Luận Văn Thạc Sĩ Về Tiết Kiệm Chi Phí Hệ Thống Phát Điện Chu Trình Kín Sử Dụng Thủy Động Lực Học

Tổng hợp kiến thức Tiết Kiệm Chi Phí Hệ Thống Phát Điện Chu Trình Kín Từ Thủy Động Lực Học, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả

• Tác giả: Kim Thị Nguyệt Nhung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Tiết Kiệm Chi Phí Hệ Thống Phát Điện Chu Trình Kín Từ Thủy Động Lực Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết
• 1.2.1. Các nghiên cứu về MHD hiện nay trên thế giới
• 1.2.2. Các nghiên cứu về MHD hiện nay tại Việt Nam
• 1.3. Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Giới hạn đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kết quả dự kiến và giá trị thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện MHD
• 2.2. Các loại máy phát điện MHD
• 2.3. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MHD
• 2.3.1. Ưu điểm
• 2.3.2. Nhược điểm
• 2.4. Nguyên lý làm việc của chu trình tuabin khí
• 2.5. Chu trình phát điện MHD và chất lỏng hoạt động
• 2.5.1. Hệ thống phát điện MHD chu trình hở
• 2.5.2. Hệ thống phát điện MHD chu trình kín
• 2.6. Máy nén

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng gia tăng và nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt, việc tiết kiệm chi phí cho các hệ thống phát điện trở thành một vấn đề cấp thiết. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng từ thủy động lực học (MHD). MHD là một công nghệ mới, hứa hẹn mang lại hiệu suất năng lượng cao hơn so với các hệ thống truyền thống. Việc áp dụng MHD không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo. Theo nghiên cứu, việc sử dụng MHD có thể giảm thiểu chi phí sản xuất điện, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

1.1. Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết

Nghiên cứu về MHD đã được thực hiện trên toàn cầu, với nhiều ứng dụng khác nhau từ máy phát điện đến tàu ngầm. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về MHD đang trong giai đoạn đầu, nhưng đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ này có thể mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Đề tài này nhằm phân tích và tính toán lợi nhuận từ việc áp dụng MHD trong sản xuất điện, từ đó giảm chi phí nhiên liệu và hạ giá thành sản xuất điện. Mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab sẽ được áp dụng để tối ưu hóa các thông số, từ đó cung cấp công cụ hữu ích cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực này.

II. Cơ sở lý thuyết

Máy phát điện MHD hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng mà không cần các bộ phận chuyển động quay. Nguyên lý này cho phép máy phát điện MHD hoạt động ở nhiệt độ cao, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng máy phát MHD có thể đạt hiệu suất cao hơn 60% khi kết hợp với các hệ thống khác như tuabin khí. Việc sử dụng năng lượng sạch và giảm thiểu ô nhiễm là một trong những ưu điểm nổi bật của công nghệ này. Tuy nhiên, việc phát triển MHD vẫn gặp nhiều thách thức về chi phí và công nghệ, cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí đầu tư.

2.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện MHD

Máy phát điện MHD sử dụng nguyên lý Lorentz để tạo ra dòng điện từ chuyển động của chất lỏng dẫn điện. Khi chất lỏng này di chuyển qua từ trường, lực Lorentz sẽ tác động lên các điện tích trong chất lỏng, tạo ra dòng điện. Điều này cho phép máy phát điện MHD hoạt động hiệu quả mà không cần các bộ phận cơ khí phức tạp. Hệ thống này có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, từ than đá đến năng lượng hạt nhân, giúp đa dạng hóa nguồn năng lượng và giảm thiểu chi phí sản xuất điện.

III. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MHD

Hệ thống MHD có nhiều ưu điểm như khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, độ bền cơ học cao và chi phí bảo trì thấp. Hệ thống này cũng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với các nhà máy nhiệt điện truyền thống. Tuy nhiên, MHD cũng gặp phải một số nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao và các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc duy trì hiệu suất trong thời gian dài. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ MHD cần được tiếp tục để khắc phục những nhược điểm này và tối ưu hóa hiệu suất.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Việc áp dụng công nghệ MHD trong sản xuất điện có thể mang lại nhiều lợi ích cho nền kinh tế. Các nhà hoạch định chính sách có thể sử dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các chiến lược năng lượng bền vững, đồng thời khuyến khích đầu tư vào công nghệ xanh. Hệ thống MHD không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường, đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng truyền thống và mới trở thành vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, nguồn tài nguyên năng lượng hiện tại như dầu mỏ, khí đốt và than đá đang dần cạn kiệt, đồng thời chi phí sản xuất điện từ các nguồn này ngày càng tăng. Đề tài nghiên cứu tập trung vào phương pháp tiết kiệm chi phí hệ thống phát điện chu trình kín sử dụng nguyên lý Từ thủy động lực học (MHD - MagnetoHydroDynamic), một công nghệ phát điện trực tiếp với hiệu suất cao nhờ vận hành ở nhiệt độ trên 2000°K. Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phát điện MHD kết hợp với tuabin khí và tuabin hơi nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư, vận hành và nhiên liệu, từ đó giảm giá thành sản xuất điện.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích chu trình phát điện MHD kết hợp với tuabin khí và tuabin hơi, khảo sát chi phí phát điện hiện nay và thiết lập quan hệ chi phí năng lượng đầu ra theo chi phí nhiên liệu đầu vào. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ nhà máy nhiệt điện Yên Thế với công suất 50 MW, vận hành 6500 giờ/năm, nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng công nghệ MHD trong điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ tính toán, mô phỏng và đề xuất giải pháp tiết kiệm chi phí cho các nhà máy nhiệt điện, góp phần thúc đẩy công nghiệp hóa, hiện đại hóa và phát triển nguồn năng lượng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Nguyên lý làm việc của máy phát điện MHD: Máy phát điện MHD chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng hoặc động năng của dòng chất lỏng dẫn điện (plasma hoặc kim loại lỏng) thành điện năng dựa trên định luật Lorentz và định luật Faraday. Máy phát MHD hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao (trên 2000°K), không có bộ phận chuyển động quay, giảm chi phí bảo trì và tăng độ bền cơ học.

• Chu trình phát điện kết hợp MHD - Tuabin khí - Tuabin hơi: Chu trình Brayton và Rankine được kết hợp để tận dụng tối đa nhiệt lượng còn lại sau máy phát MHD, nâng cao hiệu suất tổng thể lên đến 65-70%. Hiệu suất chu trình tổng thể được tính theo công thức:

$$ \eta_{net} = \eta_1 + \eta_2 (1 - \eta_1) + \eta_3 (1 - \eta_1 - \eta_2) $$

trong đó $\eta_1$, $\eta_2$, $\eta_3$ lần lượt là hiệu suất của máy phát MHD, tuabin hơi và tuabin khí.

• Chi phí phát điện và tiết kiệm chi phí: Chi phí phát điện (CE) bao gồm chi phí vốn-lắp đặt (CCI), chi phí vận hành-bảo dưỡng (COM) và chi phí nhiên liệu (CF), được biểu diễn theo công thức:

$$ CE = CCI + COM + CF $$

Phân tích chi phí dựa trên các số liệu thực tế và mô hình toán học nhằm đánh giá lợi nhuận và hiệu quả kinh tế của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực tế từ nhà máy nhiệt điện Yên Thế, bao gồm công suất, sản lượng điện, chi phí nhiên liệu, chi phí đầu tư và các thông số kỹ thuật liên quan.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab để tính toán các thông số kỹ thuật, chi phí và lợi nhuận của hệ thống phát điện chu trình kín kết hợp MHD. Phân tích chi phí dựa trên các công thức kinh tế kỹ thuật, đồng thời khảo sát các kịch bản tăng chi phí đầu tư và giá nhiên liệu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào phân tích dữ liệu trong vòng đời dự án 25 năm, với giả định vận hành 6500 giờ/năm, đánh giá lợi nhuận và hiệu quả kinh tế trong suốt thời gian này.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất chu trình kết hợp cao: Hiệu suất tổng thể của hệ thống phát điện chu trình kín kết hợp MHD, tuabin hơi và tuabin khí đạt khoảng 68,3%, cao hơn đáng kể so với hiệu suất 37,6% của nhà máy nhiệt điện Yên Thế hiện tại. Công suất tổ máy tăng từ 50 MW lên 75,9 MW, sản lượng điện tăng từ 0,325 tỷ kWh lên 0,4933 tỷ kWh/năm.

2. Chi phí phát điện hợp lý: Chi phí tiền điện hiện tại của nhà máy Yên Thế là khoảng 0,03896 USD/kWh, phù hợp với khung giá điện quy định. Khi kết hợp MHD, chi phí vốn-lắp đặt và vận hành tăng từ 10% đến 100%, nhưng lợi nhuận vẫn duy trì ở mức cao, ví dụ khi chi phí đầu tư tăng 100%, lợi nhuận sau 25 năm vẫn đạt khoảng 123,57 triệu USD, so với 115,14 triệu USD khi không có MHD.

3. Lợi nhuận tăng đáng kể khi có MHD: Lợi nhuận nhà máy tăng từ 115,14 triệu USD lên đến 192,65 triệu USD khi chi phí đầu tư tăng 10% nhưng có trang bị MHD. Ngay cả khi chi phí đầu tư tăng 100%, lợi nhuận vẫn cao hơn so với không có MHD.

4. Khả năng chịu biến động giá nhiên liệu tốt hơn: Khi giá nhiên liệu tăng 65,58%, nhà máy không có MHD chỉ hoàn vốn sau 25 năm và không sinh lợi nhuận. Trong khi đó, nhà máy có MHD có thể chịu được mức tăng giá nhiên liệu lên đến 182,63% mà vẫn duy trì lợi nhuận.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc ứng dụng công nghệ phát điện từ thủy động lực học trong hệ thống chu trình kín kết hợp với tuabin hơi và tuabin khí mang lại hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí nhiên liệu đáng kể. Việc tăng công suất và sản lượng điện giúp giảm chi phí cố định trên mỗi kWh, đồng thời giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ trên đơn vị điện năng sản xuất, từ đó tăng lợi nhuận cho nhà máy.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất chu trình kết hợp MHD - tuabin khí - tuabin hơi đạt mức cao hơn nhiều so với các nhà máy nhiệt điện truyền thống, đồng thời giảm phát thải khí độc hại. Mô hình mô phỏng và phân tích chi phí cho thấy tính khả thi kinh tế của việc đầu tư hệ thống MHD, ngay cả khi chi phí đầu tư ban đầu tăng đáng kể.

Biểu đồ lợi nhuận theo thời gian và các bảng số liệu minh họa rõ ràng sự tăng trưởng lợi nhuận khi có MHD, đồng thời thể hiện tác động của biến động chi phí đầu tư và giá nhiên liệu. Điều này cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà hoạch định chính sách và nhà đầu tư trong việc lựa chọn công nghệ phát điện hiệu quả và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thúc đẩy nghiên cứu và phát triển công nghệ MHD: Tập trung đầu tư nghiên cứu công nghệ máy phát điện MHD, đặc biệt là các vật liệu chịu nhiệt và nam châm siêu dẫn nhằm giảm chi phí đầu tư và tăng hiệu suất hoạt động. Thời gian thực hiện: 3-5 năm; Chủ thể: Viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ.

2. Ứng dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế nhà máy: Áp dụng mô hình mô phỏng Matlab để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật và chi phí vận hành trước khi triển khai thực tế, giúp giảm rủi ro và chi phí phát sinh. Thời gian: liên tục trong quá trình thiết kế; Chủ thể: Các công ty tư vấn kỹ thuật và nhà máy điện.

3. Khuyến khích đầu tư kết hợp MHD với nhà máy nhiệt điện hiện có: Khuyến nghị các nhà máy nhiệt điện than nâng cấp hệ thống bằng cách tích hợp công nghệ MHD nhằm tăng hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu, đồng thời giảm phát thải môi trường. Thời gian: 5-10 năm; Chủ thể: Chủ đầu tư nhà máy điện, Bộ Công Thương.

4. Xây dựng chính sách hỗ trợ tài chính và ưu đãi thuế: Nhà nước cần có chính sách hỗ trợ đầu tư công nghệ MHD, bao gồm ưu đãi thuế, hỗ trợ vốn vay và khuyến khích nghiên cứu phát triển nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ này. Thời gian: 1-3 năm; Chủ thể: Chính phủ, Bộ Tài chính, Bộ Công Thương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nguyên lý, mô hình và phân tích chi phí của hệ thống phát điện MHD, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên ngành.

