Chương 1: Tổng quan 1. Giá trị thực tiễn - Đề tài “Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lƣợng mặt trời” nhằm làm cơ sở để lập kế hoạch xây dựng nhà máy điện mặt trời hiệu suất cao phù hợp với điều kiện địa lý, nguồn nhân lực và tiềm lực kinh tế của đất nước. - Tạo ra mô hình nhà máy điện mới sử dụng NLMT với hiệu suất cao góp phần cải thiện môi trường thiên nhiên. Bố cục Luận văn bao gồm 5 chương cụ thể như sau.
Chƣơng 1: Tổng quan. Trình bày nhu cầu năng lượng trong thời gian 2015 – 2020. Tính khả thi của nguồn năng lượng mặt trời và tiềm năng kết hợp với máy phát MHD. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa, giới hạn và bố cục của đề tài.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn NLMT, nguyên lý hoạt động máy phát MHD, LMMHD và phân tích động học của chu trình phát điện tua bin khí, tuabin hơi. Chƣơng 3: Phân tích chu trình Xây dựng chu trình phát điện, phân tích nhiệt động lực học của từng khối trong chu trình (P, T, Q, S) từ đó tính toán ra thông số và hiệu suất của chu trình. Chƣơng 4: Tính toán và mô phỏng chu trình Trình bày các bài toán ứng dụng phân tích chu trình ra các thông số cụ thể, mô phỏng thông số của các khối, đồ thị mối quan hệ thông số, so sánh kết quả với các mô hình truyền thống. Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài.
Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. HVTH: Lý Nhật Minh Trang 8 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp khai thác sử dụng 2.1 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 nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6. Phổ bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền của sóng điện từ.
Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng . Đặc điểm bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất Ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ: - Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển. - Bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ,. Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát.
Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời. Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất [1]. HVTH: Lý Nhật Minh Trang 9 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia trong lớp khí quyển.
Độ dài này phụ thuộc vào độ cao của mặt trời. Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất. Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất [1].1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển [1] 2.2 Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời Năng lươ ̣ng mă ̣t trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biế t sử dụng từ rất sớm , nhưng ứng du ̣ng NLMT vào các công nghê ̣ sản xuấ t và trên quy mô rô ̣ng thì mới chỉ thực sự vào cuố i thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT, những vùng sa ma ̣c. Từ sau các cuô ̣c khủng hoả ng năng lươ ̣ng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng đươ ̣c đă ̣c biê ̣t quan tâm.
Các nước công nghiệp phát triể n đã đi tiên phong trong viê ̣c nghiên cứu ứng du ̣ng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biế n hiê ̣n nay bao gồ m các liñ h vực chủ yế u sau: HVTH: Lý Nhật Minh Trang 10 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.2: Các mô hình khai thác năng lượng mặt trời [11] a. Ao năng lƣợng mặt trời (Solar pond): Ao năng lượng mặt trời rộng, nước nông, thường được đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen.
Nhiệt độ dưới đáy ao có thể lên đến 1000C [11] trong khi nước trên bề mặt vẫn giữ ở nhiệt độ không khí. Ao có ba lớp nước chính. Từ trên xuống dưới, lớp trên được gọi là vùng bề mặt, vùng chênh lệch và vùng lưu trữ. Hàm lượng muối trong ao tăng từ trên xuống dưới.
Nước trong vùng lưu trữ là rất mặn. Nước nóng trong vùng lưu trữ được dẫn đường ống để một nồi hơi, nơi nó được làm nóng hơn nữa để tạo ra hơi nước, đưa đến đĩa của tuabin. Hệ thống pin quang điện (Photovoltaic system): Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ.
Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, xe NLMT và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống. HVTH: Lý Nhật Minh Trang 11 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết c.
