2.1. Máy phát từ thủy động lực
2.1.1.6. Máy phát đĩa
Thiết kế hiệu quả nhất là các máy phát đĩa hiệu ứng Hall. Thiết kế này hiện đang nắm giữ hiệu suất và mật độ năng lượng cho thế hệ máy phát từ thủy động lực học. Một máy phát đĩa có chất lỏng chảy giữa trung tâm của đĩa, và một ống bọc xung quanh các cạnh. Lĩnh vực kích thích từ tính được tạo là một cặp cuộn dây tròn Helmholtz ở trên và dưới đĩa. Dòng điện Faraday trong một thời gian ngắn hoàn hảo
Luận văn tốt nghiệp
Trang 48
bị triệt tiêu xung quanh chu vi của đĩa. Hiệu ứng dòng điện Hall giữa các điện cực vòng gần trung tâm và vòng điện cực gần ngoại vi [4].
Một lợi thế quan trọng của thiết kế này là các nam châm hiệu quả hơn. Đầu tiên, nó có đường sức song song đơn giản. Thứ hai, bởi vì các chất lỏng được xử lý trong một đĩa, các nam châm có thể gần hơn với các chất lỏng, và cường độ từ trường tăng lên do khoảng cách gần hơn. Cuối cùng, các máy phát điện nhỏ gọn hơn so với cơng suất của nó, vì vậy các nam châm cũng nhỏ hơn. Kết quả là nam châm sử dụng một tỷ lệ phần trăm nhỏ hơn nhiều của điện năng được tạo ra [4].
Hình 2.9: Máy phát đĩa [4] 2.1.2. Lưu chất của máy phát điện MHD
Lưu chất làm việc trong Máy phát MHD chia làm hai loại chính: - Chất khí ion hóa: Bao gồm khơng khí, Argon, Helium.
Luận văn tốt nghiệp
Trang 49
2.1.2.1. Khí ion hóa(Plasama)
Ion hóa là q trình các ngun tử hay phân tử trung hịa về điện nhận thêm hay mất đi electron để tạo thành các ion âm hoặc dương. Ion dương được tạo thành khi chúng hấp thụ đủ năng lượng (năng lượng này phải lớn hơn hoặc bằng thế năng tương tác của electron trong nguyên tử) để giải phóng electron, những electron được giải phóng này được gọi là những electron tự do. Năng lượng cần thiết để xảy ra quá trình này gọi là năng lượng ion hóa. Ion âm được tạo thành khi một electron tự do nào đó đập vào một nguyên tử mang điện trung hòa ngay lập tức bị tóm và thiết lập hàng rào thế năng với ngun tử này, vì nó khơng cịn đủ năng lượng để thốt khỏi nguyên tử này nữa nên hình thành ion âm.
Ở điều kiện bình thường khơng khí gồm những nguyên tử và phân tử trung hòa về điện nên được xem là chất điện mơi. Khi bị đốt nóng khơng khí trở nên dẫn điện do chứa nhiều hạt mang điện bao gồm ion dương, ion âm. Như vậy năng lượng ion hóa khơng khí lúc này chính là nhiệt năng. Nguồn nhiệt có thể lấy từ phản ứng hạt nhân, đốt than, tập trung ánh sáng mặt trời… Để tăng độ dẫn điện của khơng khí người ta thêm vào các loại khí Argon, Helium.
2.1.2.2. Kim loại lỏng(Liquid Metal)
Kim loại lỏng là tên thương mại của một loạt các hợp kim vơ định hình được phát triển bởi một Viện Cơng nghệ California (Caltech) nhóm nghiên cứu và tiếp thị bởi công nghệ kim loại lỏng. Hợp kim kim loại lỏng kết hợp một số tính năng vật liệu mong muốn, bao gồm cả sức mạnh liên kết cao, chống ăn mòn tuyệt vời, hệ số rất cao của khả năng phục hồi và đặc tính chống mài mịn tuyệt vời. Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: đồng hồ, điện thoại cảm ứng… Trong máy phát điện MHD kim loại lỏng được sử dụng là NaK. NaK, hoặc hợp kim natri- kali là hợp kim của Kali (K) 77% và Natri (Na) 23%, thường là chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Là loại hóa chất cơng nghiệp. NaK phản ứng rất mãnh liệt với nước và có thể gây cháy khi tiếp xúc với khơng khí, vì vậy phải được xử lý với biện pháp phòng ngừa đặc biệt [8].
Luận văn tốt nghiệp
Trang 50
Hình 2.10: Kim loại lỏng NaK ở nhiệt độ phịng
So với khí ion hóa thì kim loại lỏng có ưu điểm là tính dẫn điện cao hơn và hoạt động ở nhiệt độ cấp thấp hơn một chu trình MHD sử dụng khí ion hóa.
Những nỗ lực cũng đã được thực hiện để thay thế nhiên liệu đốt khí của máy phát điện MHD với một kim loại lỏng thích hợp Liquid Metal(LM) và chế độ này của MHD được gọi là MHD kim loại lỏng (LMMHD). Chất lỏng không được nén, chẳng hạn như kim loại lỏng, có thể được sử dụng trong máy phát MHD với lợi thế là có độ dẫn điện cao hơn (khoảng 106 lần so với khí ion hóa) ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, một sản lượng điện năng hợp lý có thể thu được bằng cách sử dụng một kim loại lỏng thích hợp, do đó tránh được những vấn đề của việc phải có vận tốc khí ở nhiệt độ rất cao, áp suất và lưu lượng cho khí bị ion hóa được sử dụng trong sản xuất điện MHD [8].
Luận văn tốt nghiệp
Trang 51
Hình 2.11: Cấu hình hệ thống phát điện LMMHD EC OMACON [8]
Hệ thống LMMHD cơ bản bao gồm hai ống kết nối với nhau tạo thành hệ thống kín. Một máy trộn nằm ở dưới cùng của ống dẫn lên và một máy phát điện MHD một chiều (năng lượng điện được sinh ra tại đây ) đặt bên phía dưới ống dẫn xuống nơi tiết diện ống thu nhỏ lại . Một chất lỏng hơi / khí hoặc dễ bay hơi (như chất lỏng làm việc ở nhiệt đun sôi tiếp xúc trực tiếp với kim loại lỏng nóng ) được đưa vào máy trộn ở dưới cùng của ống dẫn lên ở nhiệt độ và áp suất thích hợp. Một chất lỏng hai pha có nồng độ thấp hơn được tạo ra. Chất lỏng hai pha này tạo thành một dịng chảy và sau đó sẽ tách ra, khí trải qua q trình giãn nở với áp lực cao trong máy trộn với áp suất thấp trong thiết bị tách, thúc đẩy dòng chất lỏng chuyển động và đồng thời giảm nồng độ của nó. Dịng khí (chất lỏng làm việc ) được lấy ra ở thiết bị tách, do đó tạo ra một dịng chảy LM trở lại vào ống dẫn xuống. Sự khác biệt giữa áp lực giữa hai ống dẫn (chênh lệch áp suất thủy tĩnh) và do sự khác biệt mật độ làm cho LM chuyển động trong hệ thống, dòng LM chảy qua máy phát điện MHD, một điện áp điện được sản sinh và hệ thống sẽ phát điện. Tốc độ dòng chảy trong vòng lặp tự điều chỉnh để cân bằng sự khác biệt mật độ giữa ống dẫn lên và ống dẫn xuống với những tổn thất ma sát dòng chảy và khả năng tăng tốc và công suất của máy phát MHD [8].
2.1.3. Chu trình kết hợp máy phát điện MHD
2.1.3.1. Chu trình Brayton
Chu trình Brayton là một chu trình nhiệt động lực học, đặt tên theo George Brayton (1830-1892), một kỹ sư người Mỹ, người đã phát triển nó. Ngày nay, chu trình Brayton là nguyên lý hoạt động của động cơ tuốc bin khí. Giống như với các động cơ đốt trong khác, chu trình Brayton là chu trình mở, dù cho trong nghiên cứu nhiệt động lực học, đơi khi có thể đặt giả thuyết rằng khí thải ra được dùng lại để ở đầu vào, để hệ tương đương với chu trình kín. Chu trình Brayton cịn được biết đến với tên gọi chu trình Joule.
Ngày nay chu trình Brayton được nhắc đến trong động cơ tuốc bin khí. Động cơ này cũng có ba phần:
Luận văn tốt nghiệp
Trang 52
- Buồng nén khí. - Buồng đốt.
- Buồng giãn nở làm quay tuốc bin.
Khơng khí được hút vào buồng nén, được làm tăng áp suất theo quá trình gần với đẳng entropy. Khí đã nén chạy sang buồng đốt, nơi nhiên liệu được phun vào và đốt nóng, làm tăng nhiệt độ khí trong một q trình đẳng áp, do buồng đốt mở thơng cho dịng khí chảy vào và ra. Khí ở áp suất và nhiệt độ cao được giãn nở tại buồng giãn nở đẩy các cánh quạt của tuốc bin; theo quá trình giãn nở đẳng entropy. Một phần công năng cung cấp cho tuốc bin được dùng vào việc nén khí ở buồng nén khí.
Hình 2.12: Chu trình Brayton lý tưởng [7]
Chu trình Brayton lý tưởng: P - áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lượng; T - nhiệt độ °K; s - entropy. 1-2: Nén đẳng entropy tại máy nén; 2-3: gia nhiệt đẳng áptại buồng đốt; 3-4: giãn nở sinh công đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngồi mơi trường.
Trên thực tế, quá trình nén khí và giãn nở khơng thực sự đẳng entropy; và công năng bị hao hụt trong các quá trình này làm giảm hiệu suất nhiệt động lực học của động cơ. Cơng có ích do động cơ sinh ra được thể hiện bằng diện tích hình khép kín 1 – 2 – 3 – 4. Diện tích này càng lớn thì cơng có ích và hiệu suất càng lớn, để tăng diện tích này thì phải tăng áp suất sau máy nén của điểm 2;3 (áp suất của điểm 4;1 là áp suất môi trường không thể giảm xuống được) nên hiệu suất động cơ được quyết định bằng tỷ số nén. Việc tăng tỷ số nén giúp cải thiện hiệu suất và công suất của hệ thống Brayton.
Luận văn tốt nghiệp Trang 53 1 / 1 1 2 2 1 T 1 P T P (2.17) 2.1.3.2. Chu trình Rankine
Chu trình Rankine là một chu kỳ nhiệt động lực lý tưởng của một động cơ nhiệt có thể chuyển đổi nhiệt thành công năng cơ khí. Nhiệt được cung cấp bên ngồi để một vịng khép kín, thường sử dụng nước như chất lỏng làm việc. Dưới hình thức của động cơ hơi nước, tạo ra khoảng 90% của tất cả các năng lượng điện sử dụng trên toàn thế giới, bao gồm hầu như tất cả sinh khối, than, các nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân năng lượng mặt trời. Nó được đặt theo tên William John Macquorn Rankine, một nhà bác học người Scotland [2].
Chu trình Rankine mơ tả chặt chẽ q trình mà động cơ nhiệt hơi nước hoạt động thường thấy trong các nhà máy nhiệt điện tạo ra năng lượng. Các nguồn nhiệt sử dụng trong các nhà máy này thường phản ứng phân hạch hạt nhân hoặc quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí tự nhiên và dầu.
Hình 2.13: Bố trí của bốn thiết bị chính được sử dụng trong chu trình Rankine [2]
Hiệu suất của chu trình Rankine được giới hạn bởi nhiệt độ cao của sự bay hơi của chất lỏng làm việc. Ngoài ra, khi áp suất và nhiệt độ đạt đến mức độ quan trọng trong các nồi hơi, phạm vi nhiệt độ chu kỳ có thể hoạt động trên là khá nhỏ, nhiệt độ đầu vào tuabin hơi nước thường 565°C và nhiệt độ ngưng tụ hơi nước là khoảng 30°C. Điều này sẽ cho hiệu suất Carnot lý thuyết tối đa cho một tuabin hơi khoảng 63% so với một hiệu suất thực tế tổng thể nhiệt lên đến 42% cho một nhà máy điện đốt than hiện đại. Nhiệt độ đầu vào tuabin hơi này thấp (so với một tuabin khí) là lý do tại sao (hơi nước) chu trình Rankine thường được sử dụng như một chu
Luận văn tốt nghiệp
Trang 54
trình cuối cùng để thu hồi nhiệt nếu không thải ra ngoài trong các nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp.
Chất lỏng làm việc trong một chu trình Rankine sau một vịng khép kín và được tái sử dụng liên tục. Hơi nước với những giọt ngưng tụ thường thấy từ các nhà máy điện được tạo ra bởi hệ thống làm mát (không trực tiếp từ điện chu trình Rankine khép kín) và đại diện phương tiện nhiệt thải (nhiệt độ thấp) để thoát khỏi hệ thống, cho phép bổ sung (nhiệt độ cao) nhiệt mà sau đó có thể được chuyển đổi sang cơng việc hữu ích (điện). Nhiệt khí thải này được đại diện bởi "Qout" chảy ra khỏi phía dưới của chu kỳ hiện trong biểu đồ T/s dưới đây.
Tháp làm mát hoạt động để trao đổi nhiệt lớn bằng cách hấp thụ nhiệt ẩn của sự bay hơi của chất lỏng làm việc và đồng thời làm bay hơi nước làm mát vào khí quyển. Thực tế nhiều chất có thể được sử dụng như chất lỏng làm việc trong chu trình Rankine, nước thường là chất lỏng được lựa chọn do tính chất của nó thuận lợi, chẳng hạn như hóa học của nó khơng độc hại và khơng phản ứng, phong phú, và chi phí thấp, cũng như tính chất nhiệt động lực học của nó. Do ngưng tụ hơi làm việc để một chất lỏng áp lực tại các tuabin được hạ xuống và năng lượng cần thiết bởi máy bơm nguồn cấp dữ liệu tiêu thụ chỉ 1% đến 3% sản lượng điện tuabin và các yếu tố đóng góp vào hiệu suất cao hơn cho chu trình. Lợi ích của việc này được bù đắp bởi hơi nhiệt độ thấp nhận vào tua bin khí. Ví dụ, có nhiệt độ đầu vào tuabin gần 1500°C. Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của nhà máy điện hơi lớn thực tế và trạm tuabin khí hiện đại lớn là tương tự nhau.
Luận văn tốt nghiệp
Trang 55
Hình 2.14: Sơ đồ T-s của một chu trình Rankine điển hình hoạt động giữa áp lực từ
0.06bar đến 50bar [11]
Có bốn q trình trong chu trình Rankine. Các trạng thái được xác định bởi số (màu nâu) trong sơ đồ Ts trên.
Tiến trình 1-2: Chất lỏng hoạt động được bơm từ áp suất thấp đến cao. Chất lỏng ở giai đoạn này được bơm đòi hỏi năng lượng đầu vào nhỏ.
Tiến trình 2-3: Các chất lỏng áp suất cao được đưa vào một nồi hơi, nơi nó được gia nhiệt ở áp suất không đổi bởi một nguồn nhiệt bên ngoài để trở thành hơi bão hịa khơ. Năng lượng đầu vào cần thiết có thể dễ dàng tính tốn sử dụng sơ đồ Mollier hoặc h-s biểu đồ hoặc biểu đồ Entanpy-entropy còn được gọi là bảng hơi nước.
Tiến trình 3-4: Hơi bão hịa khơ giãn nở thông qua một tuabin, tạo ra năng lượng. Điều này làm giảm nhiệt độ và áp suất của hơi nước, và một số ngưng tụ có thể xảy ra. Sản lượng trong quá trình này có thể dễ dàng tính tốn bằng cách sử dụng biểu đồ Entanpy-entropy hoặc các bảng hơi nƣớc.
Tiến trình 4-1: Hơi ẩm sau đó đi vào bình ngưng và được ngưng tụ ở áp suất khơng đổi để trở thành một chất lỏng bão hòa.
Trong một chu trình Rankine lý tưởng bơm và tuabin sẽ được đẳng entropy, tức là, các máy bơm và tuabin sẽ tạo ra khơng có entropy và do đó tối đa hóa sản lượng cơng việc. Q trình 1-2 và 3-4 sẽ được đại diện bởi các đường thẳng đứng trên biểu đồ T-S và chặt chẽ hơn của chu trình Carnot. Chu trình Rankine hiển thị ở đây ngăn chặn hơi kết thúc trong khu vực quá nhiệt sau khi mở rộng trong các tua- bin, làm giảm năng lượng thửa bởi các thiết bị ngưng tụ.
Hiệu suất của chu trình Rankine:
Wtuabinhoi Wbom Wtuabinhoi
rankine
vao vao
Q Q
(2.18)
2.2. Nguồn năng lượng sinh khối
Luận văn tốt nghiệp
Trang 56
Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mơ tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó. Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) cơng nghiệp (industrial by-product) và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt.
Sinh khối cịn có thể được phân chia nhỏ ra thành các thuật ngữ cụ thể hơn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng: tạo nhiệt, sản xuất điện năng hoặc làm nhiên liệu cho giao thông vận tải. Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic digestion), đốt kết hợp (co-firing), khí hóa (gasification) và nhiệt phân (pyrolysis).
Sinh khối cịn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời.