MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trong những năm gần đây cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cũng tăng rất đáng kể trong khi nguồn tài nguyên năng lượng đang sử dụng ngày càng cạn kiệt. Trước hoàn cảnh đó, các nhà khoa học đã không ngừng chạy đua trong lĩnh vực giải quyết các vấn đề về năng lượng trong đó có hai xu hướng chính đang được nghiên cứu và tập trung. Xu hướng thứ nhất là tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng mới nhằm thay thế các nguồn năng lượng hiện tại như dầu mỏ, khí đốt, than, nhiên liệu hóa thạch.
và xu hướng thứ hai là nâng cao hiệu quả/hiệu suất các hệ thống năng lượng hiện nay. Ở xu hướng thứ nhất, các dạng năng lượng mới có thể kể đến như: năng lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối. tuy nhiên các dạng năng lượng này vẫn còn một số vấn đề cần nghiên cứu và hoàn thiện hơn như giá thành cao, chi phí lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố thiên nhiên hoặc độ biến đổi của nguồn năng lượng lớn. Do vậy, đề tài này chọn xu hướng thứ hai là nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện và một trong những phương pháp nâng cao hiệu suất đó là dùng hệ thống phát điện sử dụng nguyên lý Từ thủy động MHD (MagnetoHydroDynamic).
Đây là một dạng phát điện trực tiếp với nguồn nhiệt sử dụng ở nhiệt độ cao có thể trên 2000K nên được kỳ vọng cho hiệu suất lớn hơn nhiều so với các hệ thống phát điện kiểu truyền thống trước giờ. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có thể tóm tắt như sau: Ngoài nước: Từ thủy động lực đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới, tuy nhiên vẫn chỉ ở mức độ thí nghiệm. Tính hiệu quả kinh tế chưa được nghiên cứu sâu vì đây là một lĩnh vực mới, vẫn còn đang ở giai đoạn nghiên cứu sơ khởi. 6 Luan van Trong nước: Từ thủy động lực là một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới mẻ nên hầu như chưa có công trình liên quan đến lĩnh vực của đề tài.
Tính cấp thiết Nguyên lý Từ thủy động lực thường được biết như là một hình thức chuyển đổi năng lượng trực tiếp với hiệu suất cao. Chính vì vậy, việc ứng dụng Từ thủy động để phát điện mang lại nhiều mối lợi như nâng cao được hiệu suất nhà máy, cung cấp công suất ra lớn, giải quyết được các vấn đề về cạn kiệt nguồn năng lượng thiên nhiên đồng thời bảo vệ được môi trường. Bên cạnh đó, phát điện kiểu truyền thống sử dụng tuabin khí đã được ứng dụng từ lâu và hiện nay vẫn đang thông dụng. Vì vậy, nghiên cứu một hệ thống phát điện kết hợp cả Từ thủy động và phát điện tuabin khí hiện hành chắc chắn sẽ rất được quan tâm và triển khai rộng rãi trong một tương lai gần nhằm nâng cao hiệu suất phát điện giải quyết được vấn đề thiếu hụt năng lượng.
Mục tiêu và cách tiếp cận Phương pháp phát điện Từ thuỷ động là một trong những hướng nghiên cứu mới hiện đã được xây dựng dưới dạng mô hình thí nghiệm và sẽ được đưa vào sử dụng trong một tương lai gần do hiệu suất phát điện cao. Do đó nhiệm vụ trọng tâm và mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các hiệu ứng xảy ra trong lòng máy phát điện Từ thuỷ động, chủ yếu gồm các vấn đề sau: - Xác định ảnh hưởng của hiệu ứng Hall và hiệu ứng trượt ion đến hiệu suất và công suất ra của máy phát điện Từ thuỷ động. - Phân tích các thông số ảnh hưởng đến quá trình ion hoá không cân bằng trong máy phát điện Từ thuỷ động. Phƣơng pháp, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu dựa vào nghiên cứu lý thuyết về trường điện từ, hiệu ứng xảy ra trong lòng máy phát điện Từ thuỷ động.
Dựa trên lý thuyết các phương trình mô tả chất khí làm việc để tính toán các thông số. Đối tượng nghiên cứu bao gồm những nguyên lý cơ bản của Từ thủy động lực học, các hiệu ứng trong trường điện từ và bên trong chất khí. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong những công việc sau: - Khảo sát nguyên lý và hệ thống phát điện Từ thuỷ động. - Chỉ nghiên cứu hiệu ứng Hall và hiệu ứng trượt trong chất khí làm việc.
- Phân tích các yếu tố liên quan đến hiệu ứng ion trong lòng chất khí. - Phân tích sự cân bằng năng lượng trong lòng máy phát Từ thuỷ động và trong lòng chất khí. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính như sau: - Phân tích được ưu khuyết điểm của phương pháp phát điện Từ thủy động lực với các phương pháp khác. - Sự ion hoá chất khí bao gồm plasma, phương trình ion hoá.
- Ứng dụng ion hoá trong Từ thuỷ động. - Hiệu ứng Hall, hiệu ứng trượt ion. - Công suất và hiệu suất của phát điện Từ thuỷ động. 8 Luan van CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỪ THỦY ĐỘNG LỰC MHD 1.
Nguyên lý phát điện MHD Từ thủy động (Magnetohydrodynamic – MHD), còn được gọi là động từ học chất lỏng, là môn học nghiên cứu các chất lưu (chất lỏng, plasma.) dẫn điện chuyển động dưới tác động của điện trường hoặc từ trường. Các ví dụ về chất lưu dẫn điện là plasma, nước muối, kim loại dưới dạng lỏng. Lĩnh vực này được nghiên cứu đầu tiên bởi Hannes Alfvén. Các công trình của ông về lĩnh vực này đã được giải thưởng Nobel vào năm 1970.
