Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp

Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

Kể từ cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1970, thị trường năng lượng thế giới đã trải qua nhiều biến động lớn, với giá cả năng lượng liên tục tăng Việc khai thác quá mức nguồn nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến hiện tượng ấm lên toàn cầu Tại Hội nghị COP21 tháng 12 năm 2015 ở Paris, các quốc gia đã đạt được thỏa thuận quan trọng nhằm giới hạn sự gia tăng nhiệt độ trái đất không quá 2°C Trước tình hình này, việc sử dụng hiệu quả năng lượng và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, và địa nhiệt đang được các quốc gia nghiên cứu và áp dụng để giải quyết các vấn đề môi trường.

Báo cáo "Planning For the Renewable Future" của IRENA cho thấy năng lượng tái tạo đã đóng góp 23% sản lượng điện toàn cầu vào năm 2014 Nếu các kế hoạch và chính sách đầy tham vọng được triển khai nhanh chóng, tỷ lệ này có thể đạt 45% vào năm 2030, với năng lượng mặt trời và gió là hai nguồn chính trong việc sản xuất điện.

Năng lượng tương lai chủ yếu đến từ nguồn năng lượng tái tạo, trong đó địa nhiệt nổi bật với khả năng cung cấp nhiệt năng ổn định từ lòng đất Địa nhiệt là nguồn năng lượng sạch và bền vững, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết hay khí hậu như các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời Với hệ số công suất cao, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng hoạt động 24/7, đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục.

Trong suốt 7 ngày trong tuần, nguồn nhiệt lượng từ lòng đất được chuyển lên bề mặt dưới dạng hơi hoặc nước nóng khi nước lưu thông qua các lớp đất đá nóng Nhiệt lượng này thường được sử dụng trực tiếp cho các hệ thống điều hòa nhiệt độ như bơm địa nhiệt, hoặc được chuyển đổi thành điện năng tại các nhà máy nhiệt điện.

Nghiên cứu của Hyungsul Moon và Sadiq J Zarrouk chỉ ra rằng hiệu suất của các mô hình phát điện địa nhiệt hiện có rất quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển thiếu nguồn năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên Công trình này đánh giá toàn cầu dựa trên dữ liệu từ 9 nhà máy địa nhiệt, cho thấy hiệu suất chuyển đổi cao nhất đạt khoảng 21%, trong khi hiệu suất trung bình toàn cầu khoảng 12%.

Bài báo: “Efficiency of geothermal power plants: a worldwide review”,

Hyungsul Moon and Sadiq J Zarrouk, Deparment of Engineering Science, University of Auckland, New Zealand, 2013

Nghiên cứu của A Aali, N Pourmahmoud, V Zare chỉ ra rằng việc áp dụng các chu trình nhiệt động lực học hiệu quả cao cho phát điện từ nguồn nhiệt sẵn có là chiến lược bền vững Trong nghiên cứu, chu trình flash-binary được đề xuất cho phát điện từ giếng địa nhiệt Sabalan ở Iran, với việc xem xét sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất Dựa trên dữ liệu từ giếng khoan, hiệu suất chu trình được đánh giá, tối ưu hóa chi phí năng lượng đầu ra cho bốn chỉ số chất lỏng làm việc Kết quả cho thấy chu trình với R141b có hiệu suất tốt nhất, đạt 52.56% và chi phí 4.901 $/GJ khi tối ưu hóa mục tiêu đơn Tuy nhiên, tối ưu hóa đa mục tiêu mang lại hiệu suất 54.87% và chi phí 5.068 $/GJ Cuối cùng, nghiên cứu so sánh hiệu suất chu trình đề xuất với các hệ thống trước đây cho các hồ chứa địa nhiệt.

Sabalan và kết luận rằng hệ thống flash binary được đề xuất ở đây có hiệu suất tốt hơn đáng kể so với các hệ thống trước đây

Bài báo “Exergoeconomic analysis and multi-objective optimization of a novel combined flash-binary cycle for Sabalan geothermal power plant in Iran”, A

Aali a, N Pourmahmoud b, V Zare, Faculty of Mechanical Engineering, Urmia University of Technology, Urmia, Iran, 2017, Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran, 2017

Hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD), được khởi xướng bởi Hannes Alfvén và nhận giải Nobel vật lý năm 1970, nghiên cứu động lực học của các chất lỏng dẫn điện như plasma, kim loại lỏng, nước muối và khí ion hóa Từ "thủy động lực học" xuất phát từ "magnet" (từ trường), "hydro" (chất lỏng) và "động" (chuyển động) Alfvén mô tả các lớp sóng MHD, gọi là sóng Alfvén, trong đó từ trường tác động lực Lorentz lên các điện tích trong plasma, tạo ra áp suất và dòng điện cảm ứng Dòng điện này lại sinh ra từ trường cảm ứng, tạo thành một thiết bị phát điện hiệu quả Máy phát MHD có khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt trực tiếp thành điện mà không cần thành phần chuyển động, giúp giảm tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất phát điện.

Với những ưu điểm của mình, máy phát điện MHD đã được nghiên cứu khá nhiều trên thế giới Một số nghiên cứu như sau:

In the early 21st century, significant research and development on closed cycle magnetohydrodynamics (MHD plasma) emerged The paper titled "Basic studies on closed cycle MHD power generation system for space application," presented at the 35th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference from June 28 to July 1, 2004, in Portland, Oregon, reports on a study conducted by Nob Harada, Le Chi Kien, and Hishikawa from Nagaoka University, Niigata, Japan, highlighting a projected overall efficiency of 55.2% for closed cycle MHD systems.

Bài báo “Investigating the effect of channel angle of a subsonic MHD

(Magneto-Hydro-Dynamic) generator on optimum efficiency of a triple combined cycle” Sufi a Khalili, Ali Jafarian Dehkordi, Mohammad Hossein Giahi, School of

Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Jalal Ale Ahmad Highway, P.O BOX: 14115-143, Tehran, Iran-2015

Bài báo này giới thiệu ba chu trình năng lượng, bao gồm một kênh MHD chu trình mở với góc phân chia 5,7 độ làm chu trình đầu tiên, một tua bin khí làm máy phát điện chính giữa, và một tua bin hơi làm chu trình cuối Quá trình tính toán và phân tích hiệu suất của chu trình kết hợp dựa trên máy phát điện MHD cho thấy hiệu suất tối ưu đạt 71,32%, cao hơn rõ rệt so với hiệu suất 40,89% của chu trình kết hợp không có máy phát điện MHD.

Máy phát điện MHD hoạt động bằng cách nhiệt plasma di chuyển qua từ trường để tạo ra năng lượng điện Trước đây, nhiên liệu cho máy phát chủ yếu đến từ việc đốt than hoặc phản ứng hạt nhân, nhưng với sự phát triển của công nghệ, hiện nay có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sinh khối và địa nhiệt Việc chuyển sang sử dụng năng lượng sạch giúp giảm ô nhiễm, khí thải nhà kính và tạo sự chủ động trong nguồn năng lượng, trở thành xu hướng toàn cầu Do đó, học viên đã chọn nghiên cứu về máy phát điện MHD kết hợp với nguồn năng lượng địa nhiệt từ lòng đất nhằm nâng cao hiệu suất phát điện.

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế và xã hội của các quốc gia Thiếu hụt năng lượng sẽ cản trở sự phát triển bền vững Trong vài thập kỷ qua, tiêu thụ năng lượng toàn cầu gia tăng nhanh chóng, chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá và khí tự nhiên, gây ô nhiễm môi trường và dẫn đến cạn kiệt nguồn tài nguyên Việt Nam sở hữu nguồn tài nguyên năng lượng phong phú, bao gồm than, dầu khí, thủy điện và các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt và năng lượng biển Do đó, việc đầu tư và phát triển năng lượng tái tạo là cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai.

Mặc dù nguồn địa nhiệt ở Việt Nam chưa được nghiên cứu và đánh giá đầy đủ, nhưng các dữ liệu gần đây cho thấy tiềm năng điện địa nhiệt có thể đạt trên 300MW Khu vực miền Trung được xác định là nơi có khả năng khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này.

Công nghệ phát điện từ thủy động lực học đã tồn tại và được nghiên cứu từ lâu, nhưng hiệu suất hoạt động thấp khi sử dụng độc lập và tuổi thọ của máy hạn chế do phải hoạt động ở nhiệt độ cao, dẫn đến hư hỏng các điện cực và chi phí vật liệu chế tạo cao Vì vậy, công nghệ MHD vẫn đang ở giai đoạn tiềm năng và chỉ được ứng dụng trong một số lĩnh vực đặc biệt, như trong ngành khoa học không gian, nơi nó được sử dụng để cung cấp điện cho các tàu vũ trụ.

Trong thập kỷ qua, nhu cầu về điện đã tăng nhanh chóng, dẫn đến tình trạng cầu vượt cung Các phương pháp phát điện hiện tại không đủ hiệu quả để đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng Cuộc khủng hoảng năng lượng gần đây đã thúc đẩy việc phát triển máy phát điện từ thủy động lực học (MHD), một phương pháp hiệu quả cao, dựa trên vật lý plasma và nguyên lý cảm ứng điện từ Faraday MHD sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng nhiệt của plasma khi nó di chuyển qua từ trường mạnh.

Máy phát điện MHD có cấu tạo đơn giản, không cần bộ phận chuyển động, trực tiếp chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng, mang lại hiệu suất phát điện cao Học viên đã chọn đề tài “Nghiên cứu Hệ thống Phát điện Từ thủy động lực (MHD) sử dụng năng lượng địa nhiệt với Chu trình kết hợp” để nghiên cứu máy phát điện LMMHD, sử dụng kim loại lỏng kết hợp với nguồn địa nhiệt và các chu trình khác nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện và giảm ô nhiễm môi trường Nghiên cứu này hy vọng giải quyết các vấn đề về năng lượng theo xu hướng phát triển toàn cầu, sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên, vô tận, không ảnh hưởng đến môi trường và đạt hiệu suất cao.

Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu nguyên lý phát điện Từ thủy động lực (MHD)

- Nghiên cứu mô hình máy phát LMMHD và chu trình địa nhiệt điện

- Nghiên cứu mô hình máy phát LMMHD sử dụng nguồn năng lượng địa nhiệt với các chu trình kết hợp

 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu nguồn năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam và tiềm năng phát triển của các nhà máy điện địa nhiệt

- Phân tích, tính toán các thông số truyền nhiệt tại các nút trong chu trình máy phát điện địa nhiệt truyền thống để tính toán hiệu suất của chúng

Phân tích và tính toán các thông số truyền nhiệt tại các nút trong chu trình máy phát điện từ thủy động lực sử dụng năng lượng địa nhiệt là rất quan trọng Việc áp dụng chu trình kết hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất chung của hệ thống Từ đó, có thể xác định được hiệu quả hoạt động và khả năng khai thác năng lượng địa nhiệt một cách hiệu quả nhất.

Phương pháp nghiên cứu

- Đọc, nghiên cứu các tài liệu liên quan

Sưu tầm và trích dẫn có chọn lọc các bài báo cùng những công trình nghiên cứu khoa học từ các tạp chí uy tín trong nước và quốc tế là một phương pháp quan trọng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của thông tin Việc này không chỉ giúp nâng cao chất lượng nội dung mà còn góp phần vào việc phát triển kiến thức trong lĩnh vực chuyên môn.

- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trong sơ đồ phân tích

Do lĩnh vực này còn mới mẻ ở nước ta, người thực hiện luận văn không thể tiến hành thực nghiệm thực tế, mà chỉ có thể khảo sát thông qua các mô hình tính toán và mô phỏng Từ những kết quả thu được, tác giả sẽ tiến hành phân tích và đưa ra các kết luận phù hợp.

Phạm vi và giới hạn của đề tài

- Tìm hiểu nguồn năng lượng địa nhiệt và mô hình các nhà máy điện địa nhiệt

- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về MHD

- Khảo sát hệ thống phát điện địa nhiệt điện truyền thống và hệ thống phát điện LMMHD sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp

 Giới hạn của đề tài

- Không phân tích sâu hệ thống địa nhiệt điện

- Không phân tích sâu cấu tạo của máy phát điện LMMHD

- Không phân tích lưu chất làm việc của máy phát điện LMMHD

- Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu phân tích dựa trên quá trình nhiệt động học

Bài viết chỉ tập trung vào việc phân tích và tính toán các thông số nhằm đưa ra hiệu suất chung của hệ thống phát điện địa nhiệt truyền thống và hệ thống phát điện LMMHD, mà không đề cập đến hiệu quả kinh tế của các hệ thống này.

Nội dung nghiên cứu

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu hiện nay, việc nghiên cứu và quy hoạch phát triển các nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cấp thiết Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tính khả thi của năng lượng địa nhiệt, đặc biệt là khả năng kết hợp với máy phát điện MHD để tối ưu hóa hiệu suất Luận văn này sẽ trình bày mục đích, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu, các giới hạn và phương pháp thực hiện, đồng thời cấu trúc nội dung một cách logic để cung cấp cái nhìn tổng quan về vấn đề này.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn năng lượng địa nhiệt, chu trình Rankine, nguyên lý hoạt động của hệ thống phát điện MHD

Chương 3: Xây dựng mô hình máy phát điện LMMHD kết hợp năng lượng địa nhiệt

Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống địa nhiệt truyền thống, từ đó xác định các thông số quan trọng Dựa trên những thông số này, tiếp tục phát triển mô hình địa nhiệt kết hợp với MHD để nâng cao hiệu quả và tính chính xác của hệ thống.

Chương 4: Tính toán và mô phỏng các thông số của các chu trình

Mô hình kết hợp địa nhiệt với hệ thống phát điện LMMHD đã được tính toán và mô phỏng để xác định các thông số cụ thể của các khối Các đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các thông số cũng như so sánh kết quả với các mô hình địa nhiệt điện truyền thống và mô hình địa nhiệt tuabin.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Năng lượng địa nhiệt

2.1.1 Tổng quan Địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của vỏ Trái Đất Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ Trái Đất cứ xuống sâu thì khoảng 3,1 0 C/100m [14], trữ lượng nhiệt tự nhiên của trái đất rất to lớn Theo

Viện Nghiên cứu Điện lực (EPRI) ước tính rằng năng lượng nhiệt lưu trữ dưới lòng đất đến 3 km có thể lên tới 43 x 10^6 EJ, vượt xa tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp toàn cầu là 560 EJ vào năm 2021 Các nghiên cứu của Bertani (2003), Stefansson (2005), và Tester cùng cộng sự (2005) chỉ ra rằng tiềm năng điện có thể khai thác dao động từ 35 đến 200 GW, gấp 16 lần công suất hiện tại Hơn 100 triệu GWh năng lượng nhiệt được sản xuất từ bên trong Trái Đất mỗi năm, cho thấy lòng đất sẽ tiếp tục cung cấp nhiệt năng trong hàng tỷ năm tới, khẳng định địa nhiệt là một nguồn năng lượng tái tạo gần như vô tận.

Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng được khai thác từ nhiệt độ bên trong Trái Đất, có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, hoạt động phân hủy phóng xạ của khoáng vật và năng lượng mặt trời hấp thụ tại bề mặt Năng lượng này đã được sử dụng từ lâu để phục vụ cho các nhu cầu như nung và tắm.

La Mã cổ đại đã sử dụng năng lượng địa nhiệt, và ngày nay, nguồn năng lượng này vẫn được khai thác để phát điện Theo báo cáo hàng năm về sản lượng năng lượng địa nhiệt của Hoa Kỳ và toàn cầu, hiện có khoảng 13.3.

GW (Hình 2.1) công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới tính đến năm tháng 01 năm 2016 [9]

Khai thác năng lượng địa nhiệt là một giải pháp kinh tế và thân thiện với môi trường, mặc dù trước đây bị giới hạn về địa lý Tuy nhiên, các tiến bộ khoa học kỹ thuật đã mở rộng phạm vi và quy mô của nguồn tài nguyên này, đặc biệt trong các ứng dụng như sưởi ấm cho hộ gia đình Mặc dù các giếng địa nhiệt có thể thải ra khí nhà kính từ dưới lòng đất, nhưng mức phát thải này vẫn thấp hơn nhiều so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch Công nghệ địa nhiệt có tiềm năng giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu được áp dụng rộng rãi.

Nhu cầu điện năng tăng cao trong thế kỷ 20 đã khiến điện địa nhiệt trở thành nguồn năng lượng tiềm năng Hiện nay, điện địa nhiệt được sản xuất tại 24 quốc gia, trong đó có Hoa Kỳ, Iceland, Ý, Đức và Thổ Nhĩ Kỳ.

Trong thập kỷ qua, công suất lắp đặt địa nhiệt toàn cầu đã tăng trưởng từ 3 đến 4% mỗi năm, tương ứng với sự phát triển kinh tế thế giới Sự tăng trưởng này chủ yếu diễn ra ở Kenya (392 MWe), Mỹ (352 MWe), New Zealand (400 MWe) và Thổ Nhĩ Kỳ (306 MWe), chiếm 60% tổng công suất tăng thêm Dự báo từ tháng 1 năm 2015 đến tháng 12 năm 2018, các dự án mới sẽ bổ sung gần 2.000 MWe, tương đương với 16% công suất hiện tại, chủ yếu tại Indonesia (636 MWe), Thổ Nhĩ Kỳ (298 MWe) và Kenya (255 MWe) Ngoài ra, phát điện địa nhiệt sẽ mở rộng sang các quốc gia như Iran, Croatia, Chile và Honduras, với năng lượng địa nhiệt được sử dụng tại hơn 80 quốc gia trên thế giới.

Năng lượng địa nhiệt đang phát triển nhanh chóng trên toàn cầu, với dự báo ngành công nghiệp này sẽ đạt khoảng 18,3 GW vào năm 2021 Nếu các quốc gia hoàn thành mục tiêu phát triển điện địa nhiệt, tổng công suất có thể đạt 32 GW vào đầu những năm 2030.

Hình 2.1 Công suất lắp đặt nhà máy điện địa nhiệt trên thế giới [9]

Giá thành điện địa nhiệt phụ thuộc vào nguồn địa nhiệt và quy mô nhà máy, dao động từ 2,5-10 xu Mỹ/kWh, trong khi giá hơi nước có thể giảm xuống còn 3,5 USD/tấn Các yếu tố ảnh hưởng đến giá cả bao gồm độ sâu và nhiệt độ của bồn địa nhiệt, sản lượng khai thác của giếng, tiêu chuẩn môi trường, cơ sở hạ tầng và các yếu tố kinh tế như quy mô phát triển và kế hoạch tài chính.

Năng lượng địa nhiệt là nhiệt năng tự nhiên tồn tại dưới lòng đất, phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai, sự ma sát giữa các phiến lục địa và quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên.

Hình 2.2 Cấu tạo và nhiệt độ từng lớp vỏ Trái Đất

Năng lượng địa nhiệt là nguồn nhiệt chính được hình thành từ các phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng như thorium (Th), protactinium (Pa) và uranium (U) có trong lòng đất.

- Nhiệt năng cũng có thể tích tụ dần thông qua sự hấp thụ năng lượng mặt trời của lớp vỏ trái đất

Năng lượng địa nhiệt được tạo ra từ ma sát giữa hai mảnh vỏ trái đất khi chúng dịch chuyển, trong đó một mảnh trượt trên mảnh kia Nguồn nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất có nguồn gốc từ quá trình hình thành hành tinh khoảng 4,5 tỷ năm trước, khi Trái Đất hình thành từ một khối cầu nóng và nguội dần qua quá trình quay quanh trục Phần nhiệt còn lại đến từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ trong lõi trái đất Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng, dòng nhiệt di chuyển từ lõi ra ngoài vỏ Trái Đất.

Hình 2.3 Quá trình hình thành địa nhiệt từ sự di chuyển của các mảng vỏ trái đất

Nhiệt độ tại tâm Trái Đất ước tính khoảng 6650°C, trong khi Trái Đất nguội dần với tốc độ 300 đến 350°C trong một tỉ năm Ở những vùng có hoạt động địa chấn mạnh, nhiệt độ tăng nhanh theo chiều sâu, với giá trị Gradient nhiệt trung bình dao động từ 2,5 đến 3°C/100m Tuy nhiên, giá trị này có thể thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm địa chất và hoạt động kiến tạo; ở một số vùng trũng, Gradient nhiệt có thể nhỏ hơn 1°C/100m, trong khi ở những nơi khác, giá trị này có thể cao hơn hàng chục lần so với bình thường Năng lượng địa nhiệt, nguồn nhiệt tự nhiên từ lòng đất, được khai thác bằng cách khoan sâu và đưa lên mặt đất dưới dạng hơi nóng hoặc nước nóng.

Hình 2.4 Các dạng biểu hiện của nguồn năng lượng địa nhiệt trên mặt đất 2.1.3 Năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam [2]

Việt Nam có gần 300 điểm lộ nước nóng trên đất liền, thường được gọi là nước nóng hoặc nước khoáng Những điểm lộ này phân bố rải rác khắp các miền, thu hút du khách tìm kiếm trải nghiệm thư giãn và lợi ích sức khỏe từ nguồn nước thiên nhiên.

Nhiệt độ miền Nam Việt Nam thường dao động từ 30°C đến 105°C, đặc biệt cao nhất ở 12 tỉnh ven biển miền Trung Các điểm lộ nước nóng và nước khoáng tại Việt Nam thường xuất hiện dưới dạng khí phun hoặc suối nhỏ, và cũng có thể được tìm thấy trong các giếng khoan nông Gần 300 điểm lộ này đã được khai thác để phục vụ đời sống dân sinh Dưới đây là 4 điểm lộ tiêu biểu từ miền Bắc vào miền Nam.

Chu trình hơi nước (Rankine) [18]

Chu trình Rankine, được phát minh bởi giáo sư William John M Rankine từ trường đại học Glasgow, là chu trình cơ bản của nhà máy nhiệt điện Tương tự như chu trình động cơ Diesel lý tưởng và chu trình Carnot cho các chất lỏng, chu trình Rankine đặc trưng cho quá trình biến đổi pha giữa lỏng và khí.

Chu trình Rankine là mô hình dự đoán hiệu suất của hệ thống tuabin hơi nước, hoạt động như một chu trình nhiệt động lực lý tưởng trong động cơ nhiệt Chu trình này chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng, với nguồn nhiệt cung cấp từ bên ngoài vòng kín, thường sử dụng nước làm chất lỏng làm việc.

Hình 2.10 sơ đồ khối mô tả chu trình Rankine [17]

Chu trình Rankine là quá trình quan trọng trong các nhà máy nhiệt điện tuabin hơi, sử dụng nước và hơi nước làm môi chất Trong các nhà máy nhiệt điện, lò hơi đóng vai trò sinh hơi, nơi nước hấp thụ nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu Đối với nhà máy điện mặt trời và địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc nhiệt từ lòng đất Trong các nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi được thay thế bằng thiết bị trao đổi nhiệt, nơi nước hấp thụ nhiệt từ chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân.

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý của chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine)

Lò hơi 1 có chức năng cung cấp nhiệt đẳng áp từ nước chưa sôi đến hơi bão hòa khô, sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như rắn, lỏng và khí Hơi bão hòa khô sau đó được gia nhiệt ở bộ quá nhiệt 2, tạo thành hơi quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ cao Hơi quá nhiệt này được sử dụng để giãn nở sinh công ở tuabin 3, làm quay máy phát điện 6 Sau khi ra khỏi tuabin, hơi được ngưng tụ hoàn toàn ở bình ngưng 4, và nước được bơm vào lò hơi từ nguồn cấp 5.

Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào các thông số đầu vào và đầu ra của tuabin Để cải thiện hiệu suất nhiệt, cần tăng nhiệt độ và áp suất đầu vào, đồng thời giảm áp suất đầu ra của tuabin.

Chu trình Rankine là quá trình hoạt động của động cơ nhiệt hơi nước, chủ yếu được ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện năng Nguồn nhiệt trong các nhà máy này thường đến từ phản ứng phân hạch hạt nhân hoặc từ việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí tự nhiên và dầu.

Hiệu quả của chu trình Rankine bị giới hạn bởi nhiệt độ bay hơi của chất lỏng làm việc, với nhiệt độ vào tuabin hơi nước khoảng 565 °C và nhiệt độ hơi nước ngưng tụ khoảng 30 °C Điều này dẫn đến hiệu suất Carnot lý thuyết tối đa khoảng 63%, trong khi tổng hiệu suất nhiệt thực tế chỉ đạt 42% cho nhà máy điện chạy bằng than đá hiện đại Nhiệt độ đầu vào thấp của tuabin hơi nước so với tuabin khí là lý do khiến chu trình Rankine thường được sử dụng để thu hồi nhiệt từ khí thải trong các nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp.

Chất lỏng trong chu trình Rankine hoạt động theo một vòng khép kín và được tái sử dụng liên tục Nhiệt thải từ các nhà máy điện có thể được tận dụng để gia nhiệt, phục vụ cho những công việc hữu ích khác.

Hình 2.12 Nhà máy điện hơi nước đơn giản hoạt động theo chu trình Rankine [18]

Chu trình Rankine bao gồm bốn quá trình, trong đó trạng thái 1 là chất lỏng bão hòa và trạng thái 3 có thể là hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt Đây là mô hình cơ bản cho các nhà máy điện hơi nước đơn giản Các trạng thái và quá trình trong chu trình này có thể được minh họa rõ ràng trên sơ đồ T-s.

1 – 2: Quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch trong bơm

2 – 3: Gia nhiệt ở áp suất không đổi trong lò hơi

3 – 4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong tuabin (động lực chính cho động cơ hơi nước)

4 – 1: Quá trình ngưng tụ ở áp suất không đổi trong bình ngưng

Như đã đề cập trước đó, các chu trình Rankine cũng bao gồm khả năng hơi quá nhiệt, như chu kỳ 1 – 2 – 3’ – 4’ – 1

Khi thay đổi động lực và năng lượng tiềm năng bị bỏ quên, nhiệt truyền và công việc có thể được biểu diễn qua các khu vực khác nhau trên sơ đồ T-s Cụ thể, nhiệt truyền cho chất lỏng làm việc nằm trong khu vực a – 2 – 2’ – 3 – b – a, trong khi nhiệt thu từ chất lỏng làm việc nằm trong khu vực a – 1 – 4 – b – a Dựa trên định luật thứ nhất, chúng ta có thể kết luận rằng khu vực đại diện cho công việc chính là sự chênh lệch giữa hai khu vực này.

1 – 2 – 2’ – 3 – 4 – 1 và khu vực a – 2 – 2’ – 3 – b – a Hiệu suất nhiệt được xác định bởi các mối quan hệ a b KVa

Khi phân tích chu trình Rankine, hiệu suất của chu trình phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình cung cấp và nhiệt độ trung bình bị loại bỏ Tăng nhiệt độ trung bình cung cấp hoặc giảm nhiệt độ trung bình bị loại bỏ sẽ cải thiện hiệu quả của chu trình Rankine.

Khi phân tích các chu trình lý tưởng, các biến đổi trong động năng và thế năng từ một điểm khác trong chu trình thường bị bỏ qua Tuy nhiên, đây là một giả định hợp lý khi áp dụng cho các chu trình thực tế.

Chu trình Rankine có hiệu suất thấp hơn chu trình Carnot với cùng mức nhiệt độ tối đa và tối thiểu do nhiệt độ trung bình giữa các điểm không đạt được mức độ cần thiết trong quá trình bốc hơi Tuy nhiên, chu trình Rankine được chọn làm chu trình lý tưởng vì hai lý do chính Thứ nhất, trong giai đoạn 1’, hỗn hợp chất lỏng và hơi gây khó khăn cho việc xây dựng máy bơm, trong khi việc ngưng tụ hơi hoàn toàn và chỉ xử lý chất lỏng trong bơm là dễ dàng hơn Thứ hai, chu trình Rankine giải quyết vấn đề hơi quá nhiệt, khi hơi nước trong quá trình 3 – 3’ được giữ ở áp suất không đổi, trong khi chu trình Carnot gặp khó khăn do nhiệt truyền ở nhiệt độ không đổi và áp suất giảm trong quá trình dãn nở Chính vì vậy, chu trình Rankine trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng thực tiễn.

Nhìn chung, hiệu quả của một chu trình Rankine đơn giản có thể được viết như sau: in turb in pump turb therm

Mỗi phương trình trong bốn phương trình tiếp theo được xây dựng từ sự cân bằng năng lượng và khối lượng cho một điều khiển dung lượng Hiệu suất nhiệt của chu kỳ được xác định bởi tỷ lệ giữa sản lượng điện lưới đầu ra và nhiệt độ đầu vào, ký hiệu là η therm Sản lượng làm việc của bơm thường yêu cầu khoảng 1% sản lượng làm việc của tuabin, điều này có thể được đơn giản hóa.

Khi tính toán các hiệu suất của các tuabin và máy bơm, các điều khoản hiệu chỉnh làm việc phải được thực hiện pump pump pump v p v p p h m h

- Q là lưu lượng dòng nhiệt đến hoặc từ hệ thống (năng lượng trên một đơn vị thời gian)

- m là lưu lượng khối (khối lượng trên đơn vị thời gian)

- W là năng lượng cơ tiêu thụ hoặc cung cấp cho hệ thống (năng lượng trên một đơn vị thời gian)

-  therm là hiệu suất nhiệt động lực của quá trình (sản lượng điện đầu ra trên nhiệt độ đầu vào, không thứ nguyên)

-  pump , turb là hiệu suất của quá trình nén đẳng entropy (bơm) và quá trình dãn nở (tuabin), không thứ nguyên

- h 1 ,h 2 ,h 3 ,h 4 là các "enthalpies riêng biệt" tại các điểm trên sơ đồ T – s

- h 4 s là "entanpy cụ thể" cuối cùng của chất lỏng nếu tuabin là đẳng entropy

- p 1 ,p 2 là áp suất trước và sau quá trình nén.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN LMMHD KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT

Mô hình nhà máy địa nhiệt truyền thống

Hình 3.1 Mô hình địa nhiệt truyền thống

Nước nóng địa nhiệt là một nguồn năng lượng tái tạo lý tưởng, và chu trình Rankine là một chu trình năng lượng quan trọng cần được xem xét Chúng ta sẽ tiến hành tính toán hiệu suất nhiệt của chu trình này.

- Nguồn nhiệt hoạt động: Được lấy từ nguồn nước nóng trong lòng đất cung cấp nhiệt cho chu trình với nhiệt độ từ 450 0 C

- Máy tách kiểu xoáy: Tách hơi và nước nóng ra hai phần, phần hơi được chuyển đi quay tuabin

- Tuabin hơi: Chuyển năng lượng của hơi nước thành điện năng

- Tháp làm mát: Giảm nhiệt độ của dòng nước sau khi qua tuabin hơi nước

- Bơm: Nhận năng lượng từ bộ điều phối năng lượng có nhiệm vụ đưa nước từ tháp giải nhiệt trở về lòng đất tiếp tục chu trình

- Bộ điều phối: Chuyển tải năng lượng lên lưới và cấp nguồn cho các thiết bị trong chu trình hoạt động

3.1.1 Phân tích các khối trong mô hình địa nhiệt truyền thống

Hình 3.2 Máy tách kiểu xoáy

Máy tách kiểu xoáy có chức năng tách nước thành hai phần hơi và lỏng riêng biệt Hơi nước với áp suất nhất định sẽ quay tuabin phát điện, mang lại hiệu quả cao Khi hơi bão hòa khô đi qua máy tách kiểu xoáy, tổn thất nhiệt độ và áp suất là không đáng kể.

Tháp giải nhiệt là thiết bị hiệu quả giúp giảm nhiệt độ nước bằng cách loại bỏ nhiệt qua quá trình bay hơi Khi nước bay hơi vào không khí, nhiệt độ của nước còn lại được làm mát đáng kể So với các thiết bị chỉ sử dụng không khí để tản nhiệt, như bộ tản nhiệt ô tô, tháp giải nhiệt có khả năng giảm nhiệt độ nước thấp hơn, từ đó mang lại hiệu quả cao hơn về năng lượng và chi phí.

Bình ngưng là thiết bị chuyển đổi hơi nước thành chất lỏng bằng cách sử dụng nước lạnh để hấp thụ nhiệt Quá trình này làm giảm nhiệt độ của hơi nước, dẫn đến sự ngưng tụ thành dạng lỏng.

3.1.2 Tính toán hiệu suất hệ thống dựa trên chu trình năng lượng

Hệ thống sẽ gồm chu trình tuabin hơi nước 1 – 2 – 3 – 4 và chu trình sẽ được đơn giản hóa như sau:

Hình 3.5 Sơ đồ đơn giản của chu trình tuabin hơi nước

Nhiệt độ nước khi qua tháp sẽ giảm xuống bằng nhiệt độ môi trường do đó năng lượng thoát ra

Với h 4 , h 1 là Entropy tại nút 4 và nút 1

Q H là nhiệt lượng thu được qua bộ trao đổi nhiệt với nguồn nước nóng địa nhiệt

Q L là nhiệt lượng thải ra từ bộ ngưng tụ

W P là công của bơm nén

W T là công sinh ra (điện năng)

Phân tích Entropy các nút trong chu trình

P 2 = P3 = 0,7 MPa h 3 = 3375,1KJ/Kg s 3 = 7,7884KJ/Kg.K h 1 = 251,4 KJ/Kg v 1 = 0,0010171m 3 /Kg

 Tua bin hơi phát điện

Năng lượng tua bin sinh ra

Năng lượng ta thu được

Nhiệt độ tại các nút

3.2 Mô hình nhà máy địa nhiệt tuabin 2 cấp

Hình 3.6 Mô hình nhà máy địa nhiệt tuabin 2 cấp

Mô hình nhà máy địa nhiệt tuabin 2 cấp tương tự như nhà máy địa nhiệt truyền thống, nhưng sử dụng hai tuabin với áp suất cao và áp suất thấp Mô hình này mang lại hiệu suất cao hơn và giảm thiểu lượng nước đọng lại trong tuabin.

Mô hình sẽ được đơn giản hóa như sau:

Hình 3.7 Sơ đồ đơn giản của chu trình tuabin 2 cấp

Nhiệt độ nước khi qua tháp sẽ giảm xuống bằng nhiệt độ môi trường do đó năng lượng thoát ra khi qua tuabin áp suất cao

 Tuabin hơi áp suất cao

Với h 3 , h 4 là Entropy tại nút 3 và nút 4

Q H là nhiệt lượng thu được qua bộ trao đổi nhiệt với nguồn nước nóng địa nhiệt

Q L là nhiệt lượng thải ra từ bộ ngưng tụ

W P là công của bơm nén

W T là công sinh ra (điện năng)

Entropy các nút trong chu trình

P 1 = P 6 = 0,02Mpa h = 3375,1 KJ/Kg s 3 = 7,7884 KJ/Kg.K h 1 = 251,4 KJ/Kg v 1 = 0,0010171 m 3 /Kg h 5 = 3380,2KJ/Kg s 5 = 8,1848 KJ/Kg.K h 4s V1,46 KJ/Kg

 Tuabin hơi áp suất thấp

Năng lượng 2 tuabin sinh ra

Năng lượng mà ta thu được

Nhiệt độ tại các nút

Mô hình nhà máy địa nhiệt sử dụng máy phát điện LMMHD

Từ mô hình địa nhiệt truyền thống, ta xây dựng mô hình nhà máy địa nhiệt điện sử dụng máy phát điện LMMHD như sau:

Hình 3.8 Mô hình nhà máy địa nhiệt điện - LMMHD

Nguồn nhiệt hoạt động: nguồn nước nóng lấy từ lòng đất cung cấp một nhiệt lượng khoảng 723 0 K

Máy tách kiểu xoáy: tách hơi và nước nóng ra hai phần, phần nước được dùng để gia nhiệt cho kim loại lỏng của chu trình LMMHD

Máy phát MHD: Sử dụng loại máy phát dạng ống hiệu suất ηEE từ 35% đến 40% tạo ra điện năng

Bộ trộn: Có nhiệm vụ trộn kim loại lỏng và khí đưa vào máy phát MHD

Bộ tách: Tách hỗn hợp kim loại lỏng và khí thành hai thành phần riêng biệt

Bộ trao đổi nhiệt 1: Nhận nhiệt lượng từ nước nóng gia nhiệt cho kim loại lỏng

Bộ trao đổi nhiệt 2: Nhận nhiệt lượng từ nước nóng gia nhiệt cho khí trong chu trình LMMHD

Tháp làm mát: làm mát nước nóng

Bơm: đưa nước từ tháp làm mát trở về lòng đất để tiếp tục chu trình

Bộ điều phối: truyền tải năng lượng lên lưới và cấp nguồn cho các thiết bị trong sơ đồ hoạt động

Máy phát điện MHD sử dụng kim loại lỏng làm môi chất phát điện, kết hợp với nguồn địa nhiệt để gia tăng động năng Nguồn nước nóng được dẫn qua hai bộ trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho chu trình LMMHD Sau khi qua hai bộ trao đổi nhiệt, nước nóng sẽ được làm mát tại tháp giải nhiệt trước khi được bơm trả về lòng đất.

Mô hình nhà máy địa nhiệt – LMMHD kết hợp tuabin hơi nước

Dựa trên mô hình địa nhiệt LMMHD, chúng tôi đã phát triển một mô hình nhà máy điện địa nhiệt kết hợp với máy phát điện LMMHD Mô hình này bao gồm chu trình Rankine, sử dụng hơi nước để sản xuất điện năng, kết hợp với chu trình LMMHD nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

Hình 3.9 Mô hình nhà máy địa nhiệt điện – LMMHD kết hợp tua bin hơi nước

Nguồn nhiệt hoạt động: nguồn nước nóng lấy từ lòng đất cung cấp một nhiệt lượng khoảng 723 0 K

Máy tách kiểu xoáy là thiết bị phân tách hơi và nước nóng thành hai phần riêng biệt Phần hơi nước sẽ được chuyển đến tuabin để tạo ra năng lượng, trong khi phần nước được sử dụng để gia nhiệt cho kim loại lỏng trong quy trình LMMHD.

Tuabin hơi: Chuyển năng lượng của hơi nước thành điện năng

Máy phát MHD: Sử dụng loại máy phát dạng ống hiệu suất ηEE từ 35% đến 40% tạo ra điện năng

Bộ trộn: Có nhiệm vụ trộn kim loại lỏng và khí đưa vào máy phát MHD

Bộ tách: Tách hỗn hợp kim loại lỏng và khí thành hai thành phần riêng biệt

Bộ trao đổi nhiệt 1: Nhận nhiệt lượng từ nước nóng gia nhiệt cho kim loại lỏng

Bộ trao đổi nhiệt 2: Nhận nhiệt lượng từ nước nóng gia nhiệt cho khí trong chu trình LMMHD

Tháp làm mát: làm mát nước nóng

Bơm: đưa nước từ tháp làm mát trở về lòng đất để tiếp tục chu trình

Bộ điều phối: chuyển tải năng lượng lên lưới và cấp nguồn cho các thiết bị trong sơ đồ hoạt động

Máy phát điện MHD sử dụng kim loại lỏng làm môi chất phát điện, kết hợp với nguồn địa nhiệt để gia tăng động năng Nguồn nước nóng được dẫn qua hai bộ trao đổi nhiệt để cung cấp nhiệt cho chu trình LMMHD Sau khi qua bộ trao đổi nhiệt, nước nóng được làm mát tại tháp giải nhiệt trước khi được bơm trả về lòng đất Hiệu suất tổng của chu trình phụ thuộc vào hiệu suất của tuabin và máy phát MHD, tạo thành hai chu trình trong mô hình này.

+ Chu trình Rankine truyền thống

Hiệu suất chu trình Rankin ta đã tính được Bây giờ ta sẽ phân tích thêm năng lượng sinh ra từ chu trình LMMHD

3.4.1 Phân tích các khối trong chu trình LMMHD

3.4.1.1 Bộ trộn kim loại lỏng và hơi

Hình 3.10 Bộ trộn kim loại lỏng và hơi

Phương pháp bốc hơi trong bộ trộn này sử dụng áp suất khí mang cao, cho phép đốt nóng hiệu quả Kim loại lỏng và khí mang nóng được trộn tạo thành hỗn hợp khí/lỏng, và khi đi qua vòi phun, áp suất giảm khiến hỗn hợp bốc hơi Phương pháp này mang lại hiệu quả bốc hơi cao hơn so với các phương pháp truyền thống, cho phép tạo ra dòng chảy lớn hơn và giảm nhiệt độ Áp suất hơi và kim loại lỏng thay đổi khi đi qua bộ trộn do tác động của động cơ trộn.

P 3’ : áp suất đầu ra của bộ trộn

P tron : áp suất của máy trộn

Nhiệt độ của hỗn hợp hơi và kim loại lỏng sẽ thay đổi tính đến tổn thất của bộ trộn

T 3’ : Nhiệt độ đầu ra hỗn hợp hơi và kim loại lỏng

: Tổn thất nhiệt độ trong bộ trộn

3.4.1.2 Phân tích máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng NaK

Máy phát MHD hoạt động dựa trên lưu chất kim loại lỏng NaK, nổi bật với hệ số dẫn điện cao Nguyên lý hoạt động của nó tương tự như máy phát MHD sử dụng plasma để sản xuất điện năng.

 Áp suất của hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đi qua MHD sẽ thay đổi như sau

P 4’ : Áp suất hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu ra của MHD

P3’: Áp suất hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu vào của MHD

: Hiệu suất điện của máy phát MHD

: Hiệu suất của máy phát MHD

 Nhiệt độ của hỗn hợp hơi và kim loại lỏng sau khi đi qua MHD

: Tổn thất nhiệt lượng trên máy phát MHD

T 3’ : Nhiệt độ hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu vào của MHD

T 4’ : Nhiệt độ hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu ra của MHD

3.4.1.3 Bộ tách hơi và kim loại lỏng

Hình 3.11 Thiết bị tách hơi và kim loại lỏng

Khi hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đi vào máy tách, chúng tiếp xúc với một tấm lưới kim loại, nơi các chất lỏng bị giữ lại và rơi xuống đáy máy theo trọng lực, trong khi phần hơi sẽ bay lên và thoát ra ngoài.

Sau khi rời khỏi máy tách, phần hơi sẽ được chuyển đến bộ trao đổi nhiệt 2, trong khi phần kim loại lỏng sẽ đi đến bộ trao đổi nhiệt 1 để được gia nhiệt trở lại và tiếp tục chu trình.

 Áp suất sau khi qua bộ tách sẽ tách thành 2 phần theo tỉ lệ 1:1

P 5’ : Áp suất hơi sau khi ra khỏi máy tách

P 5’’ : Áp suất kim loại lỏng sau khi ra khỏi máy tách

P tach : Áp suất tạo ra bởi máy tách

 Nhiệt độ chất khí khi qua bộ tách

T 5’ : Nhiệt độ hơi sau khi ra khỏi máy tách

T 5’’ : Nhiệt độ kim loại lỏng sau khi ra khỏi máy tách

: Tổn hao nhiệt độ của bộ tách

3.4.1.4 Bơm áp suất khí vào buồng trộn

Bơm áp suất có chức năng hút và đẩy khí vào buồng trộn, làm tăng áp suất và nhiệt độ của khí khi rời khỏi bơm Thiết bị này hoạt động tương tự như máy nén khí, giúp cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp.

 Áp suất khí khi qua bơm

P 2’ : áp suất khí sau khi qua bơm

P 1’ : áp suất khí sau khi qua bộ trao đổi nhiệt 2

: Tỉ số nén của bơm

 Nhiệt độ khí khi qua bơm

T 2’ : Nhiệt độ khí sau khi qua bơm

T 1’ : Nhiệt độ khí sau khi qua bộ trao đổi nhiệt 2

: Tỉ số nhiệt độ vào ra của máy bơm

Bơm điện từ là thiết bị di chuyển kim loại lỏng hoặc chất lỏng dẫn điện bằng năng lượng điện Nó hoạt động dựa trên một từ trường vuông góc với hướng di chuyển của chất lỏng, tạo ra lực điện từ để di chuyển chất lỏng bên trong Trong quá trình sử dụng, bơm điện từ giúp tạo lực đẩy đưa NaK đến bộ trao đổi nhiệt để gia nhiệt.

: Tỉ số nén của bơm điện từ

 Nhiệt độ kim loại lỏng

: Tỉ số nhiệt độ vào ra của máy bơm

3.4.2 Tính toán hiệu suất của chu trình LMMHD

3.4.2.1 Phân tích nhiệt lượng trong chu trình LMMHD

 Nhiệt lượng tại các nút

G: Lưu lượng kim loại lỏng qua máy phát LMMHD

C p : Nhiệt dung riêng của kim loại lỏng NaK, NaK có C p = 0,27

] Trong đó T ref và P ref là nhiệt độ và áp suất mẫu Thông thường ta chọn bằng với nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển

 Tính Entropy tại các nút

 Công suất điện của máy phát LMMHD

 Công suất tiêu thụ của các thiết bị trong chu trình

 Công suất tiêu thụ của bộ trộn

 Công suất tiêu thụ của bộ tách

 Công suất tiêu thụ của bơm điện từ

 Công suất tiêu thụ của bơm

Các hệ số Π tron, Π tach và Π bomdt được tính toán bởi E Gedik và H Kurt cho dòng chảy của LMMHD nhằm đạt vận tốc lưu chất khoảng 0,0049 m/s Trong đó, Π bomdt là hệ số nén bơm điện từ, có vai trò quan trọng trong việc đưa kim loại lỏng quay trở lại bộ trộn, tiếp tục chu trình phát điện.

3.4.3 Hiệu suất của hệ thống

Với W in là năng lượng nhận vào từ năng lượng địa nhiệt

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ

Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt truyền thống.57 1 Dữ liệu tính toán

Xét chu trình địa nhiệt truyền thống như hình 3.1 chương 3 với dữ liệu tính toán như sau:

Bảng 4.1 Dữ liệu tính toán của chu trình địa nhiệt truyền thống

Dữ liệu đầu vào Tua bin Bơm

P 2 = P3 = 0,7 MPa h 3 = 3375,1 KJ/Kg s 3 = 7,7884KJ/Kg.K h 1 = 251,4 KJ/Kg v 1 = 0,0010171 m 3 /Kg

Thông số đầu vào của chu trình:

Nhiệt độ tại các nút:

Kết quả sau khi tính toán bằng phần mềm Matlab, ta được thông số tại các nút:

Bảng 4.2 Kết quả tính toán thông số của chu trình địa nhiệt truyền thống

W net = 805,7842 KJ/Kg = 346,425 Btu/lbm; Q H = 3123,7 KJ/Kg = 1342,95 Btu/lbm

1Btu xấp xỉ 1060 J /s mà ta có 1W=1J/s

Hiệu suất của chu trình: η HT =0,258 hay 25,8%

Hình 4.1 Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt truyền thống 4.2 Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp

Xét chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp như hình 3.6 chương 3 với dữ liệu tính toán như sau:

Bảng 4.3 Dữ liệu tính toán của chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp

Dữ liệu đầu vào Tuabin áp suất cao

Tuabin áp suất thấp Bơm

P 1 =P 6 = 0,02 Mpa h 3 = 3375,1 KJ/Kg s 3 = 7,7884 KJ/Kg.K h 1 = 251,4 KJ/Kg v 1 = 0,0010171 m 3 /Kg h 5 = 3380,2 KJ/Kg s 5 = 8,1848 KJ/Kg.K h 4s V1,46 KJ/Kg

Thông số đầu vào của chu trình

Nhiệt độ tại các nút

Thông số của tua bin áp suất cao

Thông số của tua bin áp suất thấp

Kết quả sau khi tính toán bằng phần mềm Matlab, ta được thông số tại các nút:

Bảng 4.4 Kết quả tính toán thông số của chu trình địa nhiệt tua bin 2 cấp

W net = 953,4404 KJ/Kg = 409,9055 Btu/lbm; Q H = 3403,1 KJ/Kg = 1463,070 Btu/lbm 1Btu xấp xỉ 1060 J /s mà ta có 1W=1J/s

Hiệu suất của chu trình: η HT = 0,2802 hay 28,02%

Hình 4.2 Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp

Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt – LMMHD và

so sánh với chu trình địa nhiệt truyền thống

Xét chu trình địa nhiệt – LMMHD như hình 3.8 chương 3 với dữ liệu tính toán như sau:

Bảng 4.5 Dữ liệu tính toán của chu trình địa nhiệt – LMMHD

Dữ liệu đầu vào Bộ trộn Bộ tách Máy phát

Các thông số chu trình LMMHD

Q in = 3,4kW; T 2 = 723 0 K; T ref = 298 0 K; P ref = 1,03.10 5 Pa

- Thông số máy phát MHD: η EE = 0,4; η LMMHD = 0,8; ∆Q LMMHD = 0,005

- Bộ ngưng (trao đổi nhiệt): ∆Q ngưng = 0,01; ηT ngưng = 1

Kết quả sau khi tính toán bằng phần mềm Matlab, ta được thông số tại các nút:

Bảng 4.6 Kết quả tính toán thông số của chu trình địa nhiệt - LMMHD

Hiệu suất của chu trình: η HT = 0,3481 hay 34,81%

Hình 4.3 Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt – LMMHD

Hiệu suất của chu trình địa nhiệt LMMHD đạt 34,81%, cao hơn 9,01% so với chu trình địa nhiệt truyền thống (25,8%) và cao hơn 6,79% so với chu trình địa nhiệt tua bin 2 cấp (28,02%).