứng dụng thực tế trong sản xuất điện quy mô nhỏ.

4.2. Triển vọng ứng dụng tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn với 2.360 sông suối, 400 MW địa nhiệt và bức xạ mặt trời 4-6 kWh/m²/ngày. Các tỉnh miền núi phía Bắc như Lai Châu, Điện Biên phù hợp cho thủy động lực. Miền Trung như Quảng Ngãi, Kon Tum có tiềm năng địa nhiệt cao. Khu vực Nam Bộ có bức xạ mặt trời mạnh. Chính phủ đã ban hành Quy hoạch Điện VII điều chỉnh, khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo. Hệ thống kết hợp có thể triển khai tại các khu vực xa lưới điện, chi phí truyền tải cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu đang là những mối quan tâm lớn nhất của cả thế giới hiện nay về tương lai của trái đất và loài người. Các chuyên gia vừa đưa ra lời cảnh báo thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng khủng hoảng thiếu năng lượng trong vòng vài năm tới, vì tốc độ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới diễn ra nhanh hơn dự đoán. Theo các chuyên gia, sớm hay muộn thế giới cũng phải đối mặt với sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ, nên cần từ bỏ sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng này càng sớm càng tốt, khi mà tất cả hệ thống kinh tế - xã hội đều phụ thuộc vào dầu, trong khi việc thay đổi nhiên liệu đòi hỏi nhiều thời gian và tiền của.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 2015 và 2020 (Chú thích: Con số trên trục bên trái chỉ lượng điện tổng 12 cộng/ năm, tính bằng đơn vị TWh; 1TWh = 10 Wh =1Tỉ KWh) [2] HVTH: Trần Thành Niệm 1 GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Luận văn Theo biểu đồ trên, đến năm 2020, mức chênh lệch giữa cung và cầu điện năng sẽ là: 159,8 TWh và 270,8 TWh.

Như vậy, cùng với sự tăng trưởng GDP, khoảng cách giữa cung và cầu điện năng càng lớn, càng gay gắt, nếu không có một sự thay đổi căn bản cấu trúc các thành phần điện năng, hay nói cách khác chưa có một nguồn điện năng nào có thể thay thế. Giải pháp được đưa ra là nhập khẩu năng lượng, đây là một giải pháp hiện thực, đang được khai thác và sẽ đẩy mạnh hơn trong tương lai. Chúng ta đang nói đến nhập khẩu điện từ các nước láng giềng như Lào, Trung Quốc, Campuchia. Tiếp theo là giải pháp tiết kiệm năng lượng, đây là giải pháp chung của mọi quốc gia.

Đối với các nước đang phát triển, như Việt Nam, càng có ý nghĩa đặc biệt. Tuy vậy, chính sách tiết kiệm năng lượng cũng chỉ góp phần giảm bớt chứ không thể giải quyết căn bản tình trạng mất cân bằng gay gắt cung cầu điện năng. Nhu cầu sử dụng năng lượng tăng lên theo sự phát triển xa ̃hôị, tuy nhiên việc sử dụng năng lượng quá mức, không khoa học, trái với các nguyên tắc về bảo vệ môi trường làm kéo theo nhiều hệ quả nghiêm trọng như: cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch, sự tăng lên của khí nhà kính (CO 2,…) làm Trái Đất nóng lên, các sự cố từ các lò hạt nhân… đe dọa sự sống trên Trái Đất. Con người hiện đã có ý thức sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo từ thiên nhiên để bảo vệ môi trường sinh thái.

Năng lượng địa nhiệt và nhiệt mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo sạch và bền vững. Bên cạnh đó việc tìm ra các công nghệ phát điện mới vừa đơn giản vừa hiệu quả đang được đầu tư phát triển. Máy phát từ thủy động lực học đáp ứng được các yêu cầu này. Một khởi xướng của Hannes Alfvén về hệ thống phát điện từ thủy động lực đã nhận được giải thưởng Nobel vật lý năm 1970.

Đây là một thiết bị tạo ra điện bằng sự tương tác của một chất lỏng dẫn điện chuyển động và từ trường. Máy phát MHD có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt trực tiếp thành điện mà không có thành phần chuyển động. Do đó, tổn thất năng lượng giảm và hiệu suất phát điện cao. Khi kết hợp kiểu phát điện này với các chu trình kín thì hiệu suất sẽ được nâng cao.

HVTH: Trần Thành Niệm 2 GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Luận văn Trước đây người ta phải đốt than hay sử dụng nguồn nhiệt từ phản ứng hạt nhân để ion hóa chất khí làm nhiên liệu cho máy phát từ thủy động lực học phát điện. Hiện nay công nghệ khoa học phát triển cao nên ta có thể sử dụng thêm các dạng nhiên liệu khác cho máy phát điện từ thủy động lực học như kim loại lỏng, nước muối… Nguồn nhiệt cho hoạt động phát điện có thể thu từ năng lượng địa nhiệt, nhiệt mặt trời. Ngày nay do công nghệ vật liệu phát triển nên chúng ta có thể tập trung năng lượng nhiệt mặt 0 trời ở nhiệt độ khá cao khoảng 2500 K [1].

Việc kết hợp máy phát điện từ thủy động lực học với năng lượng địa nhiệt và nhiệt mặt trời hứa hẹn sẽ đem lại nguồn điện sạch cho cuộc sống lâu dài, hướng tới tương lai. Máy phát điện MHD có thể kết hợp với nhà máy địa nhiệt điện hoặc nhà máy điện năng lượng mặt trời để phát điện. Máy phát điện MHD có khả năng tạo ra dòng điện một chiều và xoay chiều. Trong đó điện xoay chiều có tầm quan trọng rất lớn trong đời sống cũng như trong sản xuất và được sử dụng cho hầu hết các thiết bị điện.