Ý tưởng cơ bản của từ thủy động lực học là từ trường có thể tác động lực Lorentz lên các điện tích chuyển động trong plasma, gây ra áp suất và dòng điện cảm ứng, và dòng cảm ứng lại sinh ra từ trường cảm ứng thay đổi từ trường tổng. Các phương trình mô tả các hiện tượng từ thủy động lực học là sự kết hợp giữa các phương trình mô tả thủy động lực học và các phương trình Maxwell (mô tả trường điện từ). Cơ sở lý thuyết Từ thủy động dựa trên một hiện tượng điện từ rất quen thuộc, đó là từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tích chuyển động trong đó như hình 1.1) F là lực Lorentz tác động q là điện tích của hạt mang điện chuyển động, v là vận tốc của hạt điện tích B là mật độ từ thông 9 Luan van Hình 1.1: Lực Lorentz tác động lên điện tích chuyển động Hình 1.2: Quan hệ về chiều của dòng điện và chiều của lực Nếu xét một dòng điện chuyển động ngang qua từ trường như hình 1.2 thì chiều của lực tác động lên dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Nguyên lý Từ thủy động lực N S Dòng khí Hình 1.3: Nguyên lý phát điện Tử thủy động lực 10 Luan van Như chúng ta đã biết trong kiểu phát điện truyền thống, khi dây dẫn điện chuyển động trong từ trường thì trên 2 đầu dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng.
Nối kín 2 đầu dây với tải bên ngoài sẽ tạo thành dòng điện chạy trong mạch kín. Với phát điện kiểu Từ thủy động lực ở hình 1.3 trên, một dòng khí tích điện (được ion hóa) thổi qua từ trường thì ở 2 đầu bản cực nối với tải bên ngoài sẽ xuất hiện dòng điện. Như vậy, điểm khác biệt cơ bản giữa 2 kiểu phát điện là ở chỗ: trong kiểu Từ thủy động lực, dòng điện chảy chính ngay trong lòng luồng khí thay cho chảy trong dây dẫn chuyển động như trong kiểu truyền thống. Vì vậy, phát điện Từ thủy động lực được coi là một dạng phát điện trực tiếp mà không cần bộ phận chuyển động (cánh quạt, tuabin, rotor, dây dẫn), chổi than, cổ góp.
Những nghiên cứu trên thực tế về MHD đã được thực hiện đầu tiên vào năm 1938 ở Mỹ và cho đến ngày nay đã được phát triển ở nhi ều nước [1]. Máy phát điện Từ thủy động (MHD) thường có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần có các chi tiết phải bôi trơn. Khí làm việc của các hệ thống như vậy thường là các chất khí ở dạng plasma rất nóng, có thể kết hợp với các hệ thống truyền thống tái sử dụng lượng nhiệt này để cung cấp nhiệt cho tuabin (như máy phát điện hơi nước) để phát điện. Những hệ thống kết hợp MHD-tuabin hơi kiểu này thường có hiệu suất rất cao tuy nhiên những phương pháp phát điện truyền thống hiện vẫn chiếm ưu thế do công nghệ rẻ hơn.
Máy phát Từ thủy động chu trình mở vận hành với nhiên liệu hóa thạch đốt cho qua hệ thống MHD sau đó kết hợp với tuabin hơi được vận hành thử nghiệm vào khoảng năm 1965. Máy phát MHD chu trình kín thường thường sử dụng nhiên liệu từ lò hạt nhân, nhưng có khi cũng dùng nhiên liệu hóa thạch. Chất dẫn điện trong MHD có thể là khí hoặc kim loại lỏng nhiệt độ làm việc thông thường khoảng 3000K trong khi đối với tuabin hơi nhiệt độ giới hạn khoảng 850K và với các máy phát tuabin hơi 11 Luan van hiệu suất đạt dưới 42%. Đối với các máy phát MHD không có bộ phận chuyển động quay nên có thể nâng nhiệt độ lên cao nên cho hiệu suất cao hơn.
Chất khí ion hóa 1. Tƣơng tác của điện tử Chất khí sử dụng trong máy phát điện MHD phải là dạng plasma tức là bị ion hóa để tăng độ dẫn điện, vì vậy ở đây chúng ta khảo sát sơ lược mô hình những tương tác của điện tử trong chất khí bị ion hóa trong từ trường. Trong chất khí tại trạng thái cân bằng, các nguyên tử, các ion và các điện tử chuyển động ngẫu nhiên. Vận tốc của chúng được xem là một giá trị trung bình mà sẽ tăng khi nhiệt độ tăng.
Xét một điện tử tự do chuyển động không va chạm theo một quỹ đạo tròn trong một từ trường đồng nhất như hình 1. B ce F=qce B r ce ce Hình 1.4: Quỹ đạo tròn của một điện tử trong từ trường Theo công thức (1), độ lớn lực Lorentz là hằng số và được xác định bằng: F qce B [N] (1.2) Trong đó, q là điện tích của điện tử, ce là độ lớn vận tốc của điện tử (khi không có từ trường thì vận tốc của điện tử ce cũng chính là vận tốc dòng khí u), và B là cường độ từ trường. Bởi vì lực Lorentz này vuông góc với hướng di chuyển nên điện tử chuyển với vận tốc không đổi trên quỹ đạo tròn xung quanh đường sức từ trường.