2. Chuyên gia và kỹ sư trong ngành năng lượng: Tài liệu giúp hiểu rõ về công nghệ MHD, các chu trình kết hợp và phương pháp tối ưu chi phí, phục vụ cho việc thiết kế, vận hành và nâng cấp nhà máy điện.

3. Nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực tiễn để xây dựng chính sách phát triển nguồn năng lượng bền vững, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong ngành điện.

4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng: Giúp đánh giá hiệu quả kinh tế của việc đầu tư công nghệ MHD, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và tối đa hóa lợi nhuận.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy phát điện MHD hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Máy phát điện MHD chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng hoặc động năng của dòng chất lỏng dẫn điện thành điện năng dựa trên định luật Lorentz và Faraday, sử dụng lực điện từ để tạo dòng điện trong chất lỏng dẫn điện.

2. Hiệu suất của hệ thống phát điện kết hợp MHD so với nhà máy nhiệt điện truyền thống như thế nào?
   Hệ thống kết hợp MHD với tuabin khí và tuabin hơi có thể đạt hiệu suất lên đến 68%, cao hơn nhiều so với hiệu suất khoảng 37% của nhà máy nhiệt điện truyền thống.

3. Chi phí đầu tư cho hệ thống MHD có cao không?
   Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống MHD có thể tăng từ 10% đến 100% so với nhà máy truyền thống, nhưng lợi nhuận thu được vẫn cao hơn nhờ tiết kiệm nhiên liệu và tăng sản lượng điện.

4. Hệ thống MHD có giúp giảm phát thải khí nhà kính không?
   Có, do hiệu suất cao và khả năng tận dụng nhiệt lượng thải, hệ thống MHD giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và khí thải độc hại so với các nhà máy nhiệt điện thông thường.

5. Làm thế nào để đánh giá lợi nhuận khi giá nhiên liệu biến động?
   Luận văn sử dụng mô hình tính toán lợi nhuận dựa trên chi phí nhiên liệu biến động hàng năm, cho thấy nhà máy có MHD có khả năng chịu được mức tăng giá nhiên liệu lên đến 182%, trong khi nhà máy truyền thống chỉ chịu được khoảng 65%.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công phương trình tính toán lợi nhuận toàn diện cho hệ thống phát điện chu trình kín kết hợp MHD, từ chi phí đầu tư đến chi phí nhiên liệu và vận hành.
• Hiệu suất và sản lượng điện của nhà máy nhiệt điện Yên Thế được cải thiện đáng kể khi tích hợp công nghệ MHD, với hiệu suất tổng thể tăng từ 37,6% lên 68,3%.
• Lợi nhuận của nhà máy tăng rõ rệt khi có MHD, ngay cả khi chi phí đầu tư tăng gấp đôi, đồng thời khả năng chịu biến động giá nhiên liệu cũng được nâng cao.
• Công nghệ MHD góp phần tiết kiệm chi phí nhiên liệu, giảm phát thải và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các nhà máy nhiệt điện.
• Đề xuất các giải pháp nghiên cứu, ứng dụng và chính sách hỗ trợ nhằm thúc đẩy phát triển công nghệ MHD trong ngành năng lượng Việt Nam.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng áp dụng mô hình mô phỏng và phân tích chi phí để triển khai thử nghiệm công nghệ MHD, đồng thời đề xuất chính sách hỗ trợ đầu tư nhằm thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng sạch, hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề nêu trên, nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là nghiên cứu và tìm hiểu về tính kinh tế của phương pháp phát điện Từ thủy động lực học, chủ yếu gồm các vấn đề sau: - Tìm hiểu nguyên lý phát điện Từ thủy động lực học. - Khảo sát chu trình phát điện Từ thủy động lực học. - Phân tích đặc tính kinh tế-kỹ thuật của phát điện Từ thủy động lực. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 2 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên - Xây dựng các phương pháp tính toán tiết kiệm chi phí của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực, dựa trên các chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì, sửa chữa, đưa ra chi phí phát điện.4 Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu các nguyên lý hoạt động (MHD) và chu trình phát điện (MHD) kết hợp tuabin khí và tuabin hơi.

