TỒNGQUAN
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu nguyên lý phát điện từ thủy động lực học và các thành phần trong chu trình phát điện MHD kết hợp với tuabin hơi là rất quan trọng Bài viết sẽ phân tích quá trình truyền nhiệt trong chu trình này, đồng thời thực hiện tính toán và mô phỏng để đánh giá hiệu suất của nhà máy điện MHD.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thu thâ ̣p, đo ̣c hiểu những tài liệu , những bài báo trong nước và quốc tế , những tài liệu từ internet liên quan
Phân tích, tổng hợp
Thu thâ ̣p, chọn lọc, đo ̣c hiểu nhƣ̃ng tài liê ̣u liên quan.
Nghiên cƣ́u, phân tích nhƣ̃ng da ̣ng chu trình, nhƣ̃ng thành phần chu trình.
Xây dƣ̣ng chu trình, phân tích, tính toán và mô phỏng thông số chu trình
1.7 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Phân tích những thành phần ảnh hưởng đến chu trình làm việc.
Tính toán hiệu suất chu trình tuabin hơi từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy
1.8 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Kết quả đề tài nghiên cƣ́u có thể áp du ̣ng cho công tác nghiên cƣ́u nâng cao hiệu suất nhà máy điện MHD - tuabin hơi
Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể đƣợc phục vụ nghiên cứu ở mức độ cao hơn.
ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Phân tích những thành phần ảnh hưởng đến chu trình làm việc.
Tính toán hiệu suất chu trình tuabin hơi từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất nhà máy
1.8 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Kết quả đề tài nghiên cƣ́u có thể áp du ̣ng cho công tác nghiên cƣ́u nâng cao hiệu suất nhà máy điện MHD - tuabin hơi
Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể đƣợc phục vụ nghiên cứu ở mức độ cao hơn.
GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
2.1 KHÁI NIỆM VỀ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC
Máy phát điện từ thủy động lực học là hệ thống chuyển đổi nhiệt năng hoặc động năng thành điện năng dựa trên nguyên lý thủy động học Chúng có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần các chi tiết bôi trơn Khí thải từ các hệ thống này thường là plasma nóng, có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống điện truyền thống như máy phát điện hơi nước.
Trong máy phát điện từ thủy động học, dòng chất dẫn điện hoặc plasma được sử dụng để tạo ra điện Mặc dù được phát triển cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch để cung cấp nhiệt năng, phương pháp phát điện truyền thống vẫn chiếm ưu thế nhờ công nghệ giá rẻ hơn.
Máy phát điện từ thủy động lực học hoạt động theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện MHD.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
MÁY PHÁT TƢ̀ THỦY ĐỘNG LƢ̣C HỌC
Máy phát điện từ thủy động lực học (MHD) là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ khí thành điện năng thông qua nguyên tắc từ thủy động lực học Trong quá trình hoạt động, khí nóng được dẫn qua một từ trường mạnh, giúp ion hóa khí và thu thập electron bằng cặp tấm thu.
Quá trình phát điện từ MHD dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday, cho phép máy phát điện từ thủy động lực chuyển đổi nhiệt năng hoặc động năng của chất lỏng thành năng lượng điện trực tiếp Các chất lỏng này bao gồm khí bị oxy hóa, plasma, kim loại lỏng và nước biển Điểm khác biệt của máy phát điện MHD so với máy phát điện thông thường là khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần bộ phận truyền động.
Từ năm 1970, nhiều quốc gia đã triển khai nghiên cứu về MHD, đặc biệt tập trung vào việc sử dụng than làm nhiên liệu Nhà máy điện MHD không chỉ cung cấp điện năng cho sản xuất quy mô lớn mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường Hơn nữa, máy phát điện MHD còn có khả năng sản xuất các xung năng lượng điện lớn, tạo ra sự thu hút trong ngành năng lượng.
Máy phát MHD (Magnetohydrodynamics) được thiết kế phù hợp với loại chất lỏng làm việc và nguồn nhiệt mong đợi Có hai chu trình chính: chu trình hở, hoạt động dựa trên sản phẩm đốt cháy của nhiên liệu hóa thạch, và chu trình kín, sử dụng khí hiếm như argon hoặc helium Các hệ thống MHD chủ yếu bao gồm hệ thống đốt than và khí đốt tự nhiên, tuy nhiên, chúng thường hoạt động ở nhiệt độ quá thấp để tạo ra nhiệt ion hóa cần thiết cho máy phát MHD.
Hình 2.2: Nguyên lý cơ bản của máy phát MHD.
CÁC LOẠI MÁY PHÁT
Trong máy Faraday, từ trường được bố trí vuông góc với dòng chảy của chất lỏng dẫn điện, dẫn đến sự tích tụ điện tích trên các thành ống dẫn do tác động của lực Lorentz 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 thu, dòng chảy sẽ chậm lại và giảm nhiệt độ, thường từ nhiệt độ plasma xuống khoảng 1000°C.
Nhƣợc điểm của máy Faraday là hiệu suất không cao, do thất thoát điện năng trên các điện cực, đặc biệt là thất thoát do hiệu ứng Hall [2,10]
Máy Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall để tạo ra dòng điện song song với dòng chảy Các điện cực ngắn được bố trí vuông góc với dòng chảy và từ trường bên ngoài, nằm dọc theo hai bên dòng chảy Điện cực đầu nguồn và cuối dòng chảy được kết nối với mạch điện ngoài để cung cấp điện năng Các điện cực còn lại được nối với điện cực đối diện dọc theo dòng chảy, tạo ra dòng điện cảm ứng, hay còn gọi là dòng điện Faraday, chạy qua các đoạn nối này, từ đó tạo ra một từ trường mạnh trong dòng chảy, giúp dòng chảy uốn cong theo hình dạng của ống.
Thiết kế này đạt hiệu suất cao hơn so với máy Faraday, tuy nhiên, hiệu suất của nó phụ thuộc nhiều vào tải bên ngoài Trung bình, hiệu suất của các loại máy này khoảng 17%, chưa tính đến việc tái sử dụng nhiệt năng từ khí thải.
Trong máy dạng đĩa, chất lưu dẫn điện chảy từ tâm đến vành ngoài theo đường bán kính, nơi có các ống dẫn Từ trường được tạo ra bởi các cuộn Helmholtz ở trên và dưới đĩa Dòng điện Faraday chạy vòng quanh rìa đĩa, trong khi dòng điện của hiệu ứng Hall diễn ra giữa hai vòng điện cực, một ở gần tâm và một ở ngoài rìa đĩa.
Máy dạng đĩa có hiệu suất cao và có thể thiết kế nhỏ gọn Năm 1994, Viện Kỹ thuật Tokyo đã phát triển máy sử dụng đĩa với hiệu suất đạt 22%.
Hình 2.5: Máy phát dạng đĩa
2.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT MHD
Theo định luật cảm ứng của Faraday, khi một vật dẫn điện di chuyển qua các đường cảm ứng từ, các hạt điện tích trong vật dẫn chịu tác động của lực vuông góc với trường từ B và vận tốc của vật dẫn, dẫn đến sự di chuyển của các điện tích âm và dương theo hai hướng khác nhau Điều này tạo ra một điện trường hoặc suất điện động, cho phép chuyển đổi cơ năng thành điện năng Trong máy phát điện MHD, khí nóng hoặc chất lỏng được tăng tốc và bơm vào kênh, nơi một từ trường mạnh được thiết lập Theo đó, một điện trường được hình thành vuông góc với lưu lượng khí và từ trường, cho phép máy phát điện cung cấp dòng điện cho mạch bên ngoài Đối với máy phát thủy động lực học, vật dẫn rắn được thay thế bằng vật dẫn lỏng như kim loại lỏng hoặc khí hiếm Trong chu kỳ hở của máy phát MHD, nhiên liệu hóa thạch được đốt cháy trong oxi hoặc khí nén nóng trước, tạo ra ion hóa thấp, và sự tương tác giữa chất lỏng chuyển động với từ trường mạnh tạo ra suất điện động theo nguyên tắc Faraday.
Sản lượng điện của máy phát MHD tỷ lệ thuận với độ dẫn điện của khí, bình phương vận tốc khí và bình phương cường độ từ trường Để máy phát điện MHD hoạt động hiệu quả và có kích thước hợp lý, độ dẫn điện của plasma cần đạt mức tối ưu trong khoảng nhiệt độ trên 1800 K Tuy nhiên, các cánh tuabin trong hệ thống điện tuabin khí không thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ này, điều này đặt ra thách thức cho việc phát triển công nghệ MHD.
Việc thêm chất phụ gia vào chất khí nóng có thể đạt được mức độ dẫn điện từ 10 đến 50 Siemens mỗi mét, với tỷ lệ khoảng một phần trăm theo khối lượng Các phụ gia này thường là các chất kiềm ion hóa như cesium, kali cacbonat hoặc natri Công thức tính sản lượng điện mỗi đơn vị thể tích chất lỏng (W) cũng được xác định trong quá trình này.
Trong đó : σ = Độ dẫn điện u = Tốc độ của chất lỏng Β = mật độ từ thông
Trong hệ thống MHD, chu trình kín cho phép chất lỏng được tái tuần hoàn liên tục qua máy nén, mang lại nhiều lợi ích cho hiệu suất và công suất đầu ra Chu kỳ hỗn hợp có hiệu quả cao hơn so với chu kỳ Brayton và Rankine, khiến chúng trở nên hấp dẫn trong sản xuất điện Với ưu điểm về hiệu suất và giảm thiểu khí thải, nhà máy điện chu trình hỗn hợp đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu.
