Luận Văn Thạc Sĩ: Tính Toán Chi Phí Phát Điện Của Nhà Máy Nhiệt Điện Kết Hợp Thủy Động Lực

Luận văn thạc sĩ HCMUTE phân tích chi phí phát điện nhà máy nhiệt điện kết hợp thủy động lực, cung cấp giải pháp tối ưu cho ngành năng lượng.

• Tác giả: Phan Minh Hiển
• Người hướng dẫn: 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: 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: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 0.1. Đặt vấn đề
• 0.2. Các nghiên cứu về MHD hiện nay trên thế giới
• 0.3. Các nghiên cứu về MHD hiện nay tại Việt Nam
• 0.4. Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài
• 0.5. Phạm vi nghiên cứu
• 0.6. Phương pháp nghiên cứu
• 0.7. Kết quả dự kiến và giá trị thực tiễn
• 0.8. Nội dung đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Máy phát từ thủy động lực
• 1.2. Nguyên lý phát điện MHD
• 1.3. Khí ion hóa trong điện trường
• 1.4. Phân tích máy phát MHD
• 1.5. Máy phát Faraday điện cực phân đoạn
• 1.6. Máy phát Faraday điện cực liên tục
• 1.7. Máy phát điện cực nối chéo
• 1.8. Hệ thống phát điện MHD
• 1.9. Hệ thống MHD kết hợp tuabin hơi
• 2. CHƯƠNG 2: CHI PHÍ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
• 2.1. Chi phí hệ thống phát điện thông thường
• 2.2. Chi phí hệ thống phát điện từ thủy động lực MHD kết hợp nhiệt điện
• 2.3. Chi phí phát điện của MHD
• 2.4. Chi phí tạo hơi trong hệ thống MHD-Tuabin
• 2.5. Không xét tuabin cụ thể
• 2.6. Xét tuabin cụ thể
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHI PHÍ PHÁT ĐIỆN CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CÓ KẾT HỢP TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
• 3.1. Tính toán các thông số nhà máy nhiệt điện Yên Thế
• 3.2. Thiết lập phương trình lợi nhuận tiền điện
• 3.3. Tính toán lợi nhuận do sản lượng điện do nhà máy phát ra
• 3.4. Lợi nhuận do nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra khi không có từ thủy động lực
• 3.5. Lợi nhuận do nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra khi có từ thủy động lực
• 3.6. Tính toán thông số nhà máy nhiệt điện Yên Thế có trang bị hệ thống từ thủy động lực (MHD)
• 3.7. Tính toán lợi nhuận thu được khi có hệ thống từ thủy động lực
• 3.8. Tính toán lợi nhuận thu được trên thanh góp
• 3.9. Lợi nhuận thu được thực tế trên thanh góp khi không có MHD
• 3.10. Lợi nhuận thu được thực tế trên thanh góp khi có MHD
• 3.11. Lợi nhuận nhà máy nhiệt điện khi có sự thay đổi về giá nhiên liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về chi phí phát điện

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc tính toán chi phí phát điện trở thành một vấn đề quan trọng. Đặc biệt, nhà máy nhiệt điện kết hợp với thủy điện đang được xem là một giải pháp hiệu quả. Việc tính toán chi phí phát điện không chỉ giúp xác định giá thành sản xuất mà còn hỗ trợ trong việc tối ưu hóa quy trình vận hành. Theo nghiên cứu, năng lượng tái tạo từ thủy điện có thể giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất phát điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt.

1.1 Tầm quan trọng của việc tính toán chi phí

Việc tính toán chi phí phát điện giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về hiệu quả kinh tế của nhà máy nhiệt điện. Các yếu tố như chi phí vận hành, chi phí đầu tư và chi phí bảo trì cần được xem xét kỹ lưỡng. Theo một nghiên cứu gần đây, việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp giảm chi phí sản xuất điện từ 10% đến 20%. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm phát thải khí nhà kính.

II. Phân tích chi phí phát điện từ nhà máy nhiệt điện

Phân tích chi phí phát điện từ nhà máy nhiệt điện cần xem xét nhiều yếu tố khác nhau. Đầu tiên, chi phí vận hành bao gồm chi phí nhiên liệu, chi phí bảo trì và chi phí nhân công. Thứ hai, chi phí đầu tư cho các thiết bị và công nghệ mới cũng cần được tính toán. Theo một báo cáo, tổng chi phí sản xuất điện từ nhà máy nhiệt điện có thể dao động từ 1.500 đến 2.000 đồng/kWh, tùy thuộc vào công nghệ và quy mô của nhà máy. Việc áp dụng công nghệ MHD có thể giúp giảm chi phí này đáng kể.

2.1 Chi phí đầu tư và lợi nhuận

Chi phí đầu tư cho nhà máy nhiệt điện kết hợp với thủy điện thường cao hơn so với các nhà máy truyền thống. Tuy nhiên, lợi nhuận từ việc sản xuất điện có thể cao hơn nhờ vào hiệu suất phát điện tốt hơn. Nghiên cứu cho thấy, việc đầu tư vào công nghệ MHD có thể mang lại lợi nhuận cao hơn từ 15% đến 25% so với các công nghệ truyền thống. Điều này cho thấy rằng, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao, nhưng lợi ích lâu dài từ việc sử dụng công nghệ mới là rất đáng kể.

III. Tính toán chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện Yên Thế

Nhà máy nhiệt điện Yên Thế là một trong những ví dụ điển hình cho việc áp dụng công nghệ mới trong tính toán chi phí phát điện. Việc tính toán các thông số đầu vào như chi phí nhiên liệu, chi phí bảo trì và chi phí đầu tư đã được thực hiện một cách chi tiết. Kết quả cho thấy, chi phí phát điện từ nhà máy này có thể giảm từ 1.800 đồng/kWh xuống còn 1.500 đồng/kWh khi áp dụng công nghệ MHD. Điều này không chỉ giúp tăng cường hiệu quả kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

3.1 Lợi nhuận từ việc áp dụng công nghệ MHD

Việc áp dụng công nghệ MHD tại nhà máy nhiệt điện Yên Thế đã mang lại lợi nhuận đáng kể. Theo tính toán, lợi nhuận từ việc sản xuất điện có thể tăng lên đến 30% so với các phương pháp truyền thống. Điều này cho thấy rằng, việc đầu tư vào công nghệ mới không chỉ giúp giảm chi phí mà còn gia tăng lợi nhuận cho nhà máy. Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng tái tạo từ thủy điện cũng giúp giảm thiểu tác động đến môi trường, tạo ra một mô hình phát điện bền vững.

IV. Kết luận và kiến nghị

Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng việc tính toán chi phí phát điện là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Việc áp dụng công nghệ MHD trong nhà máy nhiệt điện không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất phát điện. Để đạt được những lợi ích này, cần có sự đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển công nghệ mới. Ngoài ra, các chính sách hỗ trợ từ nhà nước cũng cần được xem xét để khuyến khích việc áp dụng công nghệ mới trong ngành điện.

4.1 Đề xuất chính sách hỗ trợ

Để khuyến khích việc áp dụng công nghệ MHD, nhà nước cần có các chính sách hỗ trợ về tài chính và kỹ thuật. Các chương trình đào tạo cho cán bộ kỹ thuật cũng cần được triển khai để nâng cao năng lực cho ngành điện. Hơn nữa, việc tạo ra một môi trường pháp lý thuận lợi cho các nhà đầu tư cũng là rất quan trọng. Điều này sẽ giúp thu hút nguồn vốn đầu tư vào lĩnh vực năng lượng, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững cho ngành điện Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ những năm gần đây, nhu cầu năng lượng tại Việt Nam đã tăng lên đáng kể, trong khi nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí đốt ngày càng cạn kiệt. Theo ước tính, hiệu suất phát điện của các nhà máy nhiệt điện truyền thống chỉ đạt khoảng 40%, gây ra tổn thất năng lượng lớn và chi phí vận hành cao. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện hiện có, trong đó phương pháp phát điện từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamic - MHD) được xem là giải pháp tiềm năng với khả năng vận hành ở nhiệt độ cao trên 2000 K, hứa hẹn hiệu suất phát điện vượt trội so với các công nghệ truyền thống.

Mục tiêu chính của luận văn là tính toán chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện có kết hợp hệ thống phát điện MHD, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa chi phí và nâng cao lợi nhuận cho nhà máy. Nghiên cứu tập trung vào phân tích chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì và nhiên liệu, đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab để tối ưu các thông số kỹ thuật. Phạm vi nghiên cứu bao gồm nhà máy nhiệt điện Yên Thế với công suất 50 MW, sử dụng nhiên liệu than đá, trong vòng đời dự án 25 năm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ tính toán chi phí phát điện chính xác, hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách và nhà đầu tư trong việc lựa chọn công nghệ phát điện phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng quốc gia và giảm thiểu tác động môi trường.

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 phát điện từ thủy động lực học (MHD): MHD là quá trình chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ trường và động năng của chất lưu dẫn điện thành năng lượng điện, không có bộ phận chuyển động cơ học. Dòng khí plasma ion hóa đi qua từ trường tạo ra dòng điện cảm ứng trên các điện cực, với nhiệt độ làm việc có thể lên đến 3000 K, cao hơn nhiều so với tuabin hơi truyền thống.

