Chương 1: Tổng quan 3 Phần cuối của chu trình được nghiên cứu và phát triển bởi CDIF. 4 Phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than được Westinghouse Electric nghiên cứu cùng với sự kết hợp của công ty điện lực Montana. Chương trình thử nghiệm đã kết thúc vào năm 1993 với hơn 4000 giờ hoạt động. Tại Nhật Bản: Vào cuối những năm 1980 tại Nhật người ta tập trung vào phát điện MHD có chu trình kín.
Nghiên cứu này phù hợp với điều kiện của Nhật Bản với công suất nhỏ hơn 100MW, thiết kế nhỏ gọn không ô nhiễm môi trường. Máy phát đầu tiên phải kể đến là công trình Fuji-1 do viện công nghệ Tokyo chế tạo. Đây là 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 hiệu suất EE lên đến 30,2 % [4]. Năm 1994 dự án 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 đạt được là 60% [4].
Tại Australia: Năm 1986 giáo sư Hugokal Mersserle tại đại học Sydney đã nghiên cứu MHD dùng nhiên liệu than kết quả là hàng loạt nhà máy điện đã được đưa vào hoạt động bên ngoài Sydney. Tại Italia: Vào năm 1989 Italia bắt đầu nghiên cứu MHD theo 3 lĩnh vực chính. 1 Nghiên cứu mô hình MHD. 2 Phát triển nam châm siêu dẫn.
3 Đưa MHD vượt qua lò hơi trở thành máy phát 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 [4]. Trong những năm đầu của thế kỷ XXI chu trình MHD kín ( MHD plasma) đã có những nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien, Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín được báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến là 55,2 % [6].
HVTH: Lý Nhật Minh Trang 6 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luan van Luận Văn Thạc Sĩ Chương 1: Tổng quan 1. Mục tiêu nghiên cứu - Phân tích cấu trúc và hiệu suất của chu trình phát điện MHD sử dụng Plasma (khí ion hóa) và MHD dùng kim loại lỏng (Liquid metal) để phát điện. Hai mô hình này sử dụng nguồn nhiệt từ tập trung năng lượng mặt trời.
- Phân tích tính toán các thông số tại các nút trong chu trình MHD hỗn hợp và chu trình MHD dùng kim loại lỏng để đưa ra hiệu suất của chu trình phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện này còn sơ khai nên chưa có đủ điều kiện thực nghiệm. Vì vậy tác giả chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học của chất khí sau đó 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. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về MHD. - Khảo sát hệ thống MHD hỗn hợp và hệ thống LMMHD sử dụng năng lượng mặt trời. Giới hạn của đề tài - Không phân tích cấu tạo máy phát MHD.
- Không phân tích hệ thống thu NLMT. - Không phân tích lưu chất làm việc của MHD. - Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu dựa trên phân tích quá trình nhiệt động lực học. Điểm mới của đề tài - Kết hợp NLMT với máy phát MHD để phát điện.
- Phân tích T-S tìm ra năng lượng các khối trong chu trình để tính toán hiệu suất từ đó đề ra giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy điện sử dụng NLMT. HVTH: Lý Nhật Minh Trang 7 GVHD: TS. Lê Chí Kiên Luan van Luận Văn Thạc Sĩ 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.