Tính toán hiệu quả của hệ thống phát điện kết hợp từ thủy động, địa nhiệt và nhiệt mặt trời

Luận văn

TÓM TẮT
Hiện nay, ngành điện nước ta đang đối mặt với nhiệm vụ rất khó khăn đó là cung
ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng. Bên cạnh đó vấn đề ơ nhiễm mơi trường,
khủng hoảng về cung cầu năng lượng đang diễn ra hết sức gay gắt khơng những ở Việt
Nam mà cịn xuất hiện tại nhiều các quốc gia trên thế giới. Nhận thức được điều này
các quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu đưa vào các nguồn năng lượng mới, năng
lượng tái tạo. Bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, khí sinh
học…Tuy khơng phổ biến như các nguồn năng lượng tái tạo khác nhưng năng lượng
địa nhiệt và năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, thân thiện và gần như vơ
tận, có thể đáp ứng cơn khát năng lượng hiện nay. Nguồn năng lượng này không gây ô
nhiễm khí hậu hay mơi trường.
Gần đây, cơng nghệ phát điện của máy phát MHD có những bước phát triển mới.
Nó đã được ứng dụng rộng rãi trong các chu trình phát điện hỗn hợp để nâng cao hiệu
suất của các nhà máy điện.
Đề tài: "Tính tốn hiệu quả của hệ thống phát điện kết hợp Từ thủy động, địa nhiệt
và nhiệt mặt trời" được nghiên cứu với mục tiêu tính toán và so sánh về hiệu suất phát
điện cũng như hiệu quả kinh tế của hai mơ hình phát điện kết hợp máy phát điện Từ
thủy động với địa nhiệt và nhiệt mặt trời. Đề tài còn là định hướng nghiên cứu để xây
dựng các nhà máy địa nhiệt điện hoặc điện mặt trời hiệu suất cao phù hợp với nền kinh
tế và kỹ thuật của nước ta.

HVTH: Trần Thành Niệm

v

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

ABSTRACT
At present, our country's power sector is facing a very difficult task that is
supplying the increasing demand of our customers. Besides the environmental
pollution problem, a crisis of demand and supply of energy is happening very harshly
not only in Vietnam but also appeared in many countries around the world.
Recognizing that countries around the world are included in the research of new energy
sources, renewable energy. Including solar, wind, geothermal, biogas ...Although not
as common as other renewable energy sources but geothermal energy and solar energy
are a clean energy sources, friendly and virtually inexhaustible, could meet today's
energy thirst. This energy does not pollute the environment or climate.
Recently, power generation technology of MHD generators with the new
developments. It has been widely used in the power generation mix cycle to improve
the efficiency of power plants.
Topic: “Miscalculate outcome of combinary systems MHD generators, geothermal and
solar energy”. The purpose of the study was to compare the differences in economic
efficiency of MHD with geothermal energy and MHD with solar energy. The themeoriented research also recommended the construction of geothermal power or solar
power plants suitable for high performance and technical economy of the country.

HVTH: Trần Thành Niệm

vi

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

MỤC LỤC
TRANG

Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ........................................................................................................ i
Lời cam đoan .............................................................................................................. iii
Cảm tạ ........................................................................................................................ iv
Tóm tắt ....................................................................................................................... v
Mục lục ...................................................................................................................... vii
Danh sách các chữ viết tắt và ký hiệu khoa học ........................................................ xi
Danh sách các bảng .................................................................................................... xvi
Danh sách các hình .................................................................................................... xvii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 01
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 01
1.2 Mục đích của nghiên cứu ..................................................................................... 04
1.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu ........................................................................... 04
1.4 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 04
1.5 Kết quả dự kiến .................................................................................................... 05
1.6 Bố cục ................................................................................................................... 05
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 07
2.1 Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng ............................. 07
2.1.1 Nguồn năng lượng mặt trời .......................................................................... 07
2.1.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng ........................................................... 09
2.1.3 Tập trung năng lượng mặt trời hiệu suất cao ............................................... 11
2.1.4 Hướng nghiên cứu về thiế t bi ̣sử du ̣ng năng lượng mặt trời ........................ 14
2.2 Năng lượng địa nhiệt và các phương pháp khai thác, sử dụng ............................ 14