Ống khói mặt trời (Solar chimney): Hệ thống nhiệt điện này giống như một nhà kính khổng lồ, các hệ thống gương phản xạ bức xạ mặt trời đốt nóng phần không khí bên dưới tháp tạo thành một dòng khí nóng tuần hoàn từ dưới lên. Trên đường đi của dòng khí người ta đặt các tuabin để phát điện. Tháp mặt trời (Solar tower): sử dụng gương phản xạ định vị theo phương mặt trời để tập trung bức xạ mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới 15000C [11]. Nhiệt độ này dùng để đốt nóng môi chất quay tua bin khí.
Đĩa Parabol (Parabolic dish): sử dụng các đĩa Parabol hội tụ bức xạ mặt trời vào một điểm để gia nhiệt môi chất làm quay máy phát điện. Nhiệt độ tại điểm hội tụ rất cao có thể đạt tới 35000C [11]. Hệ thống này cũng thường kết hợp với động cơ nhiệt (động cơ Stirling) tạo ra sức cơ quay máy phát điện và các thiết bị khác. Ngoài ra nhiệt lượng thu được từ việc tập trung bức xạ mặt trời còn được sử dụng với các mục đích dân dụng như: - Bếp nấu ăn dùng NLMT.
- Hệ thống nước nóng dùng NLMT. - Hệ thống sấy dùng NLMT. - Hệ thống chưng cất nước dùng NLMT. - Động cơ Stirling dùng NLMT.
- Thiết bị làm lạnh dùng NLMT.3 Tập trung NLMT hiệu suất cao a. Bộ tập trung NLMT Bộ thu năng lượng mặt trời chính là cánh đồng gương phản xạ với một tháp trung tâm. Các thiết kế của cánh đồng gương phản xạ là một quá trình phức tạp, trong đó có nhiều chi tiết được địa điểm cụ thể và ứng dụng cụ thể. Các góc độ khu vực thu ánh sáng mặt trời được thực hiện càng lớn càng tốt để cho phép các nhà máy với quy mô lớn mà không cần đến tòa tháp cao bất hợp lý.
Tập trung năng HVTH: Lý Nhật Minh Trang 12 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết lượng mặt trời ngoài tháp Solar concentration off-tower (SCOT) là mô hình được chọn. Trong thiết kế này, mật độ thu gom các tia sáng sẽ đạt được hiệu suất tối đa có thể, tránh tổn thất bóng quá mức trong điều kiện ngoài thiết kế. Điều này có thể làm giảm năng lượng thu được ở điểm điều kiện thiết kế, nhưng làm tăng năng lượng thu được tại các thời điểm khác, và do đó có thể làm tăng năng lượng trung bình hàng năm [9].3: Sơ đồ nhà máy SCOT [9] a) Cấu trúc nhà máy b) Tổng thể nhà máy b.
Bộ thu NLMT Việc đạt được nhiệt độ cao trong một máy thu năng lượng mặt trời hiệu suất hợp lý đòi hỏi phải có một máy thu không đẳng nhiệt hoặc phân tán. Tổn thất thu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ thu, và các thành phần tổn hao chính trong một máy thu nhiệt độ cao là không khí làm tăng với nhiệt độ tạo ra năng lượng. Để giảm những tổn thất máy thu phân tán này người ta chia các độ mở ống kính máy vào các phân đoạn có nhiệt độ khác nhau, và lưu chất chạy trong ống được đun nóng liên tục thông qua các phần theo thứ tự tăng thông lượng bức xạ và nhiệt độ. Do đó, một phần lớn của ống thu là ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tối đa của máy thu, và những tổn thất được giảm đáng kể so với một thiết kế được cân bằng nhiệt hoặc đẳng nhiệt.
HVTH: Lý Nhật Minh Trang 13 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luận Văn Thạc Sĩ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.4: Bộ tập trung không đối xứng [9] Với bề mặt nhẵn được thiết kế trong hai cấu hình khác nhau ở mặt cắt ngang phía Bắc – Nam và mặt cắt ngang phía Đông-Tây, nhằm mục đích thu bức xạ với góc mở khác nhau.