Luận văn Thạc sĩ về tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực của Phan Minh Hiển

Dưới đây là thông tin meta tags cho bài viết "Tính toán chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực": { "ai_description": "Tìm hiểu

• Tác giả: Phan Minh Hiển
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Tính toán chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan Khám phá vai trò của tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực trong kỷ nguyên năng lượng

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng và nguồn tài nguyên truyền thống dần cạn kiệt, việc tối ưu hóa hiệu suất các hệ thống phát điện trở thành ưu tiên hàng đầu. Một trong những giải pháp tiềm năng được nghiên cứu sâu rộng là ứng dụng nguyên lý Từ thủy động lực (MHD - MagnetoHydroDynamic). Công nghệ MHD hứa hẹn nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đặc biệt khi kết hợp với các nhà máy nhiệt điện hiện có. Tuy nhiên, để đánh giá chính xác giá trị và khả năng triển khai của MHD, việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực một cách toàn diện là điều cần thiết. Đây không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là một quyết định kinh tế chiến lược, ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành điện năng, khả năng cạnh tranh và sự bền vững của ngành năng lượng.

Nghiên cứu của Phan Minh Hiển trong luận văn thạc sĩ năm 2014 đã tập trung vào khía cạnh này, cụ thể là tính toán chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực. Mục tiêu là định lượng được tác động của việc tích hợp hệ thống MHD lên tổng thể chi phí vận hành và đầu tư, từ đó đưa ra cái nhìn khách quan về tiềm năng kinh tế của công nghệ này. Việc này bao gồm phân tích các thành phần chi phí cố định và biến đổi, như chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống MHD, chi phí nhiên liệu, vận hành, bảo trì, và cả lợi ích từ việc tăng hiệu suất. Một cách tiếp cận bài bản để tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực giúp các nhà hoạch định chính sách và đầu tư có cơ sở vững chắc hơn khi xem xét các dự án năng lượng trong tương lai, hướng tới một hệ thống điện hiệu quả và kinh tế hơn. Sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố chi phí sẽ mở đường cho việc phát triển và ứng dụng rộng rãi công nghệ MHD tại Việt Nam và trên thế giới.

1.1. Bức tranh năng lượng hiện đại và thách thức chi phí phát điện

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng trưởng mạnh mẽ, đặt ra thách thức lớn về việc đảm bảo nguồn cung ổn định và bền vững. Các nhà máy điện truyền thống, đặc biệt là nhiệt điện, đối mặt với áp lực giảm phát thải và tối ưu hóa chi phí vận hành khi giá nhiên liệu biến động. Việc tính toán chi phí phát điện không chỉ đơn thuần là phép cộng các khoản mục, mà còn đòi hỏi xem xét yếu tố hiệu suất, khấu hao và chi phí môi trường. Công nghệ MHD được kỳ vọng sẽ giải quyết một phần thách thức này bằng cách cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng, qua đó giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ và chi phí liên quan. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tìm kiếm các giải pháp năng lượng hiệu quả hơn.

1.2. Giới thiệu về công nghệ Từ thủy động lực MHD và tiềm năng tiết kiệm chi phí

Công nghệ Từ thủy động lực (MHD) sử dụng nguyên lý tương tác giữa dòng chất lỏng dẫn điện (plasma hoặc kim loại lỏng) với từ trường để trực tiếp sản xuất điện. Khi kết hợp với các nhà máy nhiệt điện, hệ thống MHD đóng vai trò như một tầng trên, thu hồi nhiệt năng ở nhiệt độ cao trước khi chất khí đi vào tuabin hơi truyền thống. Điều này giúp nâng cao nhiệt độ đầu vào của chu trình nhiệt điện, tăng hiệu suất tổng thể của nhà máy từ 10-15%. Việc tăng hiệu suất này trực tiếp dẫn đến giảm lượng nhiên liệu cần thiết để sản xuất cùng một lượng điện, từ đó giảm chi phí sản xuất điện và tăng hiệu quả kinh tế. Tiềm năng của MHD trong việc giảm chi phí phát điện là rất lớn, cần được đánh giá chi tiết.

II. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chi phí phát điện từ thủy động lực Phân tích sâu

Để thực hiện việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực một cách chính xác, cần phải phân tích kỹ lưỡng các yếu tố cấu thành. Chi phí này không chỉ bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống MHD mà còn tính đến các chi phí vận hành, bảo trì, nhiên liệu, và cả những lợi ích về hiệu suất mà công nghệ này mang lại. Một yếu tố quan trọng là chi phí vốn cho việc lắp đặt hệ thống MHD. Dù công nghệ này có thể làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, nhưng hiệu suất cao hơn trong dài hạn có thể bù đắp lại.

Theo luận văn của Phan Minh Hiển, chi phí đầu tư cho nhà máy nhiệt điện than có thể lên đến 1200 USD/kW. Khi tích hợp thêm MHD, chi phí này sẽ thay đổi đáng kể. Ngoài ra, chi phí nguyên liệu là một thành phần không thể bỏ qua. Mặc dù nhiệt điện than có vốn đầu tư cao nhưng chi phí nhiên liệu lại thấp hơn so với nhiệt điện dầu và khí (chỉ khoảng 1,4 cents/kWh cho điện than so với 15 cents/kWh cho điện dầu). Việc MHD giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tác động trực tiếp đến thành phần chi phí này.

Các yếu tố khác như chi phí vận hành và bảo trì (O&M), chi phí xử lý chất thải, và cả tuổi thọ của thiết bị cũng đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tổng chi phí phát điện. Việc đánh giá toàn diện các yếu tố này giúp đưa ra cái nhìn khách quan về hiệu quả kinh tế của việc áp dụng công nghệ thủy động lực. Sự hiểu biết sâu rộng về các thành phần chi phí này là nền tảng để xây dựng mô hình tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực đáng tin cậy, hỗ trợ quyết định đầu tư và chính sách năng lượng bền vững.

2.1. Phân loại chi phí Cố định và biến đổi trong hệ thống MHD

Trong quá trình tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực, việc phân loại chi phí là bước cơ bản. Chi phí cố định bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị MHD, chi phí xây dựng, khấu hao tài sản và chi phí nhân công quản lý. Chi phí này thường không thay đổi theo lượng điện sản xuất. Ngược lại, chi phí biến đổi trực tiếp phụ thuộc vào sản lượng điện, bao gồm chi phí nhiên liệu (than, dầu, khí), chi phí vật tư tiêu hao, và chi phí bảo trì định kỳ. Đặc biệt, MHD giúp giảm đáng kể chi phí nhiên liệu do tăng hiệu suất, làm giảm chi phí biến đổi tổng thể.

2.2. Chi phí đầu tư ban đầu và ảnh hưởng của công nghệ MHD

Chi phí đầu tư ban đầu cho một nhà máy điện với công nghệ MHD tích hợp thường cao hơn so với nhà máy truyền thống. Theo báo cáo nghiên cứu ngành điện, chi phí vốn cho nhà máy nhiệt điện than là 1200 USD/kW, nhiệt điện khí 600 USD/kW và nhiệt điện dầu là 200 USD/kW. Khi thêm hệ thống MHD, cần tính toán bổ sung chi phí cho nam châm siêu dẫn, buồng đốt MHD, bộ chuyển đổi điện và các hệ thống phụ trợ. Tuy nhiên, sự tăng hiệu suất đáng kể của MHD giúp giảm chi phí nhiên liệu trong dài hạn, từ đó bù đắp cho chi phí đầu tư ban đầu cao hơn. Đây là một trong những điểm cần được nhấn mạnh khi tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực.

III. Hướng dẫn chi tiết Phương pháp tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực tối ưu

Việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực đòi hỏi một phương pháp luận rõ ràng, tích hợp các yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Phương pháp này bao gồm việc xác định các thành phần chi phí cơ bản của nhà máy nhiệt điện truyền thống, sau đó đánh giá tác động của việc bổ sung hệ thống MHD. Luận văn của Phan Minh Hiển đã đề cập đến các công thức tính toán chi phí cho nhà máy nhiệt điện, làm cơ sở để mở rộng cho hệ thống kết hợp MHD.

Một trong những bước quan trọng là xác định tổng chi phí đầu tư (Tc) cho nhà máy, bao gồm cả phần của MHD. Sau đó, tính toán chi phí vốn cho mỗi kilowatt giờ (Cci) bằng cách chia chi phí đầu tư cho công suất và hệ số trả góp, cùng với số giờ vận hành hàng năm. Các thành phần chi phí nhiên liệu (than, dầu FO, đá vôi) cũng được tính toán dựa trên lượng tiêu thụ và giá thành. Ví dụ, chi phí than cho 1 kWh được tính bằng tổng chi phí than hàng năm chia cho sản lượng điện. Tương tự với dầu FO và đá vôi.

Điểm cốt lõi khi tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực là khả năng MHD làm tăng sản lượng điện (P1) hoặc hiệu suất mà không cần tăng đáng kể lượng nhiên liệu, hoặc thậm chí giảm lượng nhiên liệu cần thiết để tạo ra cùng một lượng điện. Các công thức như Cci=((Tc/CS)*1/NG)/6500 và CThan=Than/P là những nền tảng để phân tích. Khi có MHD, sản lượng điện thực tế trên thanh góp (P1tg) sẽ cao hơn, từ đó giảm chi phí trên mỗi kWh. Việc MHD làm tăng hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện từ 10-15% sẽ có tác động đáng kể đến các chỉ số kinh tế. Điều này đòi hỏi các nhà phân tích phải xây dựng các kịch bản khác nhau, bao gồm biến động giá nhiên liệu và chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống MHD, để đưa ra cái nhìn toàn diện về hiệu quả kinh tế. Việc so sánh giữa các kịch bản có và không có MHD là cần thiết để đánh giá lợi ích ròng mà công nghệ này mang lại. Qua đó, công tác tính toán chi phí phát điện sẽ cung cấp thông tin quý giá cho các quyết định đầu tư.

Cuối cùng, việc xem xét vòng đời dự án (thường là 20-25 năm) và các chi phí vận hành, bảo trì liên tục cũng cần được tích hợp vào mô hình. Các yếu tố rủi ro như sự biến động của giá nhiên liệu, chi phí sửa chữa không định kỳ, và hiệu suất thực tế của hệ thống MHD theo thời gian cần được lượng hóa và đưa vào phân tích độ nhạy. Một mô hình tính toán chi phí hiệu quả không chỉ đưa ra con số cuối cùng mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố chi phí quan trọng nhất, từ đó giúp xác định các lĩnh vực cần tối ưu hóa để giảm chi phí sản xuất điện từ thủy động lực.

3.1. Phân tích các thành phần chi phí và công thức tính toán cơ bản

Phương pháp tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực bắt đầu bằng việc xác định rõ ràng các thành phần chi phí. Bao gồm chi phí đầu tư ban đầu (Tc), chi phí nhiên liệu hàng năm (Tnl), chi phí vận hành và bảo trì (Vh). Chi phí đầu tư cho 1 kWh điện (Cci) có thể được tính bằng công thức Cci = ((Tc/CS) * (1/NG)) / Giờ_vận_hành_năm, trong đó CS là công suất, NG là hệ số trả góp. Chi phí nhiên liệu cho 1 kWh được tính bằng Cnhiên_liệu = Tnl / P, với P là sản lượng điện. Việc áp dụng các công thức này giúp định lượng chính xác từng yếu tố trong tổng chi phí sản xuất điện năng.

3.2. Đánh giá tác động của MHD đến hiệu suất và chi phí nhiên liệu

Lợi ích cốt lõi của công nghệ MHD là khả năng tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của nhà máy nhiệt điện. Khi có MHD, sản lượng điện (P1) sẽ tăng lên đáng kể so với khi không có (P). Ví dụ, nếu sản lượng điện ban đầu là P = 0.325*10^9 kWh/năm, khi có MHD, sản lượng có thể tăng lên P1 = 0.4121*10^9 kWh/năm. Sự gia tăng hiệu suất này trực tiếp dẫn đến giảm lượng nhiên liệu cần thiết để sản xuất cùng một lượng điện, qua đó giảm chi phí nhiên liệu cho 1 kWh. Điều này làm cho việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế, đặc biệt trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao.

IV. Phân tích kết quả nghiên cứu Lợi ích kinh tế khi kết hợp MHD vào nhà máy nhiệt điện

Các nghiên cứu về tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực đã chỉ ra những lợi ích kinh tế đáng kể khi tích hợp công nghệ này vào các nhà máy nhiệt điện. Một trong những kết quả nổi bật từ luận văn của Phan Minh Hiển là việc tăng sản lượng điện và giảm chi phí nhiên liệu trên mỗi kilowatt giờ sản xuất. Cụ thể, hệ thống MHD có khả năng tăng sản lượng điện của nhà máy lên tới 25-30% mà không cần tăng đáng kể lượng nhiên liệu đầu vào. Điều này trực tiếp làm giảm giá thành điện năng, cải thiện hiệu quả tài chính của dự án.

Phân tích chi phí cho thấy, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống MHD có thể làm tăng tổng chi phí vốn, nhưng lợi ích từ việc giảm chi phí nhiên liệu và tăng hiệu suất vận hành sẽ bù đắp lại trong dài hạn. Với việc chi phí nhiên liệu cho nhiệt điện than chỉ 1,4 cents/kWh, việc tối ưu hóa hơn nữa thông qua MHD sẽ tạo ra một biên lợi nhuận tốt hơn. Các mô hình tính toán cũng xem xét các kịch bản biến động giá nhiên liệu (tăng từ 10% đến 70%) và nhận thấy rằng ngay cả khi giá nhiên liệu tăng, việc tích hợp MHD vẫn mang lại lợi nhuận đáng kể nhờ hiệu suất cao hơn. Điều này khẳng định tiềm năng của công nghệ thủy động lực trong việc đảm bảo an ninh năng lượng và ổn định giá điện.

Ngoài ra, việc kết hợp MHD còn góp phần vào việc giảm phát thải, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt. Đây là một lợi ích gián tiếp nhưng vô cùng quan trọng, cần được lượng hóa trong các phân tích chi phí toàn diện. Việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực không chỉ dừng lại ở các con số kinh tế mà còn mở rộng ra các yếu tố xã hội và môi trường, tạo nên một bức tranh toàn diện về giá trị của công nghệ này. Những kết quả này cung cấp một cơ sở vững chắc cho việc khuyến nghị đầu tư vào các dự án năng lượng thủy động lực tích hợp, hướng tới một tương lai năng lượng sạch hơn và hiệu quả hơn.

4.1. Tác động của MHD đến sản lượng điện và hiệu suất chung của nhà máy

Nghiên cứu của Phan Minh Hiển chỉ ra rằng hệ thống MHD có thể tăng sản lượng điện của nhà máy nhiệt điện từ 0.325*10^9 kWh/năm lên 0.4121*10^9 kWh/năm, tức là tăng khoảng 26%. Sự gia tăng đáng kể này là nhờ vào việc MHD tận dụng nhiệt năng ở nhiệt độ cao mà các tuabin hơi truyền thống không thể khai thác. Điều này trực tiếp nâng cao hiệu suất tổng thể của nhà máy, giảm tổn thất năng lượng và tối ưu hóa quá trình chuyển đổi nhiệt thành điện. Đây là minh chứng rõ ràng cho hiệu quả của MHD trong việc nâng cao hiệu suất nhà máy điện.

4.2. So sánh chi phí điện năng có và không có tích hợp MHD

Khi so sánh chi phí phát điện có và không có MHD, các phân tích cho thấy sự khác biệt đáng kể. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống MHD cao hơn, nhưng chi phí nhiên liệu cho mỗi kWh điện lại giảm. Ví dụ, nếu chi phí đầu tư tăng từ 10-100% khi có MHD, nhưng tổng chi phí nhiên liệu trên mỗi kWh lại giảm nhờ hiệu suất cao hơn. Điều này dẫn đến lợi nhuận ròng tăng lên theo thời gian vận hành. Việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực cho phép định lượng lợi ích kinh tế trong dài hạn, cho thấy khả năng thu hồi vốn và tạo ra lợi nhuận bền vững cho các dự án năng lượng thủy động lực.

V. Triển vọng tương lai Tối ưu hóa và tiềm năng của công nghệ thủy động lực trong ngành điện

Công nghệ Từ thủy động lực (MHD) đang đứng trước những triển vọng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu về năng lượng sạch và hiệu quả ngày càng cao. Việc tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện các mô hình tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực sẽ là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ này. Trong tương lai, việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống MHD, giảm chi phí vật liệu và nâng cao độ bền của linh kiện sẽ góp phần đáng kể vào việc giảm chi phí đầu tư ban đầu, từ đó làm cho MHD trở nên cạnh tranh hơn.

Một hướng phát triển quan trọng khác là tích hợp MHD với các nguồn năng lượng tái tạo, tạo ra các hệ thống hybrid mang lại hiệu suất và độ tin cậy cao hơn. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất điện mà còn thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mô phỏng các kịch bản thị trường năng lượng phức tạp, bao gồm cả giá carbon và các ưu đãi chính sách, để đưa ra những phân tích chi phí toàn diện hơn.

Sự tiến bộ trong vật liệu siêu dẫn và kỹ thuật plasma cũng sẽ mở ra những cơ hội mới cho công nghệ MHD, giúp đạt được hiệu suất cao hơn với chi phí thấp hơn. Việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng các quyết định đầu tư và chính sách, đảm bảo rằng các giải pháp năng lượng mới được triển khai một cách hiệu quả và bền vững. Với tiềm năng mang lại lợi ích kép về kinh tế và môi trường, công nghệ thủy động lực hứa hẹn sẽ là một phần không thể thiếu trong hệ thống năng lượng của tương lai, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững toàn cầu.

5.1. Những cải tiến công nghệ và tiềm năng giảm chi phí đầu tư MHD

Các nhà nghiên cứu đang không ngừng tìm kiếm các vật liệu mới và phương pháp thiết kế tiên tiến để giảm chi phí đầu tư cho hệ thống MHD. Sự phát triển của nam châm siêu dẫn hiệu suất cao, vật liệu chịu nhiệt tốt hơn cho buồng đốt MHD, và các bộ chuyển đổi điện hiệu quả hơn sẽ giúp tối ưu hóa chi phí. Những cải tiến này không chỉ làm giảm chi phí phát điện mà còn tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống, từ đó củng cố vị thế của công nghệ thủy động lực trong ngành năng lượng. Việc theo dõi sát sao các tiến bộ này là cần thiết để cập nhật mô hình tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực.

5.2. Vai trò của tính toán chi phí trong hoạch định chính sách và đầu tư năng lượng

Việc tính toán chi phí phát điện từ thủy động lực đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc hoạch định chính sách năng lượng và thu hút đầu tư. Một phân tích chi phí chính xác và toàn diện giúp các nhà hoạch định chính sách đánh giá đúng lợi ích kinh tế và môi trường của công nghệ MHD, từ đó đưa ra các chính sách hỗ trợ phù hợp (ví dụ: ưu đãi thuế, trợ cấp nghiên cứu). Đối với các nhà đầu tư, kết quả tính toán chi phí phát điện cung cấp cơ sở để đánh giá khả năng sinh lời và rủi ro của dự án, thúc đẩy dòng vốn vào phát triển năng lượng thủy động lực. Điều này là cốt lõi để hiện thực hóa tiềm năng của công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Cơ sở lý thuyết Chương 2 : Chi phí sản xuất điện năng Chương 3 : Tính toán chi phí tiền điện của nhà máy nhiệt điện có kết hợp từ thủy động lực Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển Học viên: Phan Minh Hiển trang 4 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS. Lê Chí Kiên CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Máy phát từ thủy động lực MHD hoạt động theo nguyên tắc: năng lượng từ trường + động năng của chất lưu chuyển động biến trực tiếp thành năng lượng điện nên hình thức phát điện MHD cũng được gọi là phát điện trực tiếp. Sự biến đổi năng lượng từ thủy động lực là một dạng khác của sự biến đổi năng lượng trực tiếp mà trong đó điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch mà không cần năng lượng cơ. Hiện nay phương pháp phát điện này đã và đang được nghiên cứu để có thể ứng dụng vào thương mại hóa.1 Sơ đồ khối phát điện từ thủy động lực.

Học viên: Phan Minh Hiển trang 5 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS. Lê Chí Kiên Các lĩnh vực MHD được khởi xướng bởi Hannes Alfvén và nhờ chúng mà ông đã nhận được giải Nobel Vật lý vào năm 1970. Ý tưởng của MHD là từ trường có thể cảm ứng ra các dòng điện từ một chất lưu dẫn điện chuyển động, tác dụng lực lên chất lưu và cũng có thể thay đổi từ trường của chính nó. Tập hợp các phương trình mô tả MHD là sự kết hợp của các phương trình Navier- Stokes (của động học chất lỏng), các phương trình Maxwell (của điện từ) và định luật Ohm.

Cho dòng khí plasma được ion hóa đi xuyên qua từ trường, sẽ tạo các điện tích cảm ứng trên các điện cực. Nếu mạch ngoài của các điện cực được nối kín, ta sẽ thu được dòng điện cảm ứng. Ưu điểm của MHD là không có phần tử chuyển động, có thể nâng nhiệt độ lên cao để gia tăng hiệu suất của chu trình. Khí thải của MHD vẫn có thể được tiếp tục sử dụng để cấp nhiệt cho chu trình turbine hơi để nâng cao hiệu suất chung của hệ thống.2 Nguyên lý phát điện 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 turbin 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 turbin hơi nhiệt độ giới hạn khoảng 8500K và với các máy phát turbin 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 biểu diễn như sau: net  1  2 1 1  Học viên: Phan Minh Hiển trang 6 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS.

Lê Chí Kiên Trong đó 1 là hiệu suất của máy phát MHD và  2 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 1 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 chất lỏng theo điện cực từ một phía vách lò đến tải bên ngoài và đến điện cực phía đối diện trở về khối chất lỏng tạo thành dòng điện kín.

Như vậy ta thấy hai điện cực cung cấp cho tải bên ngoài dòng điện một chiều, ta có thể nối với bộ nghịch lưu để trở thành dòng điện xoay chiều.2: Kênh phát điện MHD.3: Máy phát MHD đơn giản Đa số các khí thông thường không được ion hóa đáng kể ở nhiệt độ đốt của các nhiên liệu hóa thạch, vì vậy cần phải thêm nào khí một lượng nhỏ kim loại kiềm để tăng khả năng ion hóa. Kết quả là các ion và electron sinh ra trong khí nóng dẫn điện đủ để hoạt động trong từ trường. Học viên: Phan Minh Hiển trang 7 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS. Lê Chí Kiên 1.3 Khí ion hóa trong điện trƣờng Trước khi phân tích kênh MHD, ta xét tóm tắt hoạt động của các electron trong khí ion hóa nằm trong trường điện từ.

Trong dòng khí tại điểm gần cân bằng thì các nguyên tử, ion và điện tử thường chuyển động bất định. Tại bất kỳ vị trí nào đó trong không gian tương ứng với 1 tốc độ thì tốc độ đó sẽ gia tăng theo sự gia tăng nhiệt độ. Xét một điện tử chuyển động tự do và không có va chạm trong điều kiện bình thường với từ trường chuẩn như hình bên dưới, các electron có một lực bằng qceB với q là điện tích electron và ce là độ lớn vận tốc. Do lực không thay đổi nên vận tốc không thay đổi theo các đường tròn quanh đường sức từ trường.

Theo định luật II Newton ta có lực trên electron là : F = (mece2)/r = qceB [N] (1.1) me: khối lượng electron ce: vận tốc electron r: bán kính quĩ đạo electron q: điện tích electron B: cảm ứng từ Tần số góc của các electron theo 1 đường sức từ gọi là tần số cyclotron và có giá trị là: ω = ce/r = qB/me [1/s] (1.2) Tần số cyclotron của điện tử không phụ thuộc vào tốc độ của điện tử và chỉ phụ thuộc vào cảm ứng từ và đặc tính của electron. Mặc dù các chuyển động cyclotron có thể bị phá vỡ bởi sự va chạm với những hạt khác. Học viên: Phan Minh Hiển trang 8 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS. Lê Chí Kiên Hình 1.4: Chuyển động theo quỹ đạo tròn của electron trong từ trƣờng và lực Lorentz luôn hƣớng tâm Kết quả của sự va chạm giữa các hạt phụ thuộc vào kích thước hạt của chúng: các hạt lớn sẽ va chạm nhau thường xuyên hơn.

Xác suất của sự va chạm thể hiện khi xem xét mặt cắt Q của các hạt va chạm nhau. Tần số va chạm của các electron ωc do mật độ electron ne (số electron/m3), diện tích mặt cắt va chạm Q (m2) và tốc độ electron ce (m/s).3) ωc: Tần số va chạm của các electron. ne :mật độ electron Q: diện tích mặt cắt va chạm (m2) Với thời gian trung bình giữa các va chạm τ (s) là nghịch đảo của tần số va chạm. Tỷ số giữa tần số cyclotron và tần số va chạm ω/ωc là tham số HALL.

Tham số này thể hiện quan hệ quan trọng của từ trường và các va chạm của các electron chuyển động trong khí ion hóa. Tham số HALL là quan hệ với mật độ từ trường theo công thức sau: ω/ωc = ωτ = qB/nemeQce (1.4) Học viên: Phan Minh Hiển trang 9 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS. Lê Chí Kiên Thông số thể hiện tương ứng giữa số lần quay gây ra với mỗi va chạm, thông số HALL thể hiện như sự chuyển động của các electron bị tác động bởi từ trường.5: Biểu đồ Vector của bơm MHD và lực điện sinh ra trong dòng ion Ít nhất 3 tốc độ quan trọng của khí dẫn điện trong kênh MHD là:  Thứ nhất: tốc độ của dòng khí u (trường hợp này giả thuyết là không đổi).  Thứ hai: tốc độ của những điện tử riêng biệt ce bình quân tăng theo nhiệt độ.

Khi trường điện từ mất đi thì tốc độ bình quân của ce cho tất cả các electron là tốc độ dòng khí u. Khi từ trường mạnh thì chuyển động của các electron liên quan đến khí và theo chuyển động này ta có thể xác định tính dẫn điện của dòng khí.  Thứ ba: vận tốc tương đối của các electron we được xác định như là vector lệch của tốc độ tuyệt đối và tốc độ thực của chất lỏng: we = ce – u [m/s] (1.5) Tốc độ dịch chuyển we là độ lớn của tốc độ tương đối của các electron. Trong trường hợp không có các trường thì giá trị trung bình của ce là u và như vậy tốc độ dịch chuyển bằng không.

Khi có điện trường, sự vận chuyển của điện tích âm do các electron tạo nên dòng điện chạy trong khí. Học viên: Phan Minh Hiển trang 10 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS. Lê Chí Kiên Thông số quan trọng khác là sự di chuyển của các electron μ là do sự phản ứng của các electron đối với điện trường. Nó được định nghĩa là tỷ số của độ dời electron we với cường độ điện trường.6) Nếu giả thuyết rằng 1 electron mất tất cả vận tốc dời do va chạm, gia tốc của electron có thể xấp xỉ với tỷ lệ của vận tốc dời với thời gian giữa các va chạm.

Bởi vì lực điện trường qE, định luật Newton II cho phép vận tốc dời được biểu thị như sau: we = qEτ/me (1.7) Sự dịch chuyển của electron có thể được viết như sau: μ = qτ/me [m2/V-s] (1.8) Dùng phương trình (3.4), thì tích số μB trở thành thông số Hall: μB = qBτ/me = ωτ = ω/ωc [dl] (1.9) Như vậy thông số Hall là lớn với các khí mà độ di động electron cao trong từ trường mạnh. Đây là thông số có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất trong việc thiết kế MHD. Giả sử các electron là những hạt mang điện tích chủ yếu, mật độ dòng có thể cũng liên quan đến tính chuyển động qua tốc độ dời như sau: J = neqwe = neqτE/me J = μ neqE [A/m2] (1.10) Tính dẫn điện của một nơi cấp khí như sau: σ = J/E = μ neq [Ωm-1] (1.11) Như vậy tính di chuyển cao của electron và mật độ số electron là cần thiết để đạt được độ dẫn điện cao trong máy từ thủy động lực học. Học viên: Phan Minh Hiển trang 11 Đề tài – Cơ sở lý thuyết CBHD: TS.

Lê Chí Kiên 1.4 Phân tích máy phát MHD 1.1 Máy phát Faraday điện cực phân đoạn (segmented-electrode Faraday generator) Trong máy 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 phát ra, dòng chảy sẽ chảy chậm lại và nguội đi.