2.5 HỆ THỐNG MHD DÙNG THAN
Hầu hết các nhà máy điện chạy bằng than được xây dựng với chi phí từ 1000 đến 1500 USD/kWe và mất khoảng bốn năm để hoàn thành Giá nhiên liệu, bao gồm than đá, than nâu và lignite, phụ thuộc vào sự phản hồi của nền kinh tế trong từng giai đoạn và khác nhau tùy theo quốc gia.
Với lãi suất chiết khấu 5%, chi phí phát điện của hầu hết các nhà máy điện than đá dao động từ 25 đến 50 USD/MWh Thông thường, giá đầu tư chỉ chiếm ít hơn một phần ba tổng chi phí, trong khi giá vận hành và bảo dưỡng chiếm 20% và giá nhiên liệu chiếm 50%.
Với lãi suất chiết khấu 10%, chi phí phát điện chuẩn của hầu hết các nhà máy chạy than dao động từ 35 đến 60 USD/MWh Giá đầu tư chiếm khoảng 50% trong hầu hết các trường hợp, trong khi giá vận hành và bảo dưỡng chiếm 15% tổng số, và giá nhiên liệu chiếm 35%.
Trong quá trình đốt than, việc sử dụng oxy tinh khiết và tái chế CO2 như một chất ôxi hóa giúp tăng cường hiệu suất CO2 tinh khiết được thu hồi ở nhiệt độ cao và được tách ra bằng phương pháp kali cacbonat để tăng tính dẫn điện Sau đó, khí này được giãn nở trong kênh MHD, nơi một phần nhiệt còn lại được sử dụng để làm nóng các chất ôxy hóa trong bộ trao đổi nhiệt cao Khí sau đó được bơm vào nồi hơi, chuyển năng lượng nhiệt còn lại đến chu trình hơi thông thường, tạo ra một nhà máy kết hợp Các nhà máy điện MHD - chu trình hơi có thể nâng cao hiệu suất lên đến 50-60%, tiết kiệm khoảng 35% nhiên liệu Việc xây dựng các nhà máy điện than mới với khả năng giảm thiểu phát thải CO2 mở ra tiềm năng cho việc thiết lập nhà máy đốt than MHD trong tương lai gần.
Hình 2.6: Sơ đồ mạch của nhà máy MHD
2.6 HIỆU SUẤT ĐIỆN Định luật Ohm: j (E vB) trong đó:
: Độ dẫn điện E: Điện trường v: Vận tốc dòng B: Từ trường j : Mật độ dòng điện ( / m ) A 2
Từ dạng tổng quát của định Luật Ohm, mật độ công suất của máy phát điện lý tưởng có thể được thể hiện như:
Pout : Mật độ công suất (W/ m ) 3 u : Vận tốc của chất lỏng (m/s)
B : Từ trường (T) K: Là hệ số tải
: Độ dẫn điện của plasma (s/m)
Công suất đầu vào không tồn tại khi K=0 và K=1 (0 ≤ K ≤ 1) Các phương pháp tính toán cho thấy công suất đầu vào đạt giá trị lớn nhất khi K=0.5.
Mật độ công suất lớn nhất
P : Mật độ công suất (W/ m ) 3 u : Vận tốc của chất lỏng (m/s)
: Độ dẫn điện của plasma (s/m)
Công suất đầu vào để đẩy khí qua kênh cho mỗi đơn vị khối lƣợng là
P in B [ / m ]W 3 Hiệu suất điện của máy phát điện MHD đƣợc xác định bởi tỉ số của Pout trên Pin out in
Do đó, hiệu suất điện của máy phát MHD tương đương với hệ số tải của kênh
2.7 HIỆU SUẤT CỦA MÁY PHÁT
Hiê ̣u suất toàn phần của máy phát MHD được xác đi ̣nh như sau :
Trong quá trình tính toán thiết kế nhà máy điện, enthalpy ban đầu (h_i) và enthalpy cuối (h_f) được giả định có áp suất hằng số giống nhau cho cả hai trường hợp thực tế và trường hợp đẳng entropy Mặc dù người ta chủ yếu quan tâm đến hiệu suất (η_g), nhưng còn một hiệu suất quan trọng khác là η_p, cần được xem xét.
HỆ THỐNG MHD DÙNG THAN
Hầu hết các nhà máy điện chạy bằng than được xây dựng với chi phí dao động từ 1000 đến 1500 USD/kWe, và thời gian xây dựng thường kéo dài khoảng bốn năm Giá nhiên liệu như than đá, than nâu hay lignite cho các nhà máy điện phụ thuộc vào phản hồi của thị trường trong từng giai đoạn kinh tế khác nhau và có sự khác biệt tùy thuộc vào từng quốc gia.
Với lãi suất chiết khấu 5%, chi phí phát điện của hầu hết các nhà máy điện than đá dao động từ 25 đến 50 USD/MWh Giá đầu tư thường chỉ chiếm ít hơn một phần ba tổng chi phí, trong khi chi phí vận hành và bảo dưỡng chiếm 20%, và giá nhiên liệu chiếm tới 50%.
Với lãi suất chiết khấu 10%, chi phí phát điện chuẩn của các nhà máy chạy than dao động từ 35 đến 60 USD/MWh Giá đầu tư chiếm khoảng 50% trong hầu hết các trường hợp, trong khi giá vận hành và bảo dưỡng chiếm 15% tổng số, và giá nhiên liệu chiếm 35%.
Trong quá trình đốt than, việc sử dụng oxy tinh khiết và tái chế CO2 như một chất oxi hóa giúp tăng hiệu suất CO2 tinh khiết được thu hồi ở nhiệt độ cao và tách ra bằng các phương pháp kali cacbonat để tăng tính dẫn điện Khí này sau đó được giãn nở trong kênh MHD, nơi một phần nhiệt còn lại được dùng để làm nóng các chất oxi hóa trong bộ trao đổi nhiệt cao Khí sau đó được bơm vào nồi hơi, chuyển giao năng lượng nhiệt cho chu trình hơi thông thường, tạo ra nhà máy kết hợp Các nhà máy điện MHD - chu trình hơi có khả năng nâng cao hiệu suất lên đến 50-60%, tiết kiệm khoảng 35% nhiên liệu Nếu các nhà máy điện than mới được xây dựng và giảm thiểu phát thải CO2, khả năng thiết lập nhà máy đốt than MHD trong tương lai gần sẽ trở nên khả thi.
Hình 2.6: Sơ đồ mạch của nhà máy MHD
2.6 HIỆU SUẤT ĐIỆN Định luật Ohm: j (E vB) trong đó:
: Độ dẫn điện E: Điện trường v: Vận tốc dòng B: Từ trường j : Mật độ dòng điện ( / m ) A 2
Từ dạng tổng quát của định Luật Ohm, mật độ công suất của máy phát điện lý tưởng có thể được thể hiện như:
Pout : Mật độ công suất (W/ m ) 3 u : Vận tốc của chất lỏng (m/s)
B : Từ trường (T) K: Là hệ số tải
: Độ dẫn điện của plasma (s/m)
Công suất đầu vào không tồn tại khi K=0 và K=1 (0 ≤ K ≤ 1) Các phương pháp tính toán thông thường cho thấy công suất đầu vào đạt giá trị lớn nhất tại K=0.5.
Mật độ công suất lớn nhất
P : Mật độ công suất (W/ m ) 3 u : Vận tốc của chất lỏng (m/s)
: Độ dẫn điện của plasma (s/m)
Công suất đầu vào để đẩy khí qua kênh cho mỗi đơn vị khối lƣợng là
P in B [ / m ]W 3 Hiệu suất điện của máy phát điện MHD đƣợc xác định bởi tỉ số của Pout trên Pin out in
Do đó, hiệu suất điện của máy phát MHD tương đương với hệ số tải của kênh
2.7 HIỆU SUẤT CỦA MÁY PHÁT
Hiê ̣u suất toàn phần của máy phát MHD được xác đi ̣nh như sau :
Trong nghiên cứu về hiệu suất của nhà máy điện, enthalpy ban đầu (h_i) và enthalpy cuối (h_f) được xem xét với giả thuyết rằng áp suất là hằng số cho cả hai trường hợp thực tế và trường hợp đẳng entropy Mặc dù hiệu suất tổng thể (η_g) là yếu tố chính được quan tâm, nhưng còn có một số hiệu suất khác, trong đó có hiệu suất p (η_p), cũng cần được chú ý Hiệu suất p được định nghĩa để phục vụ cho việc tính toán và thiết kế trong ngành điện.
Để xử lý lưu lượng chất khí lớn với áp suất cao chảy vào tuabin, việc sử dụng máy nén là cần thiết Hai loại máy nén phổ biến được sử dụng là máy nén ly tâm và máy nén dòng chảy dọc trục.
Máy nén ly tâm là thiết bị bao gồm thành phần xoay và bộ khuếch tán khí, với tỉ lệ nén từ 2 đến 3 cho máy nén một tầng và tối đa lên đến 20 cho máy nén nhiều tầng Hiệu suất của máy nén ly tâm dao động từ 80% đến 90%.
Máy nén dòng chảy dọc trục (Axial flow compressor) bao gồm các stator và rotor, với các cánh quạt cố định trên trục và cánh quạt stator gắn trên vỏ stator Hiệu suất đẳng entropy của máy nén đạt từ 90 đến 95%.
Hình 2.8: Máy nén dòng chảy dọc trục
Các chu trình MHD có thể có hai loại, cụ thể:
Các chi tiết về các loại chu trình MHD và các chất lỏng làm việc đƣợc sử dụng, đƣợc nêu dưới đây
Chu trình hở hệ thống MHD:
Trong chu trình hở của hệ thống MHD, không khí ở nhiệt độ và áp suất cao được truyền qua các từ trường mạnh Than được xử lý và đốt trong buồng đốt ở nhiệt độ khoảng 2700°C và áp suất 12 atm, với không khí được làm nóng lại từ plasma Một vật liệu như kali cacbonat được thêm vào plasma để tăng tính dẫn điện, tạo ra hỗn hợp có độ dẫn điện khoảng 10 siemens/m Hỗn hợp này được phun ra với vận tốc cao và đi qua từ trường của máy phát MHD Khi khí ở nhiệt độ cao, các ion dương và âm di chuyển đến các điện cực, tạo thành dòng điện Khí sau đó không thể tái sử dụng, dẫn đến việc hình thành chu trình hở MHD.
Chu trình kín hệ thống MHD :
Chất lỏng làm việc trong chu trình kín MHD được lưu thông trong một vòng khép kín, sử dụng khí trơ hoặc kim loại lỏng để truyền nhiệt Các kim loại lỏng thường có độ dẫn điện cao, cho phép nhiệt từ vật liệu cháy không cần quá cao Khác với hệ thống vòng mở, không có đầu vào và đầu ra cho không khí trong khí quyển, quá trình này được đơn giản hóa tối đa, với các chất lỏng tương tự được tuần hoàn và lặp lại để truyền nhiệt hiệu quả.
2.10 HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI
2.10.1 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng máng parabol
Hình 2.9: Cấu tạo nhà máy điện dạng hình máng parabol
Trong nhà máy điện hình máng parabol, nhiều tấm gương hình máng được sử dụng để tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm trọng tâm Các bộ thu ánh sáng được sắp xếp thẳng đứng, kéo dài hàng trăm mét, và được bố trí song song để tạo thành một vùng thu ánh sáng mặt trời rộng lớn.
Hình 2.10: Bộ thu ánh sáng năng lƣợng mặt trời.
Các bộ thu ánh sáng đơn lẻ có khả năng xoay theo chiều dọc để theo dõi chuyển động của mặt trời, giúp tập trung ánh sáng lên tới 80 lần tại các ống hấp thụ Những ống này được bảo vệ bởi lớp kính nhằm giảm thiểu mất nhiệt, trong khi lớp vỏ bọc đặc biệt ngăn cản nhiệt thoát ra ngoài Trong hệ thống truyền thống, dầu giữ nhiệt chảy qua các ống, đạt nhiệt độ lên đến 400 độ C nhờ ánh sáng Nhiệt độ này được chuyển giao qua bộ trao đổi nhiệt để tạo ra hơi nước quá nhiệt, phục vụ cho chu trình hơi nước Hơi nước này quay tuabin và sản xuất điện, sau đó được ngưng tụ thành nước và bơm trở lại hệ thống Nguyên lý sản xuất điện từ hơi nước được gọi là chu trình Clausius-Rankin, tương tự như trong các nhà máy điện hơi nước cổ điển.
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động
Trong điều kiện thời tiết xấu hoặc ban đêm, buồng đốt có thể hoạt động song song để duy trì chu trình hơi nước, khác với hệ thống quang điện, giúp đảm bảo công suất đầu ra liên tục và nâng cao khả năng lập kế hoạch cung cấp điện cho cộng đồng Về mặt phát thải cacbon, năng lượng sinh học hoặc mới có thể được sử dụng như nguồn nguyên liệu bổ trợ, trong khi buồng đốt bằng nhiên liệu hóa thạch sẽ bị hạn chế Một giải pháp khả thi là sử dụng bồn nhiệt, nơi hệ thống năng lượng mặt trời sẽ làm nóng bồn vào ban ngày Vào ban đêm hoặc khi thời tiết xấu, các bồn chứa nhiệt này sẽ hỗ trợ vận hành chu trình hơi nước, với thiết kế chịu nhiệt lên tới 300 độ C và sử dụng muối nóng chảy làm môi chất giữ nhiệt.
Hình 2.12: Nhà máy điện đảm bảo cung cấp điện cả ngày
Sự phát triển của loại nhà máy này bắt đầu từ năm 1906 tại Mỹ và Cairo, Ai Cập, với những nghiên cứu ứng dụng ban đầu đạt được thành công Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng vẫn giữ nguyên cho đến ngày nay Tuy nhiên, những vấn đề liên quan đến vật liệu và kỹ thuật đã cản trở nỗ lực phát triển máy phát công suất lớn vào năm 1914, trước khi xảy ra chiến tranh thế giới thứ nhất.
CHU TRÌNH MHD
Các chu trình MHD có thể có hai loại, cụ thể:
Các chi tiết về các loại chu trình MHD và các chất lỏng làm việc đƣợc sử dụng, đƣợc nêu dưới đây
Chu trình hở hệ thống MHD:
Trong chu trình hở hệ thống MHD, không khí ở nhiệt độ và áp suất cao được truyền qua các từ trường mạnh Than được xử lý và đốt trong buồng đốt với nhiệt độ khoảng 2700°C và áp suất 12 atm, trong khi không khí được làm nóng lại từ plasma Để tăng tính dẫn điện, một vật liệu như kali cacbonat được thêm vào plasma, tạo ra hỗn hợp có độ dẫn điện khoảng 10 siemens/m Hỗn hợp này được phun ra với vận tốc cao và đi qua từ trường của máy phát MHD Khi khí nóng, các ion di chuyển đến các điện cực, tạo thành dòng điện Khí sau đó không thể tái sử dụng, dẫn đến chu trình hở, do đó được gọi là chu trình hở MHD.
Chu trình kín hệ thống MHD :
Chất lỏng làm việc trong chu trình kín MHD được lưu thông trong một vòng khép kín, sử dụng khí trơ hoặc kim loại lỏng để truyền nhiệt Kim loại lỏng thường có độ dẫn điện cao, cho phép nhiệt được cung cấp từ các vật liệu cháy ở mức thấp hơn Ngược lại, hệ thống vòng mở không có đầu vào và đầu ra cho không khí trong khí quyển, làm cho quá trình trở nên đơn giản hơn Nhờ đó, các chất lỏng tương tự có thời gian tuần hoàn và lặp lại, giúp truyền nhiệt hiệu quả.
HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI
2.10.1 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng máng parabol
Hình 2.9: Cấu tạo nhà máy điện dạng hình máng parabol
Nhà máy điện dạng hình máng parabol sử dụng nhiều tấm gương hình máng để tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm trọng tâm Các bộ thu ánh sáng được sắp xếp thẳng đứng và kéo dài hàng trăm mét, với nhiều hàng được đặt song song tạo thành vùng thu ánh sáng mặt trời rộng lớn.
Hình 2.10: Bộ thu ánh sáng năng lƣợng mặt trời.
Các bộ thu ánh sáng đơn lẻ có khả năng xoay theo chiều dọc để theo dõi chuyển động của mặt trời, tập trung ánh sáng lên tới 80 lần vào các ống hấp thụ được bao bọc bởi lớp kính nhằm hạn chế mất nhiệt Lớp vỏ bọc đặc biệt bên ngoài các ống này ngăn cản nhiệt thoát ra Trong hệ thống truyền thống, dầu giữ nhiệt chảy trong các ống, nhiệt độ có thể đạt 400 độ C dưới tác động của ánh sáng Nhiệt này được chuyển qua các bộ trao đổi nhiệt để tạo hơi quá nhiệt, phục vụ cho chu trình hơi nước Hơi nước quay tuabin, làm quay máy phát điện, và sau khi qua tuabin, nó được ngưng tụ thành nước và được bơm trở lại vòng lặp Nguyên lý sản xuất điện từ hơi nước này được gọi là chu trình Clausius-Rankin, thường được áp dụng trong các nhà máy điện hơi nước truyền thống.
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động
Trong điều kiện thời tiết xấu hoặc ban đêm, việc sử dụng buồng đốt song song để vận hành chu trình hơi nước mang lại lợi ích vượt trội so với hệ thống quang điện, đảm bảo công suất đầu ra liên tục và hỗ trợ lập kế hoạch cung cấp điện cho cộng đồng Để giảm phát thải carbon, nguồn năng lượng sinh học hoặc mới, như hydro, có thể được sử dụng như nguyên liệu bổ trợ, trong khi các buồng đốt bằng nhiên liệu hóa thạch sẽ bị hạn chế Một giải pháp khả thi khác là sử dụng bồn nhiệt, trong đó hệ thống năng lượng mặt trời sẽ làm nóng bồn vào ban ngày khi có đủ ánh sáng, và vào ban đêm hoặc khi thời tiết xấu, bồn nhiệt sẽ hỗ trợ vận hành chu trình hơi nước Các bồn nhiệt cần được thiết kế để chịu được nhiệt độ lên tới 300 độ C, với muối nóng chảy làm môi chất giữ nhiệt.
Hình 2.12: Nhà máy điện đảm bảo cung cấp điện cả ngày
Sự phát triển của loại nhà máy này bắt đầu từ năm 1906, với các nghiên cứu ứng dụng tại Mỹ và Cairo (Ai Cập) dưới sự cai trị của người Anh Những nghiên cứu này đã đạt được những thành công ban đầu, và cấu tạo cùng nguyên lý hoạt động của chúng vẫn giữ nguyên cho đến nay Tuy nhiên, các vấn đề về vật liệu và kỹ thuật đã cản trở nỗ lực phát triển máy phát có công suất lớn vào năm 1914, trước khi diễn ra chiến tranh thế giới thứ nhất.
Hiện nay, Mỹ và một số quốc gia châu Âu đã triển khai nhiều chính sách hỗ trợ để phát triển các nhà máy năng lượng mặt trời Một số nhà máy lớn đã được xây dựng tại Nevada (Mỹ) và Guadix (Tây Ban Nha) Sự tiến bộ của công nghệ không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giúp giảm chi phí sản xuất Một phương pháp mới đang được áp dụng là hóa hơi trực tiếp nước bằng ánh sáng mặt trời, trong đó nước sẽ được bay hơi dưới áp suất cao và nhiệt độ khoảng 500 độ C trước khi được dẫn vào tuabin.
Dễ chế tạo lắp đặt và vận hành
Dễ dàng ghép nối thành hệ thống lớn từ các modul nhỏ
Có thể thu quang năng với hiệu quả cao mà chỉ cần điều khiển theo 1 trục
Diện tích và số lƣợng ống thu nhiệt lớn
Cho các nhà máy có công suất từ vài MW đến dưới 20MW
2.10.2 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng tháp
Nhà máy điện tháp mặt trời sử dụng hàng trăm hoặc hàng nghìn tấm gương, gọi là kính định nhật, được lắp đặt xung quanh một tháp Những tấm gương này được điều khiển bởi máy tính để theo dõi sự di chuyển của mặt trời và hướng ánh sáng đến đỉnh tháp với độ chính xác cao Tại điểm trung tâm, một bình chứa với thiết bị thu sẽ được nung nóng lên trên 1000 độ C nhờ ánh sáng tập trung Nhiệt độ cao này được vận chuyển bằng không khí hoặc muối nóng chảy, sau đó được sử dụng để điều khiển tuabin khí hoặc hơi, biến đổi nhiệt thành năng lượng điện.
Có hai loại nhà máy điện tháp: loại bình chứa thể tích không áp suất và loại bình chứa có áp suất Nhà máy loại không áp suất sử dụng quạt gió để chuyển không khí từ môi trường vào bình chứa, nơi nhận tia sáng phản xạ từ các tấm gương Bình chứa này được nung nóng bởi bức xạ mặt trời, làm tăng nhiệt độ không khí bên trong từ 650 độ C đến 850 độ C trước khi đưa vào lò hơi để bay hơi nước và điều khiển chu trình hơi trong tuabin Loại nhà máy này giúp giảm thiểu mất mát nhiệt do phát xạ và có thể kết hợp với các loại nhà máy điện khác khi cần thiết.
Hình 2.13: Loại bình chứa không áp suất
Nhà máy điện tháp mặt trời với bình chứa có áp suất đang cho thấy tiềm năng lớn trong tương lai Ánh sáng mặt trời được tập trung để đốt nóng không khí trong bình chứa với áp suất khoảng 15 bar và nhiệt độ lên tới 1100 độ C Không khí nóng này được sử dụng để chạy tuabin, sau đó được tái sử dụng để tạo hơi nóng cho chu trình khác, giúp tăng hiệu suất lên từ 35% đến 50% Hệ thống phát điện chu trình kết hợp năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần như hệ thống năng lượng mặt trời tập trung dạng tháp, bộ thu áp suất không khí và các chu trình Brayton và Rankine Để đạt được nhiệt độ và áp suất cần thiết cho tuabin khí, bộ thu năng lượng mặt trời đã được đề xuất dựa trên phương pháp chiếu xạ trực tiếp hoặc gián tiếp cho các tháp và đĩa năng lượng mặt trời.
Hình 2.14: Nhà máy điện với bình chứa áp suất
Hình 2.15: Năng lƣợng mặt trời dạng tháp kết hợp chu trình Brayton-Rankine
Khác với nhà máy điện hình máng parabol, loại nhà máy này vẫn còn mới mẻ trên thị trường và chưa có nhiều kinh nghiệm Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng nhằm tối ưu hóa các thành phần cấu tạo và kiểm tra chúng đã được tiến hành tại Almeria (Tây Ban Nha), Daggett (Mỹ) và Rehovot (Israel).
Nhà máy điện tháp đầu tiên với công suất 11 MW được xây dựng tại Seville, Tây Ban Nha vào năm 2006, sử dụng phương pháp bay hơi nước thay vì đốt nóng không khí, dẫn đến hiệu suất tương đối thấp do nhiệt độ thấp Cùng năm đó, việc xây dựng một nhà máy khác có công suất 20 MW gần Seville cũng đã được khởi động, bên cạnh các nhà máy khác đang trong giai đoạn thiết kế.
Hình 2.16: Nhà máy điện ở Almeria, Tây Ban Nha
Trước khi thành công trên thị trường, kỹ thuật sử dụng bình chứa không khí (không có áp suất) đã được phát triển tại Đức và chứng minh tính khả thi trong ứng dụng thực tiễn Hiện tại, công nghệ này đã được kiểm tra tại nhà máy mới xây dựng ở Julich, Đức, với công suất khoảng 1,5 MW Mục tiêu của chính phủ Đức là xuất khẩu công nghệ này đến các quốc gia có nhiều nắng nóng trên thế giới.
• Phần nóng có diện tích bề mặt nhỏ nên hạn chế sự tỏa nhiệt dẫn đến hiệu suất cao
• Tháp cao dẫn đến chi phí xây dựng tốn kém Cần phải điều khiển chính xác các tấm phản xạ (heliostat)
• Hiệu quả thu nhiệt của các tấm heliostat không cao vì nhiều lúc không đặt vuông góc với tia nắng
• Cho các nhà máy có công suất từ 10MW trở lên
2.10.3 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng đĩa
Trong khi nhà máy điện hình máng và tháp chỉ hiệu quả cho các ứng dụng cỡ vài MW, hệ thống điện mặt trời đĩa-động cơ Stirling lại phù hợp cho nhu cầu nhỏ hơn, như cung cấp điện cho các khu dân cư hoặc làng xa xôi Hệ thống này sử dụng gương cầu lõm lớn để tập trung ánh sáng vào một điểm trung tâm, đảm bảo ánh sáng được tập trung mạnh mẽ thông qua việc điều khiển gương theo nhiều trục quay, giúp theo dõi chính xác sự di chuyển của mặt trời.
Bộ nhận nhiệt sẽ được đặt ở trung tâm của hệ thống động cơ Stirling, nơi nó chuyển hóa nhiệt thành động năng để vận hành máy phát điện Động cơ Stirling có khả năng hoạt động không chỉ nhờ nhiệt mặt trời mà còn từ quá trình đốt nóng, cho phép các nhà máy sử dụng buồng đốt sinh học sản xuất điện vào ban đêm hoặc trong điều kiện thời tiết xấu Sử dụng khí sinh học cũng giúp giảm lượng carbon phát thải Nhà máy đầu tiên loại này đã được xây dựng tại Ả Rập Saudi, Mỹ và Tây Ban Nha Tuy nhiên, chi phí sản xuất điện từ công nghệ này vẫn cao hơn so với các nhà máy điện truyền thống như nhà máy điện máng và tháp.
Hình 2.17: Nhà máy 10 kW ở Almeria Tây Ban Nha
Dễ chế tạo lắp đặt và vận hành
Mỗi modul là có thể hoạt động độc lập nên khả năng thương mại hóa vào dân dụng cao
Nhiệt độ vùng nóng có thể lên đến 700 o C nên hiệu suất cao
Phải điều khiển theo hai trục
Các động cơ Stirling hiện nay giá thành còn cao
Cho các máy phát dùng động cơ Stirling có công suất từ 10 đến 100kW
2.10.4 Nhà máy điện thu nhiệt mặt trời dạng ống khói
Nhà máy điện có ống khói khác biệt rõ rệt so với các loại nhà máy điện khác, vì nó hoạt động dựa trên nhiệt độ của không khí thay vì tập trung ánh sáng như nhà máy điện nhiệt mặt trời Khu thu thập năng lượng được xây dựng với diện tích lớn, được bao phủ bởi mái kính hoặc nhựa, với một ống khói cao ở giữa Không khí dưới mái kính được làm ấm bởi ánh sáng mặt trời, sau đó di chuyển lên và nhanh chóng chảy qua ống khói, điều khiển tua bin gió để sản xuất điện Đặc biệt, mặt đất dưới mái kính có khả năng dự trữ nhiệt, cho phép nhà máy tiếp tục sản xuất điện ngay cả khi mặt trời đã lặn, và nếu có hệ thống ống nước dưới đất, nó có thể cung cấp đủ nhiệt để duy trì sản xuất điện suốt cả ngày.
Nhà máy 50 kW được xây dựng gần Manzanares, Tây Ban Nha, với mái thu nhận có đường kính trung bình 122 mét và chiều cao 1,85 mét Ống khói của nhà máy cũng có chiều cao ấn tượng.