• Các loại máy phát MHD: Bao gồm máy phát Faraday điện cực phân đoạn, điện cực liên tục, máy phát Hall và máy phát điện cực nối chéo. Mỗi loại có đặc điểm về hiệu suất, cấu trúc điện cực và ảnh hưởng của hiệu ứng Hall khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi điện năng.

• Mô hình hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin hơi: Hệ thống này tận dụng nhiệt độ cao còn lại của khí sau khi qua máy phát MHD để tạo hơi nước, vận hành tuabin hơi, nâng cao hiệu suất tổng thể lên đến 60-65%, so với khoảng 40% của tuabin hơi đơn thuần.

• Chi phí sản xuất điện năng: Chi phí phát điện được phân tích thành ba thành phần chính: chi phí vốn đầu tư (C&I), chi phí vận hành và bảo trì (O&M), và chi phí nhiên liệu (CF). Công thức tổng quát:
  $$CE = CCI + COM + CF$$
  với các thành phần được tính toán dựa trên đặc điểm kỹ thuật và kinh tế của nhà máy.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ nhà máy nhiệt điện Yên Thế, các báo cáo ngành điện, tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ MHD và chi phí phát điện.

• Phương pháp phân tích:

  • Xây dựng mô hình toán học mô phỏng hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin hơi trên phần mềm Matlab để tối ưu các thông số kỹ thuật như vận tốc dòng khí, mật độ từ trường, thông số Hall, hệ số tải kênh.
  • Tính toán chi phí phát điện dựa trên các công thức chi phí vốn, vận hành, nhiên liệu, và lợi nhuận dự kiến của nhà máy.
  • So sánh chi phí và lợi nhuận giữa nhà máy nhiệt điện truyền thống và nhà máy có kết hợp MHD.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung vào một nhà máy nhiệt điện cụ thể (Yên Thế) với dữ liệu thực tế, thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2013 đến tháng 4/2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất phát điện tăng đáng kể khi kết hợp MHD:
   Hiệu suất tổng thể của hệ thống MHD kết hợp tuabin hơi có thể đạt tới 65%, cao hơn khoảng 25% so với hiệu suất 40% của nhà máy nhiệt điện truyền thống. Điều này được mô phỏng qua các thông số vận hành tối ưu trên Matlab.

2. Chi phí phát điện giảm khi áp dụng MHD:
   Chi phí phát điện trung bình của nhà máy nhiệt điện Yên Thế khi không có MHD là khoảng 6,4 cent/kWh, trong khi khi kết hợp MHD, chi phí này giảm xuống còn khoảng 5,2 cent/kWh, tương đương giảm khoảng 18,75%. Sự giảm này chủ yếu nhờ hiệu suất cao hơn và tận dụng nhiệt thải hiệu quả.

3. Lợi nhuận tăng rõ rệt với đầu tư MHD:
   Lợi nhuận thực tế trên thanh góp của nhà máy tăng từ mức khoảng 1,2 triệu USD/năm lên 1,6 triệu USD/năm khi có hệ thống MHD, tương đương tăng 33%. Đồ thị lợi nhuận thể hiện rõ sự cải thiện khi đầu tư thêm máy phát MHD với chi phí đầu tư hợp lý.

4. Ảnh hưởng của biến động giá nhiên liệu:
   Khi giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70%, nhà máy có kết hợp MHD vẫn duy trì lợi nhuận tốt hơn so với nhà máy truyền thống. Ví dụ, với mức tăng 50% chi phí đầu tư MHD, lợi nhuận vẫn cao hơn khoảng 15-20% so với không có MHD.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất và lợi nhuận là do công nghệ MHD cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành điện năng ở nhiệt độ rất cao, giảm tổn thất nhiệt và tận dụng nhiệt thải hiệu quả qua chu trình tuabin hơi. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng nâng cao hiệu suất phát điện bằng công nghệ MHD, đồng thời phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lợi nhuận theo thời gian, chi phí phát điện theo từng phương án đầu tư, và bảng so sánh chi phí vận hành giữa các loại nhà máy. Các kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc hoạch định chiến lược phát triển nguồn năng lượng bền vững, giảm chi phí sản xuất điện và tăng cường hiệu quả đầu tư.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Đầu tư mở rộng hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin hơi:
   Khuyến nghị các nhà đầu tư và cơ quan quản lý năng lượng ưu tiên phát triển công nghệ MHD trong các nhà máy nhiệt điện mới và cải tạo nhà máy hiện có nhằm nâng cao hiệu suất phát điện, giảm chi phí nhiên liệu trong vòng 5 năm tới.

2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển công nghệ MHD:
   Đề xuất các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục hoàn thiện mô hình mô phỏng, thử nghiệm thực tế và phát triển vật liệu chịu nhiệt cao để nâng cao hiệu suất và độ bền của máy phát MHD trong 3-5 năm.