HVTH: Trần Thành Niệm

vii

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

2.2.1 Nguồn năng lượng địa nhiệt ......................................................................... 14
2.2.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng ........................................................... 19
2.3 Máy phát điện từ thủy động (MHD) .................................................................... 24
2.3.1 Nguyên lý làm việc của máy phát MHD...................................................... 24
2.3.2 Máy phát điện AC MHD dạng đĩa ............................................................... 27
2.3.3 Lưu chất của máy phát điện AC MHD ........................................................ 28
2.3.4 Công suất trong máy phát AC MHD ........................................................... 31
2.4 Chu trình hơi nước Rankine ................................................................................ 34
2.4.1 Mơ tả ............................................................................................................ 34
2.4.2 Các phương trình .......................................................................................... 37
2.5 Chu trình Brayton ................................................................................................. 38
Chƣơng 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN AC MHD KẾT HỢP
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .................................................................................. 41
3.1 Xây dựng chu trình LMMHD dùng năng lượng mặt trời .................................... 41
3.2 Các ký hiệu trong chu trình .................................................................................. 42
3.3 Phân tích các khối trong chu trình ....................................................................... 43
3.3.1 Phân tích bộ thu năng lượng mặt trời .......................................................... 43
3.3.2 Phân tích bộ trộn .......................................................................................... 43
3.3.3 Phân tích phát phát AC MHD sử dụng kim loại lỏng NaK ......................... 44
3.3.4 Phân tích bộ tách .......................................................................................... 45
3.3.5 Phân tích bơm áp suất .................................................................................. 46
3.3.6 Phân tích bơm điện từ .................................................................................. 46
3.3.7 Phân tích tuabin hơi...................................................................................... 46
3.3.8 Phân tích nhiệt lượng .................................................................................. 47
3.3.9 Phân tích Entropy ......................................................................................... 47

3.3.10 Hiệu suất của chu trình LMMHD sử dụng NLMT .................................... 48

HVTH: Trần Thành Niệm

viii

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Chƣơng 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN AC MHD KẾT HỢP
NĂNG LƢỢNG ĐỊA NHIỆT .................................................................................. 50
4.1 Mô hình nhà máy địa nhiệt truyền thống ............................................................. 50
4.1.1 Phân tích các khối trong mơ hình địa nhiệt truyền thống ............................ 51
4.1.1.1 Máy tách kiểu xoáy ................................................................................ 51
4.1.1.2 Tháp giải nhiệt........................................................................................ 51
4.1.1.3 Bộ ngưng tụ ............................................................................................ 52
4.1.2 Tính tốn hiệu suất hệ thống dựa trên chu trình năng lượng Rankine ......... 52
4.2 Mơ hình nhà máy địa nhiệt sử dụng máy phát điện AC MHD ............................ 54
4.2.1 Phân tích các khối trong chu trình LM MHD .............................................. 56
4.2.2 Tính tốn hiệu suất của chu trình LM MHD ................................................ 56
4.2.2.1 Phân tích nhiệt lượng trong chu trình LM MHD ................................... 56
4.2.2.2 Phân tích Entropy ................................................................................... 56
4.2.3 Hiệu suất của hệ thống ................................................................................. 58
Chƣơng 5: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ CỦA CÁC CHU
TRÌNH ....................................................................................................................... 59
5.1 Đối với mơ hình AC MHD kết hợp năng lượng mặt trời .................................... 59
5.1.1 Bài tốn ....................................................................................................... 59
5.1.1.1 Dữ liệu tính tốn................................................................................... 59

5.1.1.2 Kết quả tính tốn .................................................................................. 60
5.1.1.2.1 Thơng số các nút .......................................................................... 60
5.1.1.2.2 Hiệu suất của chu trình................................................................. 60
5.1.1.2.3 Đồ thị T-S ..................................................................................... 61
5.1.2 So sánh với các kết quả được công bố ......................................................... 62
5.2 Đối với mơ hình AC MHD kết hợp năng lượng địa nhiệt ................................... 62
5.2.1 Mô phỏng máy phát AC MHD bằng phương pháp giải tích........................ 62
5.2.2 Tính tốn, mơ phỏng các thơng số của chu trình AC MHD – địa nhiệt ...... 66

HVTH: Trần Thành Niệm

ix

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

5.3 So sánh kinh tế ..................................................................................................... 68
Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................... 71
6.1 Phân tích, nhâ ̣n đinh
̣ về kế t quả đa ̣t đươ ̣c ........................................................... 71
6.1 Kết luận ................................................................................................................ 72
6.2 Hướng phát triển của đề tài .................................................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 74
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 77

