Hệ thống phát điện hiệu suất cao sử dụng tòa nhà máy điện sinh khối kết hợp với hệ thống từ thủy động

Hệ thống phát điện hiệu suất cao sử dụng tòa nhà máy điện sinh khối kết hợp với hệ thống từ thủy động Hệ thống phát điện hiệu suất cao sử dụng tòa nhà máy điện sinh khối kết hợp với hệ thống từ thủy động Hệ thống phát điện hiệu suất cao sử dụng tòa nhà máy điện sinh khối kết hợp với hệ thống từ thủy động

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng là yếu tố then chốt cho sự phát triển kinh tế - xã hội của Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu điện đang gia tăng nhanh chóng để phục vụ công nghiệp hoá, hiện đại hoá Ngành điện Việt Nam hiện đang gặp khó khăn do phụ tải tăng cao, trong khi chủ yếu vẫn dựa vào nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí, dẫn đến tình trạng thiếu hụt nguồn năng lượng này và ô nhiễm môi trường Mặc dù Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió và sinh khối, nhưng việc khai thác vẫn ở mức thấp do lợi nhuận không hấp dẫn và công nghệ phức tạp, khiến cho cả người sử dụng và nhà đầu tư chưa mặn mà.

Thủy điện nhỏ được coi là nguồn năng lượng tái tạo có tính khả thi cao về mặt kinh tế - tài chính Theo các báo cáo đánh giá gần đây, hiện có hơn 1.000 địa điểm tiềm năng cho phát triển thủy điện nhỏ, với quy mô từ 100kW đến 30MW và tổng công suất lắp đặt lên tới 7.000MW Những vị trí này chủ yếu tập trung ở các vùng núi phía Bắc, Nam Trung Bộ và Tây Nguyên.

Việt Nam có tiềm năng phát triển năng lượng gió rất lớn, với công suất hiện tại đạt khoảng 10.637MW trên diện tích 2.659 km², chiếm khoảng 0,8% tổng diện tích cả nước Theo GreenID, tiềm năng kỹ thuật của năng lượng gió ở Việt Nam ước tính lên tới 27.750MW, theo số liệu từ Hiệp hội Năng lượng Việt Nam Các báo cáo chỉ ra rằng, tiềm năng năng lượng gió chủ yếu tập trung ở các vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo.

Năng lượng sinh khối tại Việt Nam có tiềm năng lớn nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của nông nghiệp trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa Đông Nam Á, với nhiều sản phẩm xuất khẩu như lúa gạo, cà phê và hạt điều Nguồn phế thải từ nông nghiệp, chăn nuôi và rác thải hữu cơ đô thị là nguồn tài nguyên quý giá cho năng lượng sinh khối Theo các nghiên cứu, tiềm năng khai thác năng lượng sinh khối rắn có thể đạt 170 triệu tấn, tương đương với sản lượng điện 2000MW, tùy thuộc vào giá thị trường Hiện nay, việc khai thác năng lượng sinh khối chủ yếu diễn ra ở quy mô nhỏ và hộ gia đình, với mức tiêu thụ khoảng 13 triệu tấn vào năm 2010 Ngoài ra, năng lượng tái tạo khác cũng đang được khai thác cho sản xuất điện, với tổng điện năng từ các nguồn tái tạo đạt gần 2.000 triệu kWh, chiếm khoảng 2% tổng sản lượng điện toàn hệ thống.

So với nhiều nước trên thế giới, những kết quả nêu trên còn quá nhỏ bé và chưa phát huy hết tiềm năng hiện có

Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có tiềm năng lớn với khả năng khai thác cho nhiều ứng dụng như đun nước nóng, phát điện, sấy và nấu nướng Với hơn 2.500 giờ nắng mỗi năm và lượng bức xạ trung bình đạt 230-250 kcal/cm2, đặc biệt tăng dần về phía Nam, Việt Nam có điều kiện thuận lợi để phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời.

Năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam vẫn chưa được nghiên cứu và đánh giá đầy đủ, nhưng các số liệu mới nhất cho thấy tiềm năng điện địa nhiệt có thể khai thác lên đến hơn 300MW Khu vực miền Trung được xác định là nơi có khả năng khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này.

Hiện nay, Việt Nam đang đối mặt với vấn đề lãng phí năng lượng nghiêm trọng, với hiệu suất sử dụng năng lượng thấp hơn nhiều so với các quốc gia trong khu vực và trên thế giới Cường độ tiêu thụ năng lượng trên mỗi đơn vị sản phẩm của chúng ta cao gấp 5-7 lần so với mức trung bình toàn cầu, dẫn đến cường độ năng lượng (CĐNL - kgOE/USD) và hệ số đàn hồi (HSĐH) ở mức cao.

Bảng 1.1: Hiệu suất sử dụng năng lượng (số liệu cơ quan hiệp hội năng lượng việt nam)[3]

Hiệu suất sử dụng năng lượng tại các nhà máy phát điện

Hiệu suất của các lò hơi công nghiệp Việt Nam: 60%

Cường độ năng lượng các ngành công nghiệp

Việt Nam cao hơn Thái Lan và Malaysia: 1,5 ÷ 1,7 lần

Hệ số đàn hồi (Nhu cầu NL/GDP) Việt Nam: 2

Cường độ năng lượng (Tiêu thụ năng lượng/ 1.000 USD GDP)

Việt Nam: 600kg OE Thai Lan: 400kg OE Thế giới: 300kg OE

Năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng cổ xưa nhất mà con người đã sử dụng để nấu chín thức ăn và sưởi ấm Gần đây, sự chú ý đến năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng sinh khối, đã gia tăng trên toàn cầu nhằm giảm áp lực lên nguồn năng lượng hóa thạch và phát triển nguồn năng lượng sạch, bền vững cho tương lai Tại Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, nguồn năng lượng sinh khối từ các phế phẩm nông lâm nghiệp rất phong phú, bao gồm rơm, trấu, phôi bào, gỗ, xơ dừa, vỏ cà phê, bã mía, và thân, lõi ngô, lạc.

Nhà máy thủy điện sử dụng sức mạnh của dòng nước để quay tuabin, từ đó sản xuất điện Trong khi đó, nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu để tạo hơi nước, sử dụng sức mạnh của hơi nước để kéo máy phát điện Các máy phát điện thông thường dựa vào chuyển động quay của cuộn dây trong từ trường để tạo ra dòng điện cảm ứng Ngược lại, máy phát điện từ thủy động lực (MHD) sử dụng chất lưu mang điện phun vào từ trường với tốc độ cao, tạo ra điện nhờ tác động của từ trường Hệ thống MHD có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần bôi trơn, và khí thải từ chúng thường là plasma nóng, có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống.

Đề tài "Hệ thống phát điện hiệu suất cao sử dụng nhà máy điện sinh khối kết hợp với hệ thống từ thủy động" nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy điện sinh khối thông qua chu trình kết hợp phát điện từ thủy động lực MHD Kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy sự khác biệt về hiệu suất giữa nhà máy sinh khối truyền thống và mô hình phát điện sinh khối LMMHD kết hợp tuabin hơi, thể hiện tính tối ưu trong thiết kế hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình máy phát MHD và chu trình phát sinh khối

Nghiên cứu hệ thống kết hợp máy phát MHD phát điện sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng sinh khối

Xây dựng, tính toán được hiệu suất mô hình kết hợp phát điện sinh khối và phát điện từ thủy động lực MHD.

Nhiệm vụ của đề tài

Đề xuất mô hình kết hợp máy phát MHD phát điện sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng sinh khối để nâng cao hiệu suất phát điện

Phân tích hiệu suất của mô hình kết hợp điện sinh khối MHD và tuabin hơi cho thấy sự tối ưu vượt trội so với mô hình phát điện sinh khối truyền thống Việc so sánh này giúp làm nổi bật những lợi ích về hiệu suất và hiệu quả năng lượng của mô hình mới, khẳng định tiềm năng phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Phương pháp nghiên cứu

Thu thập và cập nhật tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu từ các bài báo khoa học trong nước và quốc tế, cùng với những nguồn tài liệu trên internet, là bước quan trọng để tổng hợp thông tin hữu ích cho nghiên cứu.

Nghiên cứu nhà máy phát điện sinh khối và máy phát thủy động lực MHD nhằm phân tích và so sánh các kết quả thu được Qua đó, đưa ra những kiến nghị nhằm cải thiện hiệu quả hoạt động và phát triển bền vững cho các công nghệ này.

Vẽ đồ thị và biểu diễn mối quan hệ các thông số của mô hình bằng Matlab

Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và xã hội, với tình hình sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng Việc phát điện sinh khối kết hợp với thủy động lực MHD đang trở thành một giải pháp khả thi để tối ưu hóa nguồn năng lượng Đề tài này không chỉ mang tính cấp thiết trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu mà còn nhằm mục tiêu nghiên cứu hiệu quả của các phương pháp này Phương pháp nghiên cứu sẽ bao gồm phân tích dữ liệu và thực nghiệm, với bố cục đề tài được tổ chức rõ ràng để trình bày các kết quả và ứng dụng thực tiễn.

Chương 2: cơ sở lý thuyết

Năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, có thể khai thác từ các chất hữu cơ như thực vật và chất thải sinh hoạt Phương pháp khai thác năng lượng sinh khối bao gồm quá trình chuyển đổi sinh khối thành năng lượng thông qua các công nghệ như đốt cháy, lên men và khí hóa Máy phát điện MHD (Magnetohydrodynamic) hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động của chất lỏng dẫn điện trong từ trường, tạo ra điện năng hiệu quả Việt Nam có tiềm năng lớn trong việc phát triển điện sinh khối, nhờ vào nguồn tài nguyên sinh khối phong phú từ nông nghiệp và các hoạt động sinh hoạt, góp phần vào việc đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

Chương 3: xây dựng mô hình phát điện sinh khối MHD kết hợp tuabin hơi

Trên cơ sở mô hình phát điện sinh khối truyền thống xây dựng mô hình kết hợp phát điện sinh khối và từ thủy động lực MHD

Chương 4: tính toán và mô phỏng các chu trình

Chương 5: kết luận và hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

Điểm mới của đề tài

Kết hợp hệ thống phát điện sinh khối với máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng làm lưu chất phát điện

Phân tích chu trình Rankine và phân tích Ts là hai phương pháp quan trọng để đánh giá hiệu suất tối ưu của các chu trình năng lượng Việc áp dụng những phân tích này giúp xác định các điểm yếu trong quy trình, từ đó đưa ra giải pháp nâng cao hiệu suất cho nhà máy điện sinh khối Tối ưu hóa các chu trình này không chỉ cải thiện hiệu suất năng lượng mà còn góp phần vào việc giảm thiểu tác động môi trường.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan năng lượng sinh khối

2.1.1 Giới thiệu năng lượng sinh khối

Sinh khối (Biomass) là vật liệu sinh học chủ yếu từ cây trồng và thực vật, đóng vai trò quan trọng như một nguồn năng lượng tái tạo Năng lượng sinh khối có thể sử dụng trực tiếp hoặc được chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học Có ba phương pháp chính để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng: chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học và chuyển đổi sinh hóa.

Hình 2.1: Các nguồn năng lượng sinh khối[7]

Sinh khối là tập hợp các yếu tố tự nhiên và nhân tạo, bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, cùng với bã nông nghiệp và lâm nghiệp Nó cũng bao gồm chất thải từ hoạt động của con người, như chất thải trong sản xuất thực phẩm, bùn, phân bón, sản phẩm phụ gia hữu cơ từ công nghiệp, và các thành phần hữu cơ trong chất thải sinh hoạt.

Sinh khối có thể được phân loại dựa trên mục đích sử dụng, bao gồm tạo nhiệt, sản xuất điện năng và làm nhiên liệu cho giao thông vận tải.

Các nguồn sinh khối có thể được chuyển đổi thành điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu thông qua nhiều phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp, tuabin hơi, phân hủy yếm khí, đốt kết hợp, khí hóa và nhiệt phân.

Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:

Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế

Sinh khối phân bố đều trên bề mặt Trái Đất hơn so với các nguồn năng lượng khác như nhiên liệu hóa thạch Nó có thể được khai thác dễ dàng mà không cần đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém.

Năng lượng tái tạo mang lại cơ hội cho các địa phương, khu vực và quốc gia trên toàn thế giới tự chủ trong việc cung cấp năng lượng Đây là giải pháp thay thế hiệu quả cho năng lượng hóa thạch, góp phần cải thiện tình hình biến đổi khí hậu đang đe dọa hành tinh của chúng ta.

Nó có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn

Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA)

2.1.2 Nguồn năng lượng sinh khối từ phế phẩm cây trồng nông nghiệp

Chất thải nông nghiệp là các sản phẩm dư thừa sau vụ thu hoạch, bao gồm thân bắp, lá bắp, rơm rạ và vỏ trấu Những chất thải này có thể được thu gom bằng thiết bị thu hoạch thông thường Hằng năm, khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, khiến vỏ bắp trở thành nguồn sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học trong tương lai.