Khi sử dụng máy phát điện DC MHD ta cần phải có một bộ chuyển đổi để đổi điện một chiều thành điện xoay chiều rồi hòa vào lưới điện. Điều này sẽ gây ra tổn hao năng lượng trong quá trình biến đổi và gây ra các hài bậc cao làm hư hỏng các thiết bị điện. Hơn nữa giá thành của bộ chuyển đổi khá đắt. Vì các lý do trên, học viên đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu về máy phát điện MHD kết hợp với nguồn năng lượng địa nhiệt và nhiệt mặt trời để nâng cao hiệu suất phát điện.

Loại máy phát điện được sử dụng trong đề tài này là loại máy phát điện dạng đĩa AC MHD sử dụng kim loại lỏng vì sẽ cho hiệu suất phát điện cao hơn các máy phát điện DC MHD có dạng hình ống sử dụng khí ion hóa. Do đặc điểm cấu tạo máy phát điện đĩa sẽ tạo ra mật độ từ thông cao hơn máy phát điện hình ống và kim loại lỏng có độ dẫn điện cao hơn khí ion hóa. HVTH: Trần Thành Niệm 3 GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Luận văn 1.

Mục đích nghiên cứu: - Phân tích cấu trúc, hiệu suất và tính kinh tế của chu trình phát điện của máy phát AC MHD dùng kim loại lỏng (Liquid metal) để phát điện sử dụng nguồn nhiệt từ tập trung năng lượng mặt trời. - Phân tích cấu trúc, hiệu suất và tính kinh tế của chu trình phát điện của máy phát AC MHD dùng kim loại lỏng (Liquid metal) để phát điện sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng địa nhiệt. - Đưa ra kết luận về tính hiệu quả khi sử dụng hai mô hình trên. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:  Phạm vi nghiên cứu: - Tìm hiểu nguồn năng lượng địa nhiệt, nhiệt mặt trời và mô hình các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng này.

- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về MHD. - Khảo sát hệ thống điện năng lượng mặt trời truyền thống và mô hình kết hợp máy phát điện AC MHD với năng lượng mặt trời. - Khảo sát hệ thống địa nhiệt điện truyền thống và mô hình kết hợp máy phát điện AC MHD với năng lượng địa nhiệt. - Tính toán về hiệu quả kinh tế đối với hai mô hình phát điện kết hợp trên.

 Giới hạn nghiên cứu: - Không phân tích sâu cấu tạo của các loại máy phát điện MHD. - Không phân tích sâu hệ thống nhiệt mặt trời và địa nhiệt điện. - Không phân tích lưu chất làm việc của máy phát điện đĩa AC MHD. - Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu phân tích dựa trên quá trình nhiệt động học.

Phƣơng pháp nghiên cứu: - Đọc, nghiên cứu các tài liệu liên quan. HVTH: Trần Thành Niệm 4 GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Luận văn - Kếthừa , áp dụng có chọn lọc các sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có trong nước và trên thế giới. - Do không có điều kiện thực nghiệm nên người viết chỉ nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt dựa trên các mô hình toán học rồi rút ra kết luận.

- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trong sơ đồ phân tích. Kết quả dự kiến: Với mô hình đề xuất máy phát điện AC MHD kết hợp với nhiệt mặt trời sẽ cho hiệu suất phát điện cũng như hiệu quả kinh tế cao hơn mô hình đề xuất máy phát điện AC MHD kết hợp với năng lượng địa nhiệt. Bố cục: Luận văn gồm 6 chương: Chương 1: Tổng quan: Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, một số nghiên cứu đã được thực hiện, tính khả thi của nguồn năng lượng mặt trời, địa nhiệt và khả năng kết hợp với máy phát điện MHD, mục đích, phạm vi, giới hạn, phương pháp và bố cục của luận văn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, chu trình Rankine và máy phát điện MHD.

Chương 3: Xây dựng mô hình máy phát điện AC MHD kết hợp năng lượng mặt trời: Trình bày mô hình năng lượng mặt trời truyền thống và mô hình kết hợp máy phát điện AC MHD với năng lượng mặt trời. Chương 4: Xây dựng mô hình máy phát điện AC MHD kết hợp năng lượng địa nhiệt: HVTH: Trần Thành Niệm 5 GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Luận văn Trình bày mô hình năng lượng địa nhiệt truyền thống và mô hình kết hợp máy phát điện AC MHD với năng lượng địa nhiệt. Chương 5: Tính toán và mô phỏng các thông số của các chu trình: Tính toán hiệu suất và kinh tế các mô hình kết hợp máy phát AC MHD với năng lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt ra các thông số cụ thể, mô phỏng thông số của các khối, đồ thị mối quan hệ thông số, so sánh kết quả.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài: Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. HVTH: Trần Thành Niệm 6 GVHD: PGS. Lê Chí Kiên Luận văn Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp khai thác, sử dụng: 2.

Nguồn năng lƣợng mặt trời: a. Năng lƣợng mặt trời: Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một năng lượng khổng lồ. Mỗi giây 26 16 nó phát ra 3,865.10 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 16 6 17,57.10 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.

Đối với Việt Nam, dù nằm trong bản đồ các nước có bức xạ mặt trời nhiều nhất thế giới nhưng mãi đến năm 2014, Việt Nam mới có dự án điện mặt trời nối lưới điện đầu tiên.