3. Xây dựng chính sách hỗ trợ tài chính và ưu đãi thuế:
   Chính phủ cần ban hành các chính sách ưu đãi về thuế, hỗ trợ vốn vay ưu đãi cho các dự án đầu tư công nghệ MHD nhằm giảm rủi ro tài chính và thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong ngành điện.

4. Đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu về MHD:
   Các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật cần xây dựng chương trình đào tạo chuyên sâu về công nghệ MHD và vận hành hệ thống phát điện kết hợp, nhằm đáp ứng nhu cầu nhân lực chất lượng cao trong ngành điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
   Giúp hiểu rõ về chi phí và lợi ích của công nghệ MHD, từ đó xây dựng chiến lược phát triển nguồn điện hiệu quả, bền vững.

2. Nhà đầu tư và doanh nghiệp ngành điện:
   Cung cấp cơ sở tính toán chi phí, lợi nhuận và rủi ro khi đầu tư vào các dự án nhà máy nhiệt điện kết hợp MHD, hỗ trợ quyết định đầu tư chính xác.

3. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư điện:
   Là tài liệu tham khảo về nguyên lý, mô hình và phương pháp tính toán chi phí phát điện MHD, phục vụ nghiên cứu phát triển công nghệ và tối ưu hóa hệ thống.

4. Sinh viên ngành kỹ thuật điện và năng lượng:
   Hỗ trợ học tập, nghiên cứu khoa học và thực hành mô phỏng hệ thống phát điện hiện đại, nâng cao kiến thức chuyên môn và kỹ năng ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phát điện từ thủy động lực học (MHD) là gì?
   MHD là phương pháp phát điện trực tiếp bằng cách sử dụng dòng khí plasma ion hóa đi qua từ trường để tạo ra dòng điện cảm ứng, không cần bộ phận chuyển động cơ học, giúp nâng cao hiệu suất phát điện.

2. Ưu điểm của hệ thống phát điện MHD kết hợp tuabin hơi là gì?
   Hệ thống này tận dụng nhiệt độ cao còn lại của khí sau MHD để tạo hơi nước vận hành tuabin hơi, nâng cao hiệu suất tổng thể lên đến 65%, giảm tổn thất nhiệt và chi phí nhiên liệu.

3. Chi phí đầu tư cho nhà máy nhiệt điện có kết hợp MHD có cao hơn nhiều so với nhà máy truyền thống không?
   Chi phí đầu tư ban đầu có thể tăng từ 10% đến 50% tùy quy mô và công nghệ, nhưng lợi nhuận và hiệu suất tăng đáng kể giúp giảm chi phí phát điện trung bình và thời gian hoàn vốn nhanh hơn.

4. Công nghệ MHD có phù hợp với điều kiện Việt Nam không?
   Với nguồn nhiên liệu than đá dồi dào và nhu cầu nâng cao hiệu suất phát điện, công nghệ MHD rất phù hợp để áp dụng tại Việt Nam, góp phần giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

5. Làm thế nào để tối ưu hiệu suất của máy phát MHD?
   Tối ưu các thông số như mật độ từ trường, vận tốc dòng khí, thông số Hall và hệ số tải kênh thông qua mô hình mô phỏng trên Matlab giúp đạt hiệu suất cao nhất, đồng thời giảm tổn thất điện năng.

Kết luận

• Phương pháp phát điện từ thủy động lực học (MHD) kết hợp tuabin hơi giúp nâng cao hiệu suất phát điện lên đến 65%, vượt trội so với công nghệ truyền thống.
• Chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện Yên Thế giảm khoảng 18,75% khi áp dụng công nghệ MHD, đồng thời lợi nhuận tăng hơn 30%.
• Công nghệ MHD có khả năng duy trì lợi nhuận tốt ngay cả khi giá nhiên liệu tăng cao, thể hiện tính bền vững kinh tế.
• Đề xuất đầu tư mở rộng, nghiên cứu phát triển công nghệ, chính sách hỗ trợ và đào tạo nguồn nhân lực để thúc đẩy ứng dụng MHD tại Việt Nam.
• Nghiên cứu cung cấp công cụ mô phỏng và tính toán chi phí hữu ích cho các nhà quản lý, nhà đầu tư và kỹ sư trong ngành điện.

Các cơ quan quản lý và nhà đầu tư nên xem xét áp dụng công nghệ MHD trong các dự án phát điện mới và cải tạo nhà máy hiện có để nâng cao hiệu quả năng lượng quốc gia. Các đơn vị nghiên cứu cần tiếp tục hoàn thiện mô hình và thử nghiệm thực tế để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả kinh tế 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.