HVTH: Trần Thành Niệm

x

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VÀ KÍ HIỆU KHOA HỌC
Các chữ viết tắt
MHD: Magneto Hydro Dynamic (Máy phát từ thủy động lực)
AC MHD: Alternating Current Magneto Hydro Dynamic (Máy phát từ thủy động lực
xoay chiều)
DC MHD: Direct CurrentMagneto Hydro Dynamic (Máy phát từ thủy động lực một
chiều)
LM MHD: Liquid Metal Magneto Hydro Dynamic (Máy phát từ thủy động sử dụng
lưu chất làm việc là kim loại lỏng)
PGS.TS: Phó giáo sư tiến sĩ
TSKH: Tiến sĩ khoa học
GS: Giáo sư
CCOP: Coordinating Committee for Geoscience Programmes (Hiệp hội Thăm dị
khống sản ngồi khơi Đông Nam châu Á)
EMF: Electromotive force(Sức điện động)
DC: Direct Current (Một chiều)
NLMT: Năng lượng mặt trời.
SCOT: Solar concentration off-tower (Tập trung năng lượng mặt trời ngoài tháp).
Ký hiệu
Bộ thu năng lƣợng mặt trời
ηrec: Hiệu suất thu
K(r): Thông lượng ánh sáng
r: Tọa độ xuyên tâm mặt phẳng mục tiêu

Trec: Nhiệt độ thu

HVTH: Trần Thành Niệm

xi

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

ε: Hằng số Stefan- Bolzmann
R: Bán kính hội tụ
p: Tỷ lệ lưu lượng
C: Nhiệt dung riêng
Chu trình Rankine
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 q trình dãn nở

(tuabin), khơng thứ ngun
h1 , h2 , h3 , h4 là Các "enthalpies riêng biệt" tại các điểm trên sơ đồ T-s

h4 s là "entanpy cụ thể" cuối cùng của chất lỏng nếu tuabin là đẳng entropy

p1 , p2 là áp suất trước và sau quá trình nén

QH là nhiệt lượng thu được qua bộ trao đổi nhiệt với nguồn nước nóng địa nhiệt.
QL là nhiệt lượng thải ra từ bộ ngưng tụ.
WP là công của bơm nén.
WT là công sinh ra (điện năng)
Wnet là năng lượng hệ thống sinh ra
T1, T2, T3, T4 là nhiệt độ tại các nút trong chu trình Rankine
là hệ số nhiệt độ ra vào tuabin
là tỉ số nén
Máy phát điện MHD

F là lực tác động lên các hạt

HVTH: Trần Thành Niệm

xii

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Q là điện tích của hạt

u là vận tốc của hạt


B là mật độ từ thông

J là mật độ dòng điện

E là điện trường
σ là độ dẫn điện của chất lỏng làm việc
P là mật độ công suất
K là hệ số tải
 e là hiệu suất

Máy phát điện AC MHD
σlà độ dẫn điện
Uf là vận tốc của kim loại lỏng
Us là vận tốc của từ trường
μ là độ thẩm thấu
E là cường độ điện trường
H là cường độ từ trường
B là mật độ từ thông
Bm là biên độ đỉnh của từ trường do dịng kích từ gây ra
J là mật độ dòng điện
A là vector điện từ
Am là biên độ đỉnh của thế vector
là chiều dài sóng
f là tần số
ω là vận tốc góc
D là độ dịch chuyển dịng điện
Γ là bề mặt chất lỏng

HVTH: Trần Thành Niệm

xiii

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

H * là cường độ từ trường phức
P là công suất tác dụng
Q là công suất phản kháng
c là chiều cao của kênh MHD
Re là phần thực
Im là phần ảo
Pm là công suất điện
Pd là tổn hao công suất
s là hệ số trượt
là hiệu suất
P4’ là áp suất hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu ra của AC MHD
P3’ là áp suất hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu vào của AC MHD
là hiệu suất điện của máy phát AC MHD
là hiệu suất của máy phát AC MHD
là hệ số chất khí
là tổn thất nhiệt lượng trên máy phát AC MHD
T3’ là nhiệt độ hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu vào của AC MHD
T4’ là nhiệt độ hỗn hợp hơi và kim loại lỏng đầu ra của AC MHD
P5’ là áp suất hơi sau khi ra khỏi máy tách
P5’’ là áp suất kim loại lỏng sau khi ra khỏi máy tách
Ptach là áp suất tạo ra bởi máy tách
T5’ là nhiệt độ hơi sau khi ra khỏi máy tách

T5’’là nhiệt độ kim loại lỏng sau khi ra khỏi máy tách
là tổn hao nhiệt độ của bộ tách
P2’ là áp suất khí sau khi qua bơm
P1’ là áp suất khí sau khi qua bộ trao đổi nhiệt 2

HVTH: Trần Thành Niệm

xiv

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

là tỉ số nén của bơm
T2’ là nhiệt độ khí sau khi qua bơm
T1’ là nhiệt độ khí sau khi qua bộ trao đổi nhiệt 2
là tỉ số nhiệt độ vào ra của máy bơm
,

,

,

,

,

là các tỉ số nén

là tỉ số nhiệt độ vào ra của máy bơm
G là lưu lượng kim loại lỏng qua máy phát AC MHD
Cp: Nhiệt dung riêng của kim loại lỏng
Tref là nhiệt độ môi trường
Pref là áp suất môi trường

HVTH: Trần Thành Niệm

xv

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 5.1. Dữ liệu tính tốn cho mơ hình máy phát AC MHD kết hợp NLMT ........ 59
Bảng 5.2. Kết quả tính tốn với T3=20000K chu trình MHD hỗn hợp ..................... 60
Bảng 5.3. Dữ liệu tính tốn cho mơ hình máy phát AC MHD kết hợp NLĐN ......... 63
Bảng 5.4. Dữ liệu đầu vào 1 ...................................................................................... 63
Bảng 5.5. Dữ liệu đầu vào 2 ...................................................................................... 64
Bảng 5.6. Dữ liệu đầu vào 3 ...................................................................................... 64
Bảng 5.7. Dữ liệu đầu vào của máy phát AC MHD sử dụng trong mơ hình ............ 66
Bảng 5.8. Dữ liệu tính tốn của chu trình AC MHD – Địa nhiệt .............................. 67
Bảng 6.1. Bảng so sánh kết quả về hiệu suất đối với mơ hình máy phát điện AC MHD kết
hợp năng lượng mặt trời ............................................................................................. 71

Bảng 6.2. Bảng so sánh kết quả về hiệu suất đối với mơ hình máy phát điện AC MHD kết
hợp năng lượng địa nhiệt............................................................................................ 72

HVTH: Trần Thành Niệm

xvi

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 2015 và 2020 ........................... 01
Hình 2.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển ............. 09
Hình 2.2: Các mơ hình khai thác năng lượng mặt trời .............................................. 10
Hình 2.3: Sơ đồ nhà máy SCOT ................................................................................ 12
Hình 2.4: Bộ tập trung khơng đối xứng ..................................................................... 13
Hình 2.5 Cấu tạo và nhiệt độ từng lớp vỏ Trái Đất ................................................... 15
Hình 2.6 Quá trình hình thành địa nhiệt từ sự di chuyển của các mảng vỏ trái đất 16
Hình 2.7 Các dạng biểu hiện của nguồn năng lượng địa nhiệt trên mặt đất ............. 17
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy địa nhiệt điện ........................... 19
Hình 2.9 Hệ thống Dry Steam .................................................................................. 20
Hình 2.10 Hệ thống Flash Steam ............................................................................... 21
Hình 2.11 Hệ thống Binary Cycle ............................................................................. 22
Hình 2.12 Hệ thống Combined Cycle ....................................................................... 23

Hình 2.13. Lực Lorentz ............................................................................................. 24
Hình 2.14. Nguyên lý máy phát MHD ...................................................................... 25
Hình 2.15. So sánh hoạt động máy phát điện từ thủy động lực học (B) với máy phát
diện tuabin truyền thống (A) ..................................................................................... 26
Hình 2.16. Máy phát dạng đĩa ................................................................................... 28
Hình 2.17. Lưu chất làm việc trong phát điện MHD ................................................ 28
Hình 2.18 Kim loại lỏng NaK ở nhiệt độ phịng ....................................................... 29
Hình 2.19 Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON ........................... 30
Hình 2.20. Nhà máy điện hơi nước đơn giản hoạt động theo chu trình Rankine ...... 35
Hình 2.21 Chu trình Brayton lý tưởng ...................................................................... 39
Hình 3.1: Chu trình phát điện LMMHD dùng NLMT .............................................. 42

HVTH: Trần Thành Niệm

xvii

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Hình 3.2: Nguyên lý của bộ trộn ............................................................................... 44
Hình 3.3: Nguyên lý của bộ tách ............................................................................... 45
Hình 3.4: Chu trình phát điện LMMHD dùng nhiệt thải .......................................... 49
Hình 4.1. Mơ hình địa nhiệt truyền thống ................................................................. 50
Hình 4.2. Máy tách kiểu xốy ................................................................................... 51
Hình 4.3. Tháp giải nhiệt ........................................................................................... 51
Hình 4.4. Bình ngưng ................................................................................................ 52
Hình 4.5. Sơ đồ đơn giản của chu trình tuabin hơi nước .......................................... 53
Hình 4.6. Mơ hình nhà máy địa nhiệt điện kết hợp máy phát điện AC MHD .......... 55

Hình 5.1: Kết quả phân tích chu trình MHD- tuabin khí với T3=20000K ................. 61
Hình 5.2: Đồ thị T-S với T3=20000K của chu trình MHD hỗn hợp ......................... 61
Hình 5.3. Dạng sóng dịng điện trong các trường hợp đang xét................................ 65
Hình 5.4. Dạng sóng dịng điện của máy phát AC MHD được chọn so với các trường
hợp khác ..................................................................................................................... 66
Hình 5.5. Đồ thị T – s của chu trình địa nhiệt – AC MHD ....................................... 67

HVTH: Trần Thành Niệm

xviii

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề:
Khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu đang là những mối quan tâm lớn
nhất của cả thế giới hiện nay về tương lai của trái đất và loài người. Các chuyên gia
vừa đưa ra lời cảnh báo thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng khủng hoảng thiếu năng
lượng trong vịng vài năm tới, vì tốc độ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế
giới diễn ra nhanh hơn dự đoán. Theo các chuyên gia, sớm hay muộn thế giới cũng
phải đối mặt với sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ, nên cần từ bỏ sự phụ thuộc vào nguồn năng
lượng này càng sớm càng tốt, khi mà tất cả hệ thống kinh tế - xã hội đều phụ thuộc vào
dầu, trong khi việc thay đổi nhiên liệu đòi hỏi nhiều thời gian và tiền của.

Hình 1.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 2015 và 2020

(Chú thích: Con số trên trục bên trái chỉ lượng điện tổng cộng/ năm,
tính bằng đơn vị TWh; 1TWh = 1012 Wh =1Tỉ KWh) [2]

HVTH: Trần Thành Niệm

1

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Theo biểu đồ trên, đến năm 2020, mức chênh lệch giữa cung và cầu điện năng
sẽ là: 159,8 TWh và 270,8 TWh. Như vậy, cùng với sự tăng trưởng GDP, khoảng cách
giữa cung và cầu điện năng càng lớn, càng gay gắt, nếu khơng có một sự thay đổi căn
bản cấu trúc các thành phần điện năng, hay nói cách khác chưa có một nguồn điện
năng nào có thể thay thế.
Giải pháp được đưa ra là nhập khẩu năng lượng, đây là một giải pháp hiện thực,
đang được khai thác và sẽ đẩy mạnh hơn trong tương lai. Chúng ta đang nói đến nhập
khẩu điện từ các nước láng giềng như Lào, Trung Quốc, Campuchia . . .
Tiếp theo là giải pháp tiết kiệm năng lượng, đây là giải pháp chung của mọi
quốc gia. Đối với các nước đang phát triển, như Việt Nam, càng có ý nghĩa đặc biệt.
Tuy vậy, chính sách tiết kiệm năng lượng cũng chỉ góp phần giảm bớt chứ khơng thể
giải quyết căn bản tình trạng mất cân bằng gay gắt cung cầu điện năng.
Nhu cầ u sử dụng năng lượng tăng lên theo sự phát triển xã hô ̣i, tuy nhiên việc sử
dụng năng lượng quá mức, không khoa học, trái với các nguyên tắc về bảo vệ môi
trường làm kéo theo nhiều hệ quả nghiêm trọng như: cạn kiệt nguồn năng lượng hóa
thạch, sự tăng lên của khí nhà kính (CO2,…) làm Trái Đất nóng lên, các sự cố từ các lị
hạt nhân… đe dọa sự sống trên Trái Đất. Con người hiện đã có ý thức sử dụng các nguồn
năng lượng tái tạo từ thiên nhiên để bảo vệ môi trường sinh thái. Năng lượng địa nhiệt và

nhiệt mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo sạch và bền vững.
Bên cạnh đó việc tìm ra các cơng nghệ phát điện mới vừa đơn giản vừa hiệu quả
đang được đầu tư phát triển. Máy phát từ thủy động lực học đáp ứng được các yêu cầu
này. Một khởi xướng của Hannes Alfvén về hệ thống phát điện từ thủy động lực đã
nhận được giải thưởng Nobel vật lý năm 1970. Đây là một thiết bị tạo ra điện bằng sự
tương tác của một chất lỏng dẫn điện chuyển động và từ trường. Máy phát MHD có thể
chuyển đổi năng lượng nhiệt trực tiếp thành điện mà khơng có thành phần chuyển
động. Do đó, tổn thất năng lượng giảm và hiệu suất phát điện cao. Khi kết hợp kiểu
phát điện này với các chu trình kín thì hiệu suất sẽ được nâng cao.

HVTH: Trần Thành Niệm

2

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Trước đây người ta phải đốt than hay sử dụng nguồn nhiệt từ phản ứng hạt nhân
để ion hóa chất khí làm nhiên liệu cho máy phát từ thủy động lực học phát điện. Hiện
nay công nghệ khoa học phát triển cao nên ta có thể sử dụng thêm các dạng nhiên liệu
khác cho máy phát điện từ thủy động lực học như kim loại lỏng, nước muối… Nguồn
nhiệt cho hoạt động phát điện có thể thu từ năng lượng địa nhiệt, nhiệt mặt trời. Ngày
nay do công nghệ vật liệu phát triển nên chúng ta có thể tập trung năng lượng nhiệt mặt
trời ở nhiệt độ khá cao khoảng 25000K [1]. Việc kết hợp máy phát điện từ thủy động
lực học với năng lượng địa nhiệt và nhiệt mặt trời hứa hẹn sẽ đem lại nguồn điện sạch
cho cuộc sống lâu dài, hướng tới tương lai. Máy phát điện MHD có thể kết hợp với nhà
máy địa nhiệt điện hoặc nhà máy điện năng lượng mặt trời để phát điện.
Máy phát điện MHD có khả năng tạo ra dịng điện một chiều và xoay chiều.

Trong đó điện xoay chiều có tầm quan trọng rất lớn trong đời sống cũng như trong sản
xuất và được sử dụng cho hầu hết các thiết bị điện. Khi sử dụng máy phát điện DC
MHD ta cần phải có một bộ chuyển đổi để đổi điện một chiều thành điện xoay chiều
rồi hòa vào lưới điện. Điều này sẽ gây ra tổn hao năng lượng trong quá trình biến đổi
và gây ra các hài bậc cao làm hư hỏng các thiết bị điện. Hơn nữa giá thành của bộ
chuyển đổi khá đắt.
Vì các lý do trên, học viên đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu về máy phát
điện MHD kết hợp với nguồn năng lượng địa nhiệt và nhiệt mặt trời để nâng cao hiệu
suất phát điện. Loại máy phát điện được sử dụng trong đề tài này là loại máy phát điện
dạng đĩa AC MHD sử dụng kim loại lỏng vì sẽ cho hiệu suất phát điện cao hơn các
máy phát điện DC MHD có dạng hình ống sử dụng khí ion hóa. Do đặc điểm cấu tạo
máy phát điện đĩa sẽ tạo ra mật độ từ thông cao hơn máy phát điện hình ống và kim
loại lỏng có độ dẫn điện cao hơn khí ion hóa.

HVTH: Trần Thành Niệm

3

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

1.2 . Mục đích nghiên cứu:
- Phân tích cấu trúc, hiệu suất và tính kinh tế của chu trình phát điện của máy
phát AC MHD dùng kim loại lỏng (Liquid metal) để phát điện sử dụng nguồn
nhiệt từ tập trung năng lượng mặt trời.
- Phân tích cấu trúc, hiệu suất và tính kinh tế của chu trình phát điện của máy
phát AC MHD dùng kim loại lỏng (Liquid metal) để phát điện sử dụng nguồn
nhiệt từ năng lượng địa nhiệt.

- Đưa ra kết luận về tính hiệu quả khi sử dụng hai mơ hình trên.
1.3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:
 Phạm vi nghiên cứu:
- Tìm hiểu nguồn năng lượng địa nhiệt, nhiệt mặt trời và mơ hình các nhà máy
điện sử dụng các nguồn năng lượng này.
- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về MHD.
- Khảo sát hệ thống điện năng lượng mặt trời truyền thống và mơ hình kết hợp
máy phát điện AC MHD với năng lượng mặt trời.
- Khảo sát hệ thống địa nhiệt điện truyền thống và mơ hình kết hợp máy phát
điện AC MHD với năng lượng địa nhiệt.
- Tính tốn về hiệu quả kinh tế đối với hai mơ hình phát điện kết hợp trên.
 Giới hạn nghiên cứu:
- Không phân tích sâu cấu tạo của các loại máy phát điện MHD.
- Khơng phân tích sâu hệ thống nhiệt mặt trời và địa nhiệt điện.
- Khơng phân tích lưu chất làm việc của máy phát điện đĩa AC MHD.
- Khơng có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu phân tích dựa trên quá trình
nhiệt động học.
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Đọc, nghiên cứu các tài liệu liên quan.

HVTH: Trần Thành Niệm

4

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

- Kế thừa , áp dụng có chọn lọc các sản phẩm khoa học và cơng nghệ hiện có

trong nước và trên thế giới.
- Do khơng có điều kiện thực nghiệm nên người viết chỉ nghiên cứu cấu trúc,
mô phỏng, phân tích q trình cân bằng nhiệt dựa trên các mơ hình tốn học rồi rút ra
kết luận.
- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa các
thông số trong sơ đồ phân tích.
1.5. Kết quả dự kiến:
Với mơ hình đề xuất máy phát điện AC MHD kết hợp với nhiệt mặt trời sẽ cho hiệu
suất phát điện cũng như hiệu quả kinh tế cao hơn mơ hình đề xuất máy phát điện AC
MHD kết hợp với năng lượng địa nhiệt.
1.6. Bố cục:
Luận văn gồm 6 chương:
Chương 1: Tổng quan:
Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, một số
nghiên cứu đã được thực hiện, tính khả thi của nguồn năng lượng mặt trời, địa nhiệt và
khả năng kết hợp với máy phát điện MHD, mục đích, phạm vi, giới hạn, phương pháp
và bố cục của luận văn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết:
Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, chu
trình Rankine và máy phát điện MHD.
Chương 3: Xây dựng mơ hình máy phát điện AC MHD kết hợp năng lượng mặt trời:
Trình bày mơ hình năng lượng mặt trời truyền thống và mơ hình kết hợp máy phát
điện AC MHD với năng lượng mặt trời.
Chương 4: Xây dựng mơ hình máy phát điện AC MHD kết hợp năng lượng địa
nhiệt:

HVTH: Trần Thành Niệm

5

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Trình bày mơ hình năng lượng địa nhiệt truyền thống và mơ hình kết hợp máy phát
điện AC MHD với năng lượng địa nhiệt.
Chương 5: Tính tốn và mơ phỏng các thơng số của các chu trình:
Tính tốn hiệu suất và kinh tế các mơ hình kết hợp máy phát AC MHD với năng
lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt ra các thông số cụ thể, mô phỏng thông số của
các khối, đồ thị mối quan hệ thông số, so sánh kết quả.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài:
Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

HVTH: Trần Thành Niệm

6

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp khai thác, sử dụng:
2.1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời:
a. Năng lƣợng mặt trời:
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một năng lượng khổng lồ. Mỗi giây

nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá
tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá [1].
Đối với Việt Nam, dù nằm trong bản đồ các nước có bức xạ mặt trời nhiều nhất
thế giới nhưng mãi đến năm 2014, Việt Nam mới có dự án điện mặt trời nối lưới điện
đầu tiên. Từ đó đến nay, ơng Trần Văn Bình, thành viên Hội đồng Năng lượng tái tạo
châu Âu, quan sát thấy bộ phận trách nhiệm về xây dựng phát triển năng lượng của
Việt Nam như Tập đồn Điện lực Việt Nam (EVN), Bộ Cơng Thương và một số quan
chức chính phủ đã bắt đầu thay đổi tư duy, đánh giá tầm quan trọng của năng lượng tái
tạo. Bằng chứng là năm 2016, Quy hoạch Điện VII đã được điều chỉnh.
Theo đó, Việt Nam đặt kế hoạch khai thác điện mặt trời đến năm 2020 đạt
850MW và nâng lên 4.000MW vào năm 2025. Việt Nam cũng dự tính chi 74 tỉ USD
để đầu tư, khai thác nguồn năng lượng xanh và sạch từ gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng
biển…, trong đó năng lượng mặt trời sẽ chiếm tỉ trọng lớn.
b. Phổ bức xạ mặt trời:
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động
điện từ trường trong khơng gian. Trong q trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện
trường và cường độ từ trường ln ln vng góc với nhau và vng góc với phương

HVTH: Trần Thành Niệm

7

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ
dao động điện từ được gọi là bước sóng .

c. Đặc điểm bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất:
Ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:
- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt
trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.
- Bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia
mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ, . . .
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc
vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ khơng có
hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời. Tổng hai thành phần
bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ mặt trời hướng
về quả đất [1].
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua
lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của
tia trong lớp khí quyển. Độ dài này lại phụ thuộc vào độ cao của mặt trời . . . Ví dụ,
khi mặt trời ở điểm Zenith ( ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp
khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất. Cịn ở các điểm “chân
trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất [1].

HVTH: Trần Thành Niệm

8

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Hình 2.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển [1]
2.1.2 Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng:

Năng lươ ̣ng mă ̣t trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụ ng
từ rấ t sớm , nhưng ứng du ̣ng NLMT vào các công nghê ̣ sản xuấ t và trên quy mơ rơ ̣ng
thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ

18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT ,

những vùng sa ma ̣c . Từ sau các cuô ̣c khủng hoảng năng lươ ̣ ng thế giới năm 1968 và
1973, NLMT càng đươ ̣c đă ̣c biê ̣t quan tâm . Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên
phong trong viê ̣c nghiên cứu ứng du ̣ng NLMT . Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện
nay bao gồ m các liñ h vực chủ yế u sau :

HVTH: Trần Thành Niệm

9

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

Hình 2.2: Các mơ hình khai thác năng lượng mặt trời [15]
a. Ao năng lƣợng mặt trời (Solar pond) : Ao năng lượng mặt trời rộng, nước nông,
thường được đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen. Nhiệt độ dưới
đáy ao có thể lên đến 1000C [15] trong khi nước trên bề mặt vẫn giữ ở nhiệt độ khơng
khí. Ao có ba lớp nước chính. Từ trên xuống dưới, lớp trên được gọi là vùng bề mặt,
vùng chênh lệch và vùng lưu trữ. Hàm lượng muối trong ao tăng từ trên xuống dưới.
Nước trong vùng lưu trữ là rất mặn. Nước nóng trong vùng lưu trữ được dẫn đường
ống đến một nồi hơi, nơi nó được làm nóng hơn nữa để tạo ra hơi nước, đưa đến đĩa
của tuabin.
b. Hệ thống pin quang điện (Photovoltaic system): Pin mặt trời là phương pháp sản

xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời
có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong
lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với
tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin

HVTH: Trần Thành Niệm

10

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên


Luận văn

mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần
nguồn năng lượng truyền thống.
c. Ống khói mặt trời (Solar chimney): Hệ thống nhiệt điện này giống như một nhà
kính khổng lồ, các hệ thống gương phản xạ bức xạ mặt trời đốt nóng phần khơng khí
bên dưới tháp tạo thành một dịng khí nóng tuần hồn từ dưới lên. Trên đường đi của
dịng khí người ta đặt các tuabin để phát điện.
d. Máng Parabol (Parabolic through): để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống
môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C [15].
e. Tháp mặt trời (Solar tower): sử dụng gương phản xạ định vị theo phương mặt trời
để tập trung bức xạ mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới
15000C [15]. Nhiệt độ này dùng để đốt nóng mơi chất quay tua bin khí.
f. Đĩa Parabol (Parabolic dish): sử dụng các đĩa Parabol hội tụ bức xạ mặt trời vào
một điểm để gia nhiệt môi chất làm quay máy phát điện. Nhiệt độ tại điểm hội tụ rất
cao có thể đạt tới 35000C [15]. Hệ thống này cũng thường kết hợp với động cơ nhiệt
(động cơ Stirling).
Ngoài ra nhiệt lượng thu được từ việc tập trung bức xạ mặt trời cịn được sử dụng với

các mục đích dân dụng như:
- Bếp nấu ăn dùng NLMT.
- Hệ thống nước nóng dùng NLMT.
- Hệ thống sấy dùng NLMT.
- Hệ thống chưng cất nước dùng NLMT.
- Động cơ Stirling dùng NLMT.
- Thiết bị làm lạnh dùng NLMT.
2.1.3. Tập trung năng lƣợng mặt trời hiệu suất cao:
a. Bộ tập trung năng lƣợng mặt trời:
Bộ thu năng lượng mặt trời chính là một trường định nhật với một tháp trung
tâm. Các thiết kế của một trường định nhật là một quá trình phức tạp, trong đó có nhiều

HVTH: Trần Thành Niệm

11

GVHD: PGS.TS. Lê Chí Kiên