Dân số huyện Thuận Nam tính đến năm β012 là 54.768 ngư i
Theo quy định c a tập đoàn điện lực Việt Nam EVN trung bình mỗi hộgia đình sử dụng 300 KWh mỗi tháng, mỗi hộdân trung bình là 4 ngư i, trong một tháng trung bình lượng điện năng tiêu thụ cho sinh ho t t i huyện Thuận Nam là 5,705 MW. Do đó để phục vụ nhu cầu sử dụng điện trung bình c a ngư i dân t i huyện Thuận Nam, ta chọn công suất lắp đặt nhà máy là 6 MW.
Lựa chọn tua bin hơi ngưng tụ với các thông số sau: - Công suất tuabin: 6 MW
- Tốc độ: 3000 vòng/phút
- Áp suất hơi trước khi vào tuabin: 3.43 Mpa - Nhiệt độhơi trước khi vào tuabin: 435 oC - Áp suất hơi sau khi ra khỏi tuabin: 0.2 Mpa
36
4.2.3. Tính toán lượng hơi cần thiết để cung cấp cho tuabin Sơ đồ nguyên lý của chu trình Rankine
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý chu trình Rankine
1-2 : quá trình giãn n đo n nhiệt trong Tuabin s1 = s2 sinh công wT
2-γ μ quá trình ngưng hơi → lỏng sôi đẳng áp trong bình ngưng → th i nhiệt q2 p2 = p3 = ps, T2 = T3 = Ts
3-γ’ μ quá trình nén nước từ áp suất pβ → p1 dùng bơm, p3 = p2, pγ’= p1, s3 = sγ’ nhận công wp
γ’-1 : quá trình gia nhiệt đẳng áp trong lò hơi pγ’= p1 nhận nhiệt q1
Theo thông số của tuabin ta có:
- Áp suất hơi trước khi vào tuabin: P1= 3.43 Mpa - Nhiệt độhơi trước khi vào tuabin: t1 = 435 oC - Áp suất hơi sau khi ra khỏi tuabin: P2 = 0.2 Mpa Tra b ng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất ta được
T1s = 241.4oC, mà t1 = 435 oC > T1s nên tr ng thái 1 là tr ng thái hơi quá nhiệt . Do đó tra b ng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ng với P1= 3.43 Mpa và t1 = 435 oC, ta được:
37
- s1= 6.95272 kJ/kg.K (4.2)
s1 = s2 = 6.95272 kJ/kg.K (4.3)
Với P2 = 0.2 Mpa, tra b ng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất ta có:
- sβ’ = 1.530098 kJ/kg.K (4.4)
- sβ’’ = 7.12685 kJ/kg.K (4.5)
- iβ’ = 504.6838 kJ/kg (4.6)
- iβ’’ = 2706.2413 kJ/kg (4.7)
Do sβ’< s2 < sβ’’ nên tr ng thái 2 là tr ng thái hơi bão hòa ẩm Tính độ khô x2 = s2 −s2′ s2′′ −s2′ = 6.95272−1.530098 7.12685−1.530098 = 0.969 (4.8) x2 = i2 −i2′ i2′′ −i2′ (4.9) Do đó 2 = 1− 2 . 2′ + 2. 2′′ (4.10) = 1−0.969 ∗504.6838 + 0.969∗2706.2413 = 2637.99 kJ/kg
Vậy suất tiêu hao hơi (lượng hơi để s n xuất 1kwh điện) là:
= 3000
1 − 2
= 3000
3304−2637.99= 4.504 (4.11)
Với công suất tuabin là 6 MW, ta có lượng hơi di chuyển trong chu trình trong một gi là:
38 4.3. Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời dùng gương parapol
trụ, dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt
4.3.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy
Điện năng t o ra từ năng lượng mặt tr i dựa trên nguyên tắc t o nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương ph n chiếu và hội tụđể gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện.
Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia b c x mặt tr i vào một ống môi chất đặt dọc theo đư ng hội tụ c a bộ thu.
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt trời sử dụng máng parapol trụ
Hình 4.2 là sơ đồ nguyên lý c a hệ thống nhiệt nhà máy nhiệt điện mặt tr i. Bộ thu năng lượng mặt tr i gồm hệ thống collector trụ tập trung năng lượng b c x mặt tr i và hội tụ trên đư ng ống hấp thụ làm bằng thép không rĩ chịu nhiệt, bên ngoài có bọc một ống th y tinh để t o lồng kính và giữa 2 lớp được hút chân không nhằm h n chế tổn thất nhiệt. Trong ống hấp thụ có ch a chất lỏng t i nhiệt là dầu tổng hợp được nung nóng đến nhiệt độ 400oC. Hệ thống trữ nhiệt gồm các bình
39
ch a các chất giữ nhiệt trung gian là hỗn hợp muối NaNO3 và KNO3 với khối lượng đ để cấp nhiệt cho hệ thống vào ban đêm. Nhiệt lượng dầu t i nhiệt được cấp cho các thiết bị c a nhà máy như lò hơi, bộ quá nhiệt, các bộ gia nhiệt cao áp. Chu trình nhiệt c a hơi nước trong lò hơi và tua bin hoàn toàn giống như trong nhà máy nhiệt điện bình thư ng.
Hệ thống máng parapol được điều khiển quay luôn luôn hướng về phía mặt tr i sao cho các tia nắng luôn chiếu vuông góc với mặt thu, do đó toàn bộ ánh sáng mặt tr i sẽ ph n x , tập trung t i tiêu điểm F c a parapol
Hình 4.3. Collector parapol trụ
4.3.2. Năng lượng hóa hơi một lít nước
Năng lượng hóa hơi một lít nước là năng lượng cần thiết để làm một lít nước hóa hơi hoàn toàn từ nhiệt độ ban đầu. Năng lượng đó bao gồm nhiệt lượng làm nước sôi cộng với nhiệt lượng làm hóa hơi hoàn toàn lượng nước đã sôi đó (nhiệt hóa hơi). Đối với nước, nhiệt hóa hơi L = 2.3*106 J/kg
Vậy để làm hóa hơi hoàn toàn 1 lit nước có nhiệt độ ban đầu là 50 oCta cần cung cấp một lượng nhiệt là:
40
= . .∆ + = 1.4200.50 + 2.3∗106 = 2.51 ( �) (4.13) Trong đóμ
- Qμ Năng lượng cần thiết làm hóa hơi 1 kg nước - m: khối lượng nước
- c: nhiệt dung riêng c a nước - tμ độ biến thiên nhiệt độ - L: nhiệt hóa hơi c a nước
Vậy năng lượng cần thiết làm hóa hơi 1 lít nước là: 2.51 MJ (4.14)
4.3.3. Thông số, thành phần của bộ thu
Sử dụng bộ thu với dầu truyền nhiệt có các thông số sau: - Khối lượng riêng: 0.875 kg/lít
- Nhiệt dung riêng: 1.86 kJ/kg.K - Nhiệt độ sôi: 387o
C
Sử dụng hệ thống gương ph n x parapol trụ có hệ số ph n x là R=0.95 Sử dụng ống dẫn dầu bằng đồng có bề dày βmm, đư ng kính là d.
Với cư ng độ b c x năng lượng mặt tr i trung bình t i huyện Thuận Nam là: 7.31 kWh/m2/ngày, tương đương β6.β8 MJ/m2/ngày
Vậy trong 1 gi cư ng độ b c x mặt tr i trung bình chiếu tới bề mặt gương ph n x một lượng năng lượng là:
W=1.095 MJ/m2 (4.15)
Toàn bộ năng lượng này sẽ hội tụ về tiêu điểm F c a gương, nơi ta đặt ống dẫn dầu truyền nhiệt.
Xét gương parapol trụ làm từ vật liệu ph n x có chiều 2 m, chiều rộng 1m, có thể hấp thụ một năng lượng b c x mặt tr i trong 1 gi là:
41
Toàn bộnăng lượng này sẽđược tập trung về ống ch a dầu truyền nhiệt đặt t i tiêu điểm c a gương, hệ số ph n x c a gương là 0.λ5 nên năng lượng truyền tới tiêu điểm gương là:
W’ = 2.19 x 0.95 = 2.08 MJ (4.17)
Với W’=2.08 MJ, sẽ làm tăng nhiệt độ c a ống kim lo i, và nhiệt độ dầu truyền nhiệt ch a trong ống. Chọn ống kim lo i ch a dầu có đư ng kính d, bề dày 2mm. Phương trình cân bằng nhiệt là:
đô + â = ′ (4.18) Trong đó.
- Qđông: nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ ống đồng từ 100oC đến 380oC:
Qđông = mđông. Cđông. 280 = d2.π
4− d−0.004 2π
4 . 8890.390.280
- Qdâu: nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ dầu từ 100oC đến 380oC:
- Để đ m b o cho lượng dầu trong ống có thể dễ dàng di chuyển trong ống, ta chọn khối dầu có đư ng kính là d - 0.006 (m) Qdâu = mdâu. Cdâu. 280 = d−0.006 2π 4. 875.1860.280 Gi i phương trình (4.18) ta có: - d =7.4 cm - Qđông = 0.42 MJ (4.19) - Qdâu = 1.66 MJ (4.20) Vậy ta sử dụng ống dẫn dầu bằng đồng có bề dày 2 mm, đư ng kính là d = 7.4 cm Khối lượng dầu ch a trong ống dài 1m là:
mdau = d−0.006 2π
4. 875 = 3.177kg
Lượng dầu cần thiết trong ống dài 1m là:
=3.177
42
Vậy với hệ thống gương trên sẽ làm cho 3.63 lít dầu tăng nhiệt độ từ 100 C đến 380oC trong kho ng th i gian 1 gi .
Lượng dầu này sẽđược đưa tới lò hơi cung cấp năng lượng làm hóa hơi hơi nước. Theo (4.13) năng lượng cần cung cấp đểlàm hóa hơi 1 lít nước từ 50oC là: 2.51 MJ. Với hệ thống trên trong một gi sẽ truyền được một lượng nhiệt 1.66 MJ, do đó sẽ làm hóa hơi một lượng nước là:
=1.66
2.51 = 0.66
Vậy với lượng dầu trên sẽlàm hóa hơi được 0.66 lít nước. Lượng hơi tiêu thụ cần thiết cho tuabin là
= 27024 ( / )
Với hệ thống gương có chiều dài 1m như trên trong một gi làm hóa hơi được một lượng hơi nước là 0.66 lít, vì vậy để cung cấp đ lượng hơi nước làm cho tuabin quay trong 1 gi thì cần một hệ thống gương với chiều dài là
=27024
0.66 = 40945 m (4.22)
Vậy để cung cấp đ nhiệt, ta cần một hệ thống gương parapol có diện tích mặt h ng nắng có chiều dài 40945 m, chiều rộng 2m.
Tổng diện tích mặt h ng nắng là:
= 40945∗2 = 81890 m2
4.3.4. Hệ thống dự trữ nhiệt vào ban đêm
Để hệ thống nhà máy có thể ho t động vào ban đêm, chúng ta dùng bình ch a chất giữ nhiệt trung gian là hỗn hợp muối NaNO3 và KNO3, có các thông số sau:
- Thành phần muối: 60% NANO3 - 40% KNO3
- Khối lượng riêng: 1840 kg/m3 - Nhiệt dung riêng: 2.660 kJ/kg.K
43
- Nhiệt độ nóng ch y: 222oC - Nhiệt độ tối đaμ 550 oC
Theo (4.12), (4.13) ta có tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho hệ thống làm việc vào ban đêm (1β gi ) là:
= 27024∗12∗2.51 = 813962.88 �
Khối lượng hỗn hợp muối NaNO3 và KNO3 cần thiết để lưu trữ nhiệt tuân theo phương trình sauμ
= . .∆ Trong đóμ
- Q: Tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho hệ thống làm việc vào ban đêm - c: Nhiệt dung riêng c a hỗn hợp muối
- m: Khối lượng hỗn hợp muối cần thiết
- tμ Độ biến thiên nhiệt độ c a hỗn hợp muối nóng ch y (222 0C – 550 0C) Do đó ta xác định được khối lượng hỗn hợp muối cần thiết để dự trữ nhiệt vào ban đêm là: = 933 ( ấ ) Với thể tích là: =933000 1840 = 507 ( 3) Ta có thể lắp đặt các máng parapol trụnhư hình 4.4
44
Hình 4.4. Lắp đặt các máng parapol trụ
4.4. Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời dùng gương parapol trụ làm bộ thu, hỗn hợp muối nóng chảy làm dung môi truyền nhiệt.
Sử dụng hỗn hợp muối truyền nhiệt có các thông số sau: - Thành phần muối: 60% NANO3 - 40% KNO3
- Khối lượng riêng: 1840 kg/m3 - Nhiệt dung riêng: 2.660 kJ/kg.K - Nhiệt độ nóng ch y: 222oC - Nhiệt độ tối đaμ 550oC
Sử dụng hệ thống gương ph n x phẳng có hệ số ph n x là R=0.95
Với công nghệ này nguyên lý ho t động c a nhà máy hoàn toàn giống trên, chỉ khác nhau vềnăng lượng mặt tr i do bộ thu hấp thụđược.
Theo (4.17)
Ta có phương trình cân bằng nhiệt trong bộ thu là:
đô + ô = ′ (4.23)
Trong đó.
45
Qđông = mđông. Cđông. 280 = d2.π
4− d−0.004 2π
4 . 8890.390.328
- Qmuôi: nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ muối nóng ch y từ 222oC đến 550oC:
Qmuôi = mmuôi. Cmuôi. 328 = d−0.006 2π 4. 1840.2660.328 Gi i phương trình (4.23) ta có: - d = 4.4 cm - Qđông = 0.297 MJ - Qmuôi = 1.7825 MJ
Vậy ta sử dụng ống dẫn muối bằng đồng có bề dày 2 mm, đư ng kính là d = 4.4 cm Khối lượng muối ch a trong ống dài 1m là:
mmuoi = d−0.006 2π
4. 1840 = 2.087 kg Lượng muối nóng ch y ch a trong ống dài 1m là:
=2.087∗1000
1840 = 1.134 í (4.24)
Vậy với hệ thống gương trên sẽ làm cho 1.134 lít muối nóng ch y tăng nhiệt độ từ 222oC đến 550oC trong kho ng th i gian 1 gi .
Lượng muối nóng ch y này sẽđược đưa tới lò hơi cung cấp năng lượng làm hóa hơi hơi nước.
Với hệ thống trên trong một gi sẽ truyền được một lượng nhiệt 1.78β5 MJ, do đó sẽlàm hóa hơi một lượng nước là:
′ =1.7825
2.51 = 0.71
Lượng hơi tiêu thụ cần thiết cho tuabin là
= 27024 ( / )
Với hệ thống gương có chiều dài 1m như trên trong một gi làm hóa hơi được một lượng hơi nước là 0.71 lít, vì vậy để cung cấp đ lượng hơi nước làm cho tuabin quay trong 1 gi thì cần một hệ thống gương với chiều dài là
46
′ =27024
0.71 = 38062 m (4.25)
Tổng diện tích mặt h ng nắng là
′ = 38062∗2 = 76124 m2
Theo (4.24) và (4.25) ta có, tổng thể tích hỗn hợp muối nóng ch y ch a trong ống là:
Vmuôi tông = 38062 * 1.134 = 43162.308 lít (4.26) Tổng khối lượng hỗn hợp muối nóng ch y ch a trong ống
=43162.308∗1840
1000 = 79418.65 (4.27)
Với công nghệ này ta vẫn dùng hệ thống dự trữ nhiệt vào ban đêm với các thông số giống như hệ thống dùng dầu truyền nhiệt
4.5. So sánh công nghệ nhà máy nhiệt điện mặt trời dùng gương parapol trụ làm bộ thu, dùng dầu tổng hợp, hỗn hợp muối nóng chảy làm dung môi truyền nhiệt
So sánh hai công nghệ trên ta nhận thấy với cùng một hệ thống như nhau, cùng công suất tuabin, cùng nguyên tắc vận hành nhưngμ
- Với công nghệ dùng dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt thì tổng diện tích mặt h ng nắng là 81890 m2, trong khi đó với công nghệ dùng hỗn hợp muối nóng ch y làm dung môi truyền nhiệt thì tổng diện tích mặt h ng nắng là 76124 m2.
- Với công nghệ dùng dầu tổng hợp làm dung môi truyền nhiệt thì đư ng kính ống ch a dầu dẫn nhiệt là 7.4 cm , trong khi đó với công nghệ dùng hỗn hợp muối nóng ch y làm dung môi truyền nhiệt thì đư ng kính ống ch a hỗn hợp muối tổng hợp dẫn nhiệt là 4.4 cm.
Do đó với hệ thống dùng hỗn hợp muối nóng ch y làm dung môi truyền nhiệt sẽ tiết kiệm được chi phí hơn so với hệ thống dùng dầu tổng hợp làm dung môi truyền
47
nhiệt vì gi m được diện tích mặt h ng nắng, gi m được đư ng kính ống ch a dung môi truyền nhiệt đồng th i gi m thể tích dung môi truyền nhiệt ch a trong ống.
4.6. Công nghệ nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời dùng gương phẳng
4.6.1. Nguyên lý hoạt động
Hình 4.5 . Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy điện mặt trời
sử dụng gương phẳng
Với hệ thống này năng lượng mặt tr i được hội tụ b i hệ thống gương ph n x phẳng và nung nóng hỗn hợp muối nóng ch y, muối nóng ch y được ch a trong bình và dẫn đi nung nóng nước thành hơi trong lò hơi.
Hệ thống gương phẳng được điều khiển quay sao cho toàn bộ ánh sáng mặt tr i sẽ được ph n x tập trung lên bộ hấp thụ cấp nhiệt cho hỗn hợp muối nóng ch y
4.6.2. Năng lượng mặt trời do bộ thu hấp thụ
Vẫn sử dụng hỗn hợp muối NANO3 - KNO3 truyền nhiệt với các thông số trên Sử dụng hệ thống gương ph n x phẳng có hệ số ph n x là R=0.95
48
Nếu dùng 1 kg hỗn hợp muối nóng ch y ta có thể truyền đi một lượng nhiệt năng làμ
= . .∆ = 1.2660. 550−222 = 872480 � = 0.87248 ( �)
Theo (4.14), để hóa hơi hoàn toàn β70β4 lít nước trong một gi sẽ cần năng lượng: Wtong = 27024 * 2.51 = 67830.24 MJ
Do đó cần tổng khối lượng muối truyền nhiệt như sauμ