Hình 2.2: Rơm, võ trấu, bã mía, thân ngô[7]

Theo ước tính của WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng 4.500 MWt

2.1.3 Nguồn năng lượng sinh khối từ chất thải gia súc

Chất thải gia súc như phân trâu, bò, heo và gà có thể được chuyển đổi thành gas hoặc đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Các trang trại chăn nuôi sử dụng phân để sản xuất năng lượng bằng các phương pháp thích hợp, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng Ngoài ra, chất thải này còn có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.

Hình 2.3: Chất thải động vật trong chăn nuôi được chuyển thành gas (biogas)[7] 2.1.4 Nguồn năng lượng sinh khối từ cây trồng năng lượng

Các giống cây năng lượng là những cây và cỏ được cải tiến bằng công nghệ sinh học, giúp chúng phát triển nhanh chóng và dễ dàng thu hoạch để sản xuất năng lượng Những giống cây này có khả năng được trồng và thay thế trong thời gian ngắn, đáp ứng nhu cầu năng lượng bền vững.

Các giống cây cỏ năng lượng là những loại cây lâu năm, thường được thu hoạch hàng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt hiệu suất tối đa Chúng bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm (switchgrass) từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao và lúa mì Những giống cây này chủ yếu được trồng để phục vụ cho sản xuất năng lượng.

Hình 2.4: Một số cây cỏ năng lượng (cây tre, cỏ voi, cây lúa miến ngọt)[7]

 Các giống cây gỗ năng lượng

Các giống cây gỗ có vòng đời ngắn là những loại cây phát triển nhanh, cho phép thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng Một số giống cây tiêu biểu bao gồm cây dương ghép lai, cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phương, cây tần bì xanh, cây óc chó đen và cây sung.

Hình 2.5: Cây gổ năng lượng (cây liểu, cây ốc chó…v.v)[7]

 Các giống cây dưới nước (Aquatic crops, thủy sinh)

Nguồn sinh khối dưới nước rất đa dạng, bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển và vi thực vật biển Các sản phẩm thương mại từ nguồn sinh khối này bao gồm chiết xuất tảo bẹ được sử dụng làm chất làm đặc và phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, cùng với chất xúc tác sinh học phục vụ cho các quy trình xử lý sinh học trong môi trường khắc nghiệt.

2.1.5 Nguồn năng lượng sinh khối từ bã cây rừng

Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ việc làm thưa rừng, sinh khối không được thu hoạch tại nơi đốn gỗ, và các vật liệu dư thừa trong quản lý rừng Việc tận dụng bã cây rừng có lợi vì phần lớn bã này được tạo ra từ các nhà máy giấy và xử lý gỗ, cho phép sử dụng nguồn nguyên liệu ngay lập tức Mặc dù việc tái sử dụng mùn cưa và bã gỗ chủ yếu tập trung ở các nhà máy công nghiệp, tiềm năng nguyên liệu thực sự còn lớn hơn nhiều.

Hình 2.6: Bã cây rừng (mùn cưa, gỗ thải v.v)[7]

2.1.6 Nguồn năng lượng sinh khối từ chất thải củi gỗ đô thị

Chất thải củi gỗ là loại chất thải phổ biến nhất tại các công trường, bao gồm thân cây và phần thừa từ việc cắt tỉa cây Những vật liệu này có thể dễ dàng thu gom sau các dự án và được chuyển đổi thành phân trộn hoặc sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.

2.1.7 Nguồn năng lượng sinh khối từ chất thải rắn đô thị

Chất thải từ các trung tâm thương mại, cơ quan, trường học và hộ gia đình chứa một lượng đáng kể các vật chất hữu cơ từ thực vật, tạo thành nguồn năng lượng tái tạo quý giá Các loại chất thải như giấy, bìa cứng và gỗ là những ví dụ điển hình của nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.

2.1.8 Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối

Máy phát từ thủy động lực MHD

Magnetohydrodynamics (MHD) là một lĩnh vực nghiên cứu tập trung vào các đặc điểm động học của các dòng dẫn điện như plasma, kim loại hóa lỏng và nước muối Từ "magnetohydrodynamics" được hình thành từ ba thành phần: "magneto" liên quan đến trường điện từ, "hydro" chỉ chất lỏng, và "dynamics" ám chỉ động lực học.

MHĐ, do Hannes Alfvén nhận giải Nobel Vật lý năm 1970, là một lý thuyết cho rằng từ trường có thể tác động lên dòng dẫn khi chúng di chuyển, tạo ra lực tác động và làm thay đổi từ trường Lý thuyết này kết hợp phương trình Navier-Stokes trong động lực học chất lỏng với hệ phương trình Maxwell về trường điện từ.

(1908- 1995) Ý nghĩa của từ thủy động lực học là sự tương tác giữa từ trường , điện trường và dòng plasma

Hình 2.12: Sự tương tác giữa từ trường (Magnetic Field), điện trường(Electric

Định luật Lorentz là nền tảng của máy phát từ thủy động lực MHD, trong đó từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tích chuyển động Lực này có thể được biểu diễn một cách cụ thể, đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng công nghệ MHD.

Với: F là lực tác động

E là điện trường q là điện tích của hạt mang điện chuyển động

V là vận tốc của hạt

B là cảm ứng từ c Định luật Faraday

Khi một hạt mang điện di chuyển trong một từ trường, nó sẽ chịu lực hãm và tạo ra một hiệu điện thế

Hình 2.13: Nguyên lý Faraday[16] d Nguyên lý hoạt động của máy phát từ thủy động lực MHD

Máy phát điện từ thủy động lực MHD là thiết bị chuyển đổi nhiệt năng và động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động Khác với máy phát điện truyền thống, máy phát MHD hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần các chi tiết bôi trơn Hệ thống này thải ra các dòng plasma nóng, có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống như máy phát điện hơi nước.

V Output current Hot gaseous conductor

Máy phát điện MHD sử dụng chuyển động của dòng chất lỏng dẫn điện hoặc plasma để tạo ra điện năng Nguyên lý hoạt động của máy phát này dựa trên định luật Lorentz và định luật Faraday.

Hình 2.14: Nguyên lý máy phát MHD[16]

Khi dòng plasma nóng (gồm các ion và electron) di chuyển qua từ trường vuông góc với hướng chuyển động của nó, theo định luật cảm ứng điện từ, sẽ xuất hiện một lực kéo các điện tích về một phía nhất định theo quy tắc bàn tay trái Sự phân chia điện tích diễn ra, với các electron di chuyển sang bên phải và các ion di chuyển sang bên trái Khi plasma đến các điện cực, nó tạo ra một hiệu điện thế.

Hình 2.15: Mô hình máy phát MHD[16]

Máy phát điện MHD bao gồm hai phần chính: buồng đốt và buồng máy phát điện Trong buồng đốt, chất lỏng được đưa vào và ion hóa ở nhiệt độ cao, tạo ra năng lượng cần thiết cho quá trình phát điện.

Có một vòi phun phun khí ion hóa đi vào buồng máy phát điện

Buồng máy phát điện bao gồm nam châm mạnh và một cặp điện cực đặt nằm trong kênh để dẫn dòng điện phát ra tới một tải bên ngoài

Cả buồng đốt và buồng máy phát được bao quanh bằng vật liệu chịu nhiệt và nước làm mát

Chất lỏng được đưa vào buồng đốt qua lối vào, sử dụng nhiên liệu như dầu hoặc than để đốt nóng và ion hóa chất lỏng Các hạt khí mang điện với vận tốc cao sau đó đi vào buồng máy phát qua vòi phun Tại đây, điện tích dương và âm chuyển sang các điện cực tương ứng, tạo thành dòng điện.

Dòng điện phát ra trong máy phát MHD là dòng điện DC

Hướng của dòng điện (Potential) vuông góc với hướng chuyển động của hạt khí và từ trường

Hình 2.16: Biểu đồ hướng của dòng plasma, từ trường và dòng điện[16]

Hiệu suất của máy phát MHD phụ thuộc vào tính dẫn điện của dòng plasma, có thể tăng lên bằng cách nâng cao nhiệt độ làm việc hoặc thêm kim loại kiềm dễ ion hóa vào buồng đốt Nhiệt độ cao giúp máy phát hoạt động hiệu quả hơn, nhưng không được vượt quá giới hạn chịu nhiệt của vật liệu buồng chứa plasma Đồng thời, nhiệt độ cần duy trì từ 1500-1800 °C, nếu thấp hơn sẽ làm giảm đáng kể độ ion hóa của plasma và dẫn đến giảm hiệu suất máy phát.

Máy phát MHD, sử dụng hỗn hợp kim loại lỏng làm chất dẫn điện, đã được phát triển từ những năm 1960 Đến thập niên 1970, một chương trình mở rộng đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (ANL) ở Hoa Kỳ.

Trường điện từ (B) sử dụng N2 với Na hoặc NaK cho phép chuyển đổi năng lượng thông qua kim loại lỏng, giúp giảm nhiệt độ cần thiết để duy trì khí ion hóa trong trạng thái dẫn điện Điều này cho phép sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau như năng lượng mặt trời, địa nhiệt, hạt nhân, hoặc than, sinh khối Độ dẫn điện cao của kim loại lỏng cũng cho phép mật độ công suất cao hơn với từ trường vừa phải, dẫn đến việc các máy phát có kích thước nhỏ hơn Các máy phát điện MHD thường hoạt động theo chu trình Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng.

Trong máy phát Faraday, từ trường vuông góc với dòng chảy của chất lỏng dẫn điện tạo ra lực Lorentz, dẫn đến sự tích tụ điện tích trên các thành ống dẫn Các điện cực có thể được đặt tại thành ống để thu thập điện tích này Công suất của máy phát phụ thuộc vào tiết diện ống dẫn và tốc độ dòng chảy Khi điện năng được sản xuất, dòng chảy sẽ chậm lại và giảm nhiệt độ, thường từ nhiệt độ plasma xuống khoảng 1000 °C sau khi đi qua máy phát.

Hình 2.17: Máy phát Faraday điện cực liên tục (Continuous Faraday)[15]

Máy phát Faraday Continuous có hiệu suất thấp do mất mát điện năng trên điện cực, chủ yếu là do hiệu ứng Hall Để giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng này, các điện cực có thể được thiết kế theo dạng phân đoạn.

Hình 2.18: Máy phát Faraday điện cực phân đoạn (Segmented Faraday)[15]

Trong máy phát điện cực phân đoạn thực tế, hiệu ứng Hall dẫn đến việc dòng điện tập trung ở đầu cực dương và đầu cực âm Do đó, các dòng Hall không hoàn toàn bị triệt tiêu, dẫn đến hiệu suất của máy phát điện Faraday phân đoạn không đạt được mức lý tưởng như trong các tính toán.

Máy Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall để tạo ra dòng điện tương ứng với dòng chảy Các điện cực ngắn được bố trí vuông góc với dòng chảy và từ trường bên ngoài, chạy dọc hai bên dòng chảy Điện cực ở đầu nguồn và cuối dòng chảy được kết nối với mạch điện ngoài để cung cấp năng lượng Các điện cực còn lại được nối với điện cực đối diện dọc theo dòng chảy, từ đó dòng điện cảm ứng, hay còn gọi là dòng điện Faraday, sẽ chạy qua các đoạn nối này, tạo ra từ trường mạnh trong dòng chảy và uốn cong dòng chảy theo hình dạng ống.

Lưu chất cho máy phát điện MHD hoạt động

Chất khí thường không dẫn điện và hoạt động như một chất điện môi Khi bị đốt nóng ở nhiệt độ cao, chất khí sẽ bị ion hóa, phân tách thành ion dương và electron tự do Những electron này có khả năng kết hợp với các phân tử khí mang điện trung hòa, tạo ra một hàng rào thế năng với nguyên tử, dẫn đến việc hình thành ion âm khi chúng không còn đủ năng lượng để thoát khỏi nguyên tử.

Plasma trong MHD được hình thành qua quá trình ion hóa nhiệt, khi nhiệt độ khí tăng cao khiến các electron tách rời khỏi nguyên tử Những electron tự do này tạo ra tính dẫn điện cho khí Plasma Để nâng cao tính dẫn điện, có thể bổ sung các khí như Argon, Heli, v.v.

2.3.2 Kim loại lỏng (Liquid metal)

Kim loại lỏng là các hợp kim có điểm nóng chảy rất thấp, cho phép chúng tồn tại ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng Thủy ngân là kim loại chuẩn thường được sử dụng, nhưng hiện nay, các hợp kim chứa gali với áp suất hơi thấp hơn cũng đang được áp dụng để thay thế trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Hình 2.23: Kim loại lỏng Gallium ở nhiệt độ phòng

Kim loại lỏng ở nhiệt độ phòng có khả năng dẫn nhiệt vượt trội so với các chất lỏng phi kim loại, giúp chuyển giao năng lượng từ nguồn nhiệt một cách hiệu quả Ngoài ra, độ dẫn điện cao của chúng cũng cho phép bơm chất lỏng bằng máy bơm điện từ một cách hiệu quả hơn Do đó, các vật liệu này ngày càng được ứng dụng trong các lĩnh vực dẫn nhiệt, tản nhiệt và dẫn điện.

Máy phát MHD, dựa trên hổn hợp kim loại lỏng, đã được phát triển từ những năm 1960 Đến thập kỷ 1970, phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (ANL) tại Hoa Kỳ đã thực hiện một chương trình mở rộng, dẫn đến việc phát triển máy phát điện Faraday với điện cực liên tục sử dụng N2 kết hợp với Na hoặc Nak Sau đó, tại đại học Ben-Gurion ở Israel, một chương trình nghiên cứu rộng hơn đã được khởi động, tập trung vào phân tích và thử nghiệm nhiều hệ thống chuyển đổi năng lượng khác nhau.

Việc sử dụng kim loại lỏng trong chuyển đổi năng lượng giúp giảm nhiệt độ cao cần thiết để duy trì khí ion hóa ở trạng thái dẫn điện, cho phép sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau như năng lượng mặt trời, địa nhiệt, hạt nhân, hoặc than Đặc biệt, độ dẫn điện cao của kim loại lỏng cho phép đạt mật độ công suất cao hơn với từ trường vừa phải, dẫn đến việc chế tạo máy phát có kích thước nhỏ hơn Cụ thể, kim loại lỏng có tính dẫn điện từ 10^6 - 10^7 (Ώm)^-1 ở nhiệt độ thấp, trong khi helium với 0,45% Cs chỉ đạt 10 (Ώm)^-1 ở 2000 K Những ưu điểm này đã thúc đẩy nghiên cứu về nguồn cung cấp năng lượng trong không gian.

Chu trình hơi nước (rankine)

Chu trình Rankine là chu kỳ hoạt động cốt lõi của mọi nhà máy điện, trong đó chất lỏng hoạt động liên tục bốc hơi và ngưng tụ Sự lựa chọn chất lỏng hoạt động chủ yếu dựa vào dải nhiệt độ sử dụng Chu trình này được đặt theo tên của William John Macquorn Rankine, một nhà bác học người Scotland và giáo sư tại Đại học Glasgow.

Sơ đồ nguyên lý của chu trình Rankine, như được thể hiện trong hình 2.25, cho thấy quá trình quá nhiệt hơi trước khi vào tuabin và ngưng tụ hoàn toàn hơi nước sau tuabin Chu trình này khắc phục những nhược điểm của chu trình Carnot, vì vậy nó thường được áp dụng trong thực tế.

Hình 2.25: Chu trình Rankine nhà máy nhiệt điện [1]

Các thiết bị chính bao gồm:

Nước trong lò hơi I được gia nhiệt đến khi sôi và chuyển thành hơi bảo hòa khô Hơi này sau đó được dẫn vào bộ quá nhiệt II để tiếp tục gia nhiệt và trở thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt được đưa vào turbin III, nơi diễn ra quá trình giản nở, tạo ra công để quay tuabin Sau đó, hơi được chuyển đến bình ngưng tụ IV để ngưng tụ thành nước bảo hòa, và nước này được bơm V trở lại lò hơi để bắt đầu chu trình mới Tuabin được kết nối với máy phát điện, giúp tạo ra điện năng.

Trên hình 2.25 biểu diễn sự thay đổi trạng thái của nước ở chu trình Rankine trên đồ thị T-S

Quá trình 4-5-6 là quá trình gia nhiệt đẳng áp của nước trong lò hơi, nhằm chuyển đổi nước chưa sôi thành hơi bảo hòa khô ở áp suất không đổi Trong quá trình này, môi chất sẽ nhận nhiệt lượng Q1.

6-1: là quá trình quá nhiệt hơi trong bộ quá nhiệt, trong điều kiện đẳng áp, trong quá trình này hơi nhận nhiệt lượng Q1

1-2: là quá trình giản nở đoạn nhiệt hơi quá nhiệt, sinh công trong tuabin

2-3: là quá trình ngưng tụ đẳng áp hơi nước trong bình ngưng, môi chất nhã nhiệt lượng Q2 cho môi trường giải nhiệt

Quá trình 3-4 là giai đoạn bơm nước cung cấp cho lò hơi, diễn ra trong điều kiện nén nhiệt Mặc dù là quá trình nén, nhưng do nước không bị nén, nên quá trình này gần như giữ nguyên thể tích.

𝑄 𝐼𝑁1 – là nhiệt lượng nhận được từ lò hơi và bộ quá nhiệt

𝑄 2 – là nhiệt lượng thải ra

ℎ 1 −ℎ 4 (2.4) Tiếp tục biến đổi ta có:

ℎ 1 − ℎ 2 = 𝑊 𝑡𝑢𝑎𝑏𝑖𝑛 là công nhận được khi giản nở đoạn nhiệt ở tuabin, hay là công sinh ra của tuabin , kj/kg

Công tiêu hao của bơm nước cấp được tính[14]:

Thực tế do công giản nở ở tuabin rất lớn so với công tiêu thụ ở bơm nước nên có thể bỏ qua công tiêu thụ ở bơm

Công của chu trình hơi[14]:

2.4.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt

Hiệu suất chu kỳ Rankine có thể biểu diễn theo công thức Carnot[1]:

𝑇 1𝑇𝐵 – nhiệt độ trung bình quá trình cấp nhiệt 4-5-6-1

𝑇 2𝑇𝐵 –nhiệt độ trung bình quá trình nhã nhiệt 2-3

2.4.4 Các biện pháp nâng cao hiệu suất của chu trình

 Nâng cao nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T 1TB

Giữ nguyên áp suất P1 và P2, việc tăng nhiệt độ cuối quá trình cấp nhiệt T1 lên T1’ (hình 2.26a) sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt của chu trình Quá trình 4-5-1’ có nhiệt độ trung bình cao hơn quá trình 4-5-1 nhờ vào đoạn 1-1’ cao hơn, từ đó cải thiện độ khô của hơi đầu ra tuabin.

Hình 2.26: Ảnh hưởng các yếu tố đến hiệu suất nhiệt[1]

Giữ nguyên nhiệt độ cuối quá trình cấp nhiệt T1 và áp suất quá trình nhã nhiệt

Khi tăng áp suất quá trình cấp nhiệt từ P1 lên P1’, nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt 4’-5’-6’-1’ cao hơn so với quá trình 4-5-6-1 Tuy nhiên, việc tăng áp suất này cũng dẫn đến việc giảm độ khô cuối tuabin (trạng thái 2’), gây ra hiện tượng ăn mòn cơ học và điện hóa ở các tầng cuối của tuabin.

 Giảm nhiệt độ trung bình quá trình nhã nhiệt T 2TB

Giữ nguyên áp suất quá trình cấp nhiệt P1 và nhiệt độ cuối quá trình cấp nhiệt

Giảm áp suất quá trình nhã nhiệt từ P2 xuống P2’ dẫn đến sự giảm nhiệt độ trung bình trong quá trình này, như thể hiện trong hình 2.27 Tuy nhiên, biện pháp này có nhược điểm là làm giảm độ khô cuối của tuabin.

Hình 2.27: Đồ thì Ts ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất nhiệt[1]

Tóm lại, để tăng hiệu suất của chu trình Rankine nhà máy nhiệt điện có thể có các biện pháp sau:

Tăng áp suất quá trình cấp nhiệt P1

Tăng nhiệt độ cuối quá trình cấp nhiệt (sau thiết bị quá nhiệt ) T1

Giảm áp suất trong quá trình nhã nhiệt P2 là cần thiết để tăng áp suất và nhiệt độ trong quá trình cấp nhiệt Điều này yêu cầu sử dụng vật liệu lò hơi, bao hơi và bộ quá nhiệt có độ bền cơ học và bền nhiệt cao Đồng thời, để giảm áp suất hiệu quả, bình ngưng phải kín nhằm ngăn ngừa khí không ngưng xâm nhập vào hệ thống, và nhiệt độ nước giải nhiệt trong bình ngưng cần phải được duy trì ở mức thấp.

Chu trình Rankine cho thấy rằng khi nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng từ t1 lên t10, trong khi áp suất hơi quá nhiệt p1 và áp suất cuối p2 giữ nguyên, thì nhiệt độ trung bình T1 trong quá trình cấp nhiệt 3451 cũng tăng lên Điều này dẫn đến việc hiệu suất nhiệt ηt của chu trình được cải thiện.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH SINH KHỐI LMMHD

Xây dựng mô hình điện sinh khối truyền thống

Nguồn cung cấp nguyên liệu đốt cho nhà máy điện sinh khối rất phong phú, bao gồm gỗ, rơm rạ, mùn cưa, bã mía, rác, và các loại cây, nhánh, củi Đây là nguồn năng lượng tái tạo lý tưởng với trữ lượng lớn, thu hút sự quan tâm đầu tư và phát triển từ nhiều quốc gia Mô hình sản xuất điện sinh khối thường sử dụng chu trình Rankine để chuyển đổi năng lượng.

Nguyên liệu cung cấp cho lò hơi : là các nguyên liệu sinh khối như gỗ, rơm rạ, mùn cưa, bã mía v.v

Nguồn nhiệt hoạt động : được lấy từ nguồn hơi nước từ lò hơi

Lò hơi: đốt nguyên liệu sinh khối tạo ra hơi nước cung cấp cho tuabin hơi

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

Bơm: Nhận năng lượng từ bộ điều phối có nhiệm vụ đưa nước từ tháp giải nhiệt trở về lò hơi để 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

Từ các thiết bị được mô tả ở trên ta đưa ra được mô hình nhà máy điện sinh khối truyền thống

Hình 3.1: Mô hình điện sinh khối truyền thống.

Phân tích các khối trong mô hình điện sinh khối truyền thống

Lò hơi là thiết bị sử dụng nhiên liệu như gỗ, rơm rạ, mùn cưa, củi, trấu và bã mía để đun sôi nước, tạo ra hơi nước Hơi nước này được đưa vào tuabin hơi để vận hành máy phát điện, với dạng hơi được sử dụng là hơi quá nhiệt.

Hiệu quả sử dụng năng lượng trong lò hơi được thể hiện qua hiệu suất, được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm năng lượng đầu vào (nhiệt) được sử dụng hiệu quả để sản xuất hơi nước.

Có 2 phương pháp đánh giá hiệu suất lò hơi: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp

D: Khối lượng hơi của lò sinh ra trong mỗi giờ tại áp suất làm việc (kg hơi/h) hlh: Nhiệt hàm (Entanpy) của hơi bão hòa khô tại áp suất làm việc (kcal/kg hơi) hnc: Nhiệt hàm (Entanpy) của nước cấp tại nhiệt độ làm việc (kcal/ kg nước) M: Khối lượng nhiên liệu tiêu hao trong mỗi giờ (kg nhiên liệu/h)

𝑄 𝑡 𝑙𝑣 : Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu (kcal/kg nhiên liệu)

Hiệu suất lò hơi (ηlh) = 100 % - Σ tổn thất nhiệt (3.7) Tổng các tổn thất nhiệt trong lò bao gồm:

Tổn thất do khói lò hơi mang đi

Tổn thất do nước bay hơi được tạo thành do có hydro trong nhiên liệu

Tổn thất do nước bay hơi từ nhiên liệu có độ ẩm

Tổn thất do nước bay hơi từ không khí ẩm cung cấp cho lò

Tổn thất do nhiên liệu chưa cháy hết trong tro, xỉ

Tổn thất do bức xạ từ lò và các tổn thất khác chưa tính được

Các tổn thất nhiệt (q i ) được tính theo % so với nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (Tiêu chuẩn của Mỹ sử dụng nhiệt trị cao):

𝑄 𝑡 𝑙𝑣 × 100% (3.8) Muốn tính toán chi tiết các tổn thất nhiệt trong lò cần phải có các số liệu sau:

Thành phần nhiên liệu (H2 , O2, S, C, N2, độ ẩm, độ tro)

Thành phần khói thải: % O2 , % CO2 , % CO và tro bay

Nhiệt độ môi trường xung quanh và độ ẩm không khí theo kg/kg không khí khô

Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu % C chưa cháy hết trong tro, xỉ (đối với nhiên liệu rắn)

Nhiệt trị của tro, xỉ (đối với nhiên liệu rắn)

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

Tháp được thiết kế với cấu trúc nhẹ và hệ thống khép kín hoàn chỉnh, giúp việc vận chuyển trở nên dễ dàng Linh kiện tiêu chuẩn hóa cho phép lắp đặt và nâng hạ tháp lên các vị trí cao một cách thuận tiện nhờ vào tính năng rời rạc của các bộ phận.

Tấm giải nhiệt thiết kế với bề mặt hình sóng và sắp xếp theo sọc chéo giúp phân bố dòng nước đều, chảy từ từ và ngăn ngừa cặn bẩn Với trở kháng thấp, tấm tản nhiệt cải thiện khả năng thông gió, giảm tiêu thụ năng lượng của motor, từ đó tiết kiệm điện hiệu quả.

Vỏ tháp: Cấu tạo từ các sợi thủy tinh chống ăn mòn, không sợ bị rỉ theo thời gian

Tấm giải nhiệt: làm bằng vật liệu PVC chức năng phân chia nước, giúp giải nhiệt nguồn nước nóng

Cánh quạt: Điều chỉnh lượng gió theo nhu cầu cần thiết của thiết bị, tốc độ quay chậm, độ ồn thấp, chất liệu hợp kim nhôm

Hệ thống động cơ được thiết kế đặc biệt với khả năng chống thấm nước, sử dụng bánh răng để chuyển động, giúp thao tác trở nên đơn giản và dễ bảo dưỡng Công suất động cơ đảm bảo hiệu quả hoạt động Đế bồn được sử dụng để chứa nước.

Hệ thống phân nước: Thiết kế dạng đầu phun thấp, lỗ ống phun lớn không dễ bị ứ đọng nước, phân nước đều đặn

Tấm tản nước: Giảm thiểu thất thoát nước, chất liệu PVC bền vững

Thiết bị chống ồn: Lắp đặt thiết bị giảm âm, giảm tiếng nước nhỏ giọt trong khi vận hành thiết bị

3.2.3 Hiệu suất của mô hình điện sinh khối truyền thống

Hiệu suất của nhà máy được tính toán dựa trên chu trình Rankine

Hiệu suất của một nhà máy điện được xác định theo công thức[1]:

WE1: là công của chu trình hơi

QIN1: là nhiệt lượng cấp vào chu trình hơi

Công sinh ra của tuabin hơi được tính[1]:

ℎ 1 , ℎ 2 : là entanpy tại nút 1 và nút 2

Công tiêu hao của bơm cấp nước[14]:

𝑝 3 , 𝑝 4 : là áp suất tại nút 3 và nút 4

Công của chu trình hơi bằng công sinh ra của tuabin trừ cho công tiêu hao của bơm nước cấp[14]:

𝑊 𝐸1 = 𝑊 𝑡𝑢𝑎𝑏𝑖𝑛 − 𝑊 𝑏𝑜𝑚 (3.12) Nhiệt thải ra của chu trình hơi nước[1]:

𝑄 2 = ℎ 2 − ℎ 3 (3.13) Nhiệt lượng cấp vào chu trình hơi[1]:

Mô hình điện sinh khối LMMHD

Từ mô hình sinh khối truyền thống ta xây dựng mô hình nhà máy điện sinh khối sử dụng máy phát LMMHD như sau:

Hình 3.3: Mô hình điện sinh khối LMMHD

Nguyên liệu cung cấp cho buồng đốt: là các nguyên liệu sinh khối như gỗ, rơm rạ, mùn cưa, bã mía v.v

Buồng đốt là nơi diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nơi mà áp suất không khí cao được cung cấp bởi hệ thống nén Nó làm nóng không khí ở áp suất không đổi và chuyển trực tiếp vào vòi phun Một buồng đốt cần phải duy trì sự cháy ổn định dù tốc độ dòng không khí rất cao Vai trò của buồng đốt rất quan trọng trong việc xác định hiệu quả sử dụng nhiên liệu và mức độ khí thải.

Nguồn nhiệt hoạt động : được lấy từ nguồn không khí nóng từ buông đốt

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

Máy phát MHD : dạng đĩa, tạo ra điện DC, sử dụng biến tần để tạo ra điện năng

AC sau đó đưa lên lưới điện

Inverter: có nhiệm vụ biến đổi điện DC từ máy phát MHD sang điện AC

Bộ tách có chức năng tách biệt kim loại lỏng và khí thành hai phần riêng biệt Phần khí nóng từ bộ tách sẽ được đưa trở lại buồng đốt, giúp tận dụng lượng nhiệt thải ra còn cao.

Bơm điện từ: Bơm điện từ dùng để chuyển kim loại lỏng quay trở lại bộ trộn để tiếp tục chu trình.

Mô hình điện sinh khối LMMHD kết hợp tuabin hơi

Chúng tôi phát triển mô hình sinh khối LMMHD kết hợp với tuabin hơi, sử dụng chu trình Rankine để tạo ra điện từ hơi nước Mô hình này kết hợp hiệu quả giữa hai chu trình, tối ưu hóa quá trình sản xuất điện năng từ nguồn sinh khối.

Nguyên liệu cung cấp cho buồng đốt : là các nguyên liệu sinh khối như gỗ, rơm rạ, mùn cưa, bã mía v.v

Buồng đốt là nơi diễn ra quá trình cháy nhiên liệu, nơi đây nhận được áp suất không khí cao từ hệ thống nén Nó làm nóng không khí ở áp suất không đổi và đưa không khí trực tiếp vào vòi phun Một buồng đốt cần phải duy trì sự cháy ổn định dù có tốc độ dòng không khí cao Vai trò của buồng đốt rất quan trọng trong việc xác định hiệu quả sử dụng nhiên liệu và mức độ khí thải.

Nguồn nhiệt hoạt động : được lấy từ nguồn không khí nóng từ buông đốt

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

Máy phát MHD : dạng đĩa, tạo ra điện DC, sử dụng biến tần để tạo ra điện năng

AC sau đó đưa lên lưới điện

Inverter: có nhiệm vụ biến đổi điện DC từ máy phát MHD sang điện AC

Bộ tách có chức năng phân tách hỗn hợp kim loại lỏng và khí thành hai thành phần riêng biệt Trong khi đó, bơm điện từ được sử dụng để chuyển kim loại lỏng quay trở lại bộ trộn, giúp duy trì chu trình sản xuất hiệu quả.

Lò hơi: có nhiệm vụ nhận nhiệt năng thải ra của máy phát MHD và tạo hơi cấp cho tuabin hơi

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

Tháp giải nhiệt: Giảm nhiệt độ của dòng nước sau khi qua tuabin hơi

Bơm: Nhận năng lượng từ bộ điều phối có nhiệm vụ đưa nước từ tháp giải nhiệt trở về lò hơi để tiếp tục chu trình

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

Hình 3.4: Mô hình điện sinh khối LMMHD kết hợp tuabin hơi

Máy phát điện MHD sử dụng kim loại lỏng NaK làm môi chất phát điện, kết hợp với nguồn năng lượng sinh khối Nguồn khí nóng từ buồng đốt đi qua hệ thống MHD để tạo ra điện DC Sau đó, hỗn hợp kim loại lỏng và khí nóng được tách ra, với khí nóng tiếp tục được dẫn đến lò hơi để cung cấp nhiệt, tạo ra hơi nước quay tuabin Hơi nước sau khi qua tuabin sẽ được làm mát tại tháp giải nhiệt trước khi được bơm trở lại lò hơi, duy trì chu trình sản xuất điện.

Như vậy ta có 2 chu trình đó là:

Chu trình Rankine truyền thống

Hiệu suất của chu trình Rankine ta đã phân tích ở trên, bây giờ ta sẽ phân tích chu trình LMMHD

Phương pháp bay hơi được áp dụng trong bộ trộn, nơi áp suất khí trước khi vào vòi phun cao hơn áp suất bên trong vòi phun, giúp làm nóng hiệu quả Chất lỏng và khí nóng được pha trộn trong khu vực khí/lỏng ngay trước vòi phun, dẫn đến giảm áp suất khi chúng đi qua Việc sử dụng phương pháp này cho phép tạo ra dòng chảy lớn hơn và giảm nhiệt độ dòng chảy Áp suất hơi và kim loại lỏng sẽ thay đổi khi đi qua bộ trộn do tác động của động cơ trộn.

Sau khi qua bộ trộn áp suất hỗn hợp sẽ thay đổi chính là áp suất của máy trộn[5]:

P2’ : Áp suất tại nút 2’ hay áp suất đầu ra của bộ trộn

Ptron : Áp suất của bộ trộn

Nhiệt độ khi lượng hơi và kim loại lỏng hòa vào nhau sẽ thay đổi tính đến tổn thất khi qua bộ trộn

T2’ là nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp khí nóng và kim loại lỏng khi đi qua bộ trộn, trong khi ΔTtron biểu thị tổn thất nhiệt độ của hỗn hợp này.

Hình 3.5: Bộ trộn kim loại lỏng và khí nóng[5]

3.4.2 Máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng NaK

Máy phát MHD sử dụng lưu chất là kim loại lỏng NaK, nguyên lý hoạt động vẫn giống như máy phát MHD dùng plasma để phát điện

Khi lưu chất đi qua máy phát MHD thì áp suất sẽ bị thay đổi[5]

P3’ :là áp suất hỗn hợp khí nóng và kim loại lỏng thoát ra từ máy phát MHD

Áp suất P2’ của hỗn hợp khí nóng và kim loại lỏng là yếu tố quan trọng khi vào máy phát MHD Hiệu suất điện của máy phát MHD được ký hiệu là η EE, trong khi hiệu suất tổng thể của máy phát MHD được biểu thị bằng η MHD Hệ số chất khí được ký hiệu là ϓ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của máy phát.

Nhiệt độ hỗn hợp khí nóng và kim loại lỏng khi đi qua máy phát MHD là[5]:

𝛥𝑄 𝑀𝐻𝐷 : là tổn thất nhiệt lượng của máy phát MHD

T 3′ : nhiệt độ hỗn hợp khí nóng và kim loại lỏng khi qua máy phát MHD

T 2′ : nhiệt độ hỗn hợp khí nóng và kim loại lỏng đi vào máy phát MHD

Bộ tách là thiết bị quan trọng trong công nghiệp, dùng để tách hỗn hợp hơi lỏng Trong điều kiện trọng lực thông thường, chất lỏng lắng xuống đáy bộ tách để thu hồi Tuy nhiên, trong môi trường trọng lực thấp như trạm không gian, bộ tách lỏng truyền thống không hiệu quả Do đó, bộ tách ly tâm quay sử dụng lực ly tâm để tách chất lỏng khỏi khí, với khí di chuyển lên trên Lối ra khí được bảo vệ bởi màn hình lưới, giúp giữ lại chất lỏng và dẫn về ngõ lọc để thu hồi.

Hình 3.6: Bộ tách kim loại lỏng và khí nóng[5]

Khi đi qua bộ tách, kim loại lỏng và khí nóng sẽ phân tách theo hai hướng khác nhau Dòng khí sẽ được dẫn đến bộ trao đổi nhiệt, trong khi dòng kim loại lỏng sẽ được bơm trở lại bộ trộn để tiếp tục chu trình Áp suất khi qua bộ tách là yếu tố quan trọng cần được chú ý.

P 4′ : áp suất dòng khí sau khi qua bộ tách

P tach : áp suất bộ tách

Nhiệt độ hỗn hợp khí và kim loại lỏng khi đi qua bộ tách là[5]:

T 5′ : nhiệt độ kim loại lỏng sau khi qua bộ tách

T 4′ : nhiệt độ dòng khí sau khi qua bộ tách ΔT tach : tổn hao nhiệt của bộ tách

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, khi dòng điện được truyền qua, tạo ra lực điện từ để đẩy kim loại lỏng NaK tới bộ trộn, tiếp tục chu trình sử dụng.

Tỷ số nén của bơm được tính[5] :

P 4′ (3.22) Π bomdt : là tỷ số nén của bơm điện từ

Nhiệt độ của kim loại lỏng:

T 5′ = T 4′ ×τ bomdt (3.23) τ bomdt : là tỷ số nhiệt độ vào ra bơm điện từ

Entropy nhiệt động lực, ký hiệu S, là đơn vị đo lường sự phát tán và hấp thụ nhiệt năng khi một hệ thống vật lý chuyển trạng thái ở nhiệt độ tuyệt đối T (dS=dQ/T).

Entropy mẫu là [14] trang 527: s = G [C p ln T s

Tref : là nhiệt độ mẫu , thường là nhiệt độ môi trường

Pref : là áp suất mẫu, thường là áp suất khí quyển

G : Lưu lượng kim loại lỏng qua máy phát MHD

Cp : Nhiệt dung riêng của chất khí (J/KgK)

𝐶 𝑝 ∗(𝑇 2′ −𝑇 4′ ) (3.25) Nhiệt lượng tại các nút[1]:

𝑄 5′ = 𝐺 ∗ 𝐶 𝑝 ∗ 𝑇 5′ (3.30) Tính entropy tại các nút[14]: s = G [C p ln T 2′

P 5′] (3.36) Công của máy phát MHD[1]:

W MHD = G ∗ 𝐶 𝑝 ∗ (𝑇 2′ − 𝑇 3′ ) (3.37) Công của chu trình sinh khối LMMHD[1]:

𝑊 𝐸2 = 𝑊 𝑀𝐻𝐷 − 𝑊 𝑡𝑟𝑜𝑛 − 𝑊 𝑡𝑎𝑐ℎ − 𝑊 𝑏𝑜𝑚𝑑𝑡 (3.38) Nhiệt lượng cấp vào chu trình sinh khối LMMHD[1]:

Hiệu suất của chu trình sinh khối LMMHD[1]:

3.4.6 Hiệu suất của chu trình sinh khối LMMHD kết hợp tuabin hơi

Hiệu suất của chu trình kết hợp được xác định bằng tỷ số giữa năng lượng phát ra từ máy phát MHD và máy phát tuabin hơi so với năng lượng đầu vào từ việc đốt sinh khối Nhiệt lượng thải ra trong chu trình LMMHD kết hợp tuabin hơi là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

𝑄 2ℎℎ = ℎ 2 − ℎ 3 (3.41) Nhiệt lượng cấp vào chu trình LMMHD kết hợp tuabin hơi[1]:

Công của chu trình LMMHD kết hợp tuabin hơi[1]:

𝑊 ℎℎ = 𝑄 1ℎℎ − |𝑄 2ℎℎ | (3.43) Hiệu suất của chu trình LMMHD kết hợp tuabin hơi[1]:

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC CHU TRÌNH