- Tìm hiểu cách tính chi phí phát điện hiện nay trên thế giới. - Thiết lập quan hệ chi phí năng lượng đầu ra theo chi phí năng lượng nhiên liệu vào của máy phát từ thủy động lực. - Tính toán tiết kiệm chi phí đầu tư và lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực theo giá thành phát điện của nhà máy nhiệt điện cụ thể. - Nhận xét và kết luận.1 Giới hạn đề tài - Nghiên cứu nguyên lý phát điện của từ thủy động lực học.

- Nghiên cứu Chu trình phát điện từ thủy động lực học và chất lỏng hoạt động. - Phân tích chu trình từ thủy động lực học. - Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống từ thủy động lực học. - Quan hệ chi phí đầu tư, vận hành, chi phí nhiên liệu đầu vào với giá thành năng lượng đầu ra của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực.

- Nhiên liệu sử dụng là than đá. - Chưa đi sâu nghiên cứu công nghệ hiệu ứng lò của MHD và giá thành tương ứng với 10MW đến 50MW. - Chưa phân tích giá trị tiền tệ theo thời gian của vốn đầu tư, thay đổi giá điện đầu ra, khâu hao của nhà máy, phân tích lợi nhuận sau thuế. - Lợi nhuận được phân tích dựa trên sự biến thiên của các biến được xét riêng lẻ mà không xem đến sự biến thiên đồng thời của các biến.

HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 3 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu về máy phát từ thủy động lực và các phương pháp tính toán tiết kiệm chi phí điện năng. - Do lĩnh vực này ở nước ta còn rất mới nên người thực hiện luận văn không có điều kiện thực nghiệm mà chỉ khảo sát trên mô hình toán, từ đó phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản đề tài. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.6 Kết quả dự kiến và giá trị thực tiễn - Phân tích được ưu khuyết điểm về kinh tế - kỹ thuật của các phương pháp phát điện Từ thủy động lực. - Xác định chi phí cho từng phương pháp phát điện từ thủy động lực trong từng trường hợp cụ thể. - Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc ba loại máy phát điện trong cùng một nhà máy, nâng cao hiệu suất phát điện và tiết kiệm chi phí điện năng.

- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai. - Sử dụng làm tài liệu giảng dạy. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 4 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý làm việc của máy phát điện MHD Máy phát điện từ thủy động lực (hay máy phát MHD) là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng, dựa trên các nguyên lý từ thủy động học. Chúng thường có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần có các chi tiết phải bôi trơn.

Khí thải của các hệ thống như vậy thường là các plasma nóng có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho hệ thống nhiệt điện truyền thống. Trong các máy phát điện MHD, chuyển động của dòng chất lỏng dẫn điện hoặc plasma được sử dụng để tạo ra dòng điện. Máy phát điện MHD hoạt động theo định luật Lorentz: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay,chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều vận tóc của hạt, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của lực Lorentz nếucc hạt mang điện tích dương, và chỉ chiều ngược lại hạt mang điện tích âm. Trong đó: 𝐹𝐿 là lực Lorentz (N); |𝑞| là độ lớn điện tích (C); v là vận tốc hạt mang điện (m/s); B là cảm ứng từ (T).

Theo quy tắc nhân có hướng các véctơ, F vuông góc với cả v và B, và tuân theo quy tắc bàn tay phải. Lực này sẽ dẫn hướng các điện từ chuyển động trong lưu chất dẫn điện đến các điện cực đặt ở vị trí thích hợp trong dòng chảy nằm trong từ HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 5 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên trường và các điện cực sẽ tạo ra điện năng. Một máy phát điện MHD hoạt động theo nguyên lý cơ bản: Định luật Faraday và quy tắc bàn tay phải.2: Nguyên lý của máy phát MHD Máy phát từ thủy động lực học 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 có nhiệt độ làm việc thông thường khoảng 30000K trong khi đối với tuabin hơi nhiệt độ giới hạn khoảng 8500K và với các máy phát tuabin hơi 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. Hiệu suất của chu trình kết hợp có thể được xác định bởi biểu thức (2.1) Trong đó: 𝜂1 là hiệu suất của máy phát MHD và 𝜂2 là hiệu suất của turbin hơi. Quá trình thực hiện là sử dụng từ trường mạnh để tạo ra điện trường với luồng chất lỏng dẫn điện đi xuyên qua một kênh và dòng electron gây ra bởi điện trường tạo ra dòng điện có vector mật độ dòng J.

Các điện cực phía đối diện thành lò MHD tiếp xúc với chất lỏng dẫn điện được nối với mạch điện bên ngoài. Các electron từ HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 6 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên chất lỏng theo điện cực từ một phía vách lò đến tải bên ngoài và đến điện cực phía đối điện trở về khối chất lỏng tạo thành dòng điện kín. Như vậy, nhận thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều, có thể nối với bộ nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều. Các máy phát điện này thường hoạt động theo chu trình Brayton, và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng.

Hiệu suất này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, và các máy phát từ thủy động lực có thể hoạt động ở nhiệt độ nguồn nóng rất cao. Các phương trình cơ bản của máy phát MHD: Phương trình động lực học: 𝑑𝑢 𝑑𝑝 𝜌𝑢 ( ) + ( ) + 𝐽𝐵 = 0 (2.2) 𝑑𝑥 𝑑𝑥 Phương trình năng lượng: 𝑑 1 𝜌𝑢 (ℎ + 𝑢2 ) + 𝐽𝐸 = 0 (2.3) 𝑑𝑥 2 Phương trình tính liên tục: 𝜌𝑢𝐴 = 𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 (2.4) Mật độ dòng được đưa ra bởi định luật Ohm khi áp dụng cho một máy phát MHD: J= 𝜎(−𝐸 + 𝑢𝐵) [𝐴/𝑚2 ] (2.5) Trong đó: u là vận tốc, ρ là mật độ dòng khí, p là áp suất, h là chiều cao, E là cường độ điện trường.2 Các loại máy phát điện MHD Dựa vào nguyên lý Từ thủy động lực, người ta có thể chia máy phát điện MHD ra thành nhiều loại khác nhau tùy theo dạng điện cực như hình 2. Trong loại máy phát điện Faraday, từ trường được đặt vuông góc với dòng chảy của chất lỏng dẫn điện. Dưới tác động của lực Lorentz, các điện tích sẽ được tích tụ trên các thành ống dẫn, vuông góc với từ trường và chiều dòng chảy.

Tại thành ống, có thể đặt các điện cực để thu những điện tích này. Công suất của máy phát tỷ lệ với thiết diện ống dẫn và tốc độ chảy. Khi điện năng được gặt hái, dòng chảy sẽ chảy chậm lại và nguội đi. HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 7 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Thông thường nhiệt độ của dòng chảy sau khi đi qua máy phát điện sẽ bị giảm từ nhiệt độ plasma xuống khoảng 1000K.

Nhược điểm của máy phát điện loại Faraday là hiệu suất không cao, do thất thoát điện năng trên các điện cực, đặc biệt là thất thoát do hiệu ứng Hall. Do đó người ta chế tạo ra máy phát điện loại Hall.3: Các loại máy phát điện MHD với (a) là loại Faraday điện cực liên tục, (b) là loại Faraday điện cực phân đoạn, (c) là loại Hall và (d) là loại điện cực chéo Máy phát điện loại Hall sử dụng hiệu ứng Hall để tạo ra dòng điện cùng chiều với dòng khí chảy. Các dãy điện cực ngắn được đặt vuông góc với dòng chảy và với từ trường ngoài, dọc 2 bên dòng chảy. Điện cực ở đầu nguồn và điện cực ở cuối dòng chảy sẽ được nối ra mạch điện ngoài để cung cấp điện năng.

Mỗi điện cực còn lại được nối với một điện cực đối diện dọc theo dòng chảy, và dòng điện cảm ứng (theo nguyên lý của máy phát Faraday nêu trên, gọi là dòng điện Faraday) sẽ chạy trên các đoạn nối này, tạo nên từ trường rất mạnh trong dòng chảy, uốn dòng chảy chạy theo đường cong dọc theo ống. Thiết kế này có hiệu suất cao hơn máy phát Faraday, nhưng hiệu suất phụ thuộc nhiều vào tải bên ngoài. Máy phát loại điện cực chéo là loại kết hợp đặc tính của cả loại Faraday và loại Hall nên có thể cho hiệu suất cao và điện áp ra cao, tuy nhiên đặc tính này cũng còn tùy thuộc các thông số của chất khí đầu vào. Do vậy, khi thiết kế tối ưu hóa HVTH: Kim Thị Nguyệt Nhung 8 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.