BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÝ NHẬT MINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 3 2 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-----o0o-----

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÝ NHẬT MINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Ngày, tháng, năm sinh: 15 – 11 - 1987

Nơi sinh: Vĩnh Long

Quê quán: Vĩnh Long

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số nhà 12, tổ 9, ấp An Thành Đông, xã Trung Hiếu,
huyện Vũng Liêm, tỉnh Vĩnh Long.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại riêng: 0944 136662

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 3/2009

Nơi học (trường, thành phố):

Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long

Ngành học: Kỹ Thuật Điện
2. Đại học:

Nơi công tác
Trường Trung Cấp Nghề Trà Vinh

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên dạy nghề Điện công
nghiệp

06/2014

Công Ty Truyền Tải Điện 4 –

Điều hành viên trạm biến áp

đến nay

Truyền Tải Điện Miền Tây

500kV Ô Môn
Ngày 19 tháng 8 năm 2014
Ngƣời khai ký tên

LÝ NHẬT MINH

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang ii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên



hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm để tôi hoàn thành tốt Luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình và bạn bè đã tạo
cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành Luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014
Học viên thực hiện

Lý Nhật Minh

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang iv

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Tóm tắt

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 ô nhiễm môi
trường, khủng hoảng về cung cầu năng lượng đang diễn ra hết sức gay gắt không
những ở Việt Nam mà còn xuất hiện tại nhiều các quốc gia trên thế giới. Chúng ta
đang tìm rất nhiều giải pháp để cải thiện chất lượng điện năng như: tiết kiệm điện
năng, sử dụng điện hiệu quả, tìm các nguồn năng lượng thay thế... Do đó việc đi tìm
các nguồn năng lượng mới, cũng như năng lượng tái tạo đã trở nên cấp bách cho loài
người trong nhiều năm qua. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận và hoàn
toàn miễn phí nên rất có tiềm năng để cung cấp điện cho chúng ta trong tương lai.

energy has become imperative for humans for many years. Solar energy is
inexhaustible and free so it has the potential to provide power for us in the future.
Recently, power generation technology MHD generator with the new
developments. It has been widely used in the power generation mix cycle to
improve the efficiency of the power plant. Thesis: "Research magnetohydrodynamic
systems using solar energy" to be studied with the aim of combining MHD
generator with heat from concentrated solar power to improve plant efficiency
photovoltaic sun. Fluid MHD generator operation could be ionized gas or liquid
metal, so we can apply to multiple temperature levels. The simulation results and
calculations in the thesis shows performance when participating MHD generator is
improved better than the traditional model. Topic-oriented research is also
recommended to build solar power plant performance in accordance with economic
and technical background of the country.

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang vi

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Mục lục

MỤC LỤC
Lý lịch khoa học ......................................................................................................... i
Lời cam đoan ........................................................................................................... iii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iv
Tóm tắt ....................................................................................................................... v


Luận Văn Thạc Sĩ

Mục lục

2.2.2 Hỗn hợp khí làm việc trong máy phát MHD ............................................ 19
2.2.3 Máy phát điện Faraday ............................................................................. 22
2.2.5 Máy phát điện cực chéo ............................................................................ 24
2.2.6 Máy phát đĩa ............................................................................................. 25
2.3 Lưu chất của máy phát điện MHD: ................................................................. 26
2.3.1 Khí ion hóa (Plasma) ................................................................................ 26
2.3.2 Kim loại lỏng (Liquid Metal): .................................................................. 27
2.4 Chu trình kết hợp máy phát điện MHD: .......................................................... 30
2.4.1 Chu trình Brayton: .................................................................................... 30
2.4.2 Chu trình Rankine: .................................................................................... 31
CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH CHU TRÌNH ............................................................ 33
3.1 Xây dựng chu trình MHD hỗn hợp dùng năng lượng mặt trời: ...................... 33
3.2 Các ký hiệu trong chu trình: ............................................................................ 34
3.3 Phân tích các khối trong chu trình: .................................................................. 35
3.3.1 Phân tích máy phát MHD: ........................................................................ 35
3.3.2 Phân tích bộ thu năng lượng mặt trời: ...................................................... 37
3.3.3 Phân tích thiết bị trao đổi nhiệt: ................................................................ 37
3.3.4 Phân tích máy nén:.................................................................................... 37
3.3.5 Phân tích tua bin khí: ................................................................................ 40
3.3.6 Phân tích tuabin hơi: ................................................................................. 41
3.3.7 Phân tích nhiệt lượng: ............................................................................... 41
3.3.8 Phân tích nhiệt lượng của các nút tại chu trình: ....................................... 41
3.3.9 Phân tích Entropy: .................................................................................... 42
3.3.10 Hiệu suất của chu trình MHD hỗn hợp sử dụng NLMT ......................... 43
3.4 Xây dựng chu trình LMMHD dùng NLMT: ................................................... 45

4.2 Bài toán 2 ......................................................................................................... 58
4.2.1 Dữ liệu tính toán ....................................................................................... 58
4.2.2 Kết quả tính toán ....................................................................................... 58
4.2.3 So sánh kết quả với chu trình LMMHD truyền thống sử dụng nhiệt thải 60
4.3 So sánh với các kết quả được công bố ............................................................ 62
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI....................... 64
5.1. Kết luận .......................................................................................................... 64
5.2. Hướng phát triển của đề tài ............................................................................ 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 65
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 67

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang ix

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Các từ viết tắt và ký hiệu

CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Các từ viết tắt
NLMT: Năng lượng mặt trời.
MHD: Magnetohydrodinamic (Máy phát từ thủy động lực).
LM: Liquid metal (Kim loại lỏng).
LMMHD: Liquid metal Magnetohydrodinamic (Máy phát từ thủy động lực kim loại
lỏng).
SCOT: Solar concentration off-tower (Tập trung năng lượng mặt trời ngoài tháp).

Các từ viết tắt và ký hiệu

me: Khối lượng electron.
ωc: Tần số va chạm của các electron.
ne:Mật độ electron.
Q: Diện tích mặt cắt va chạm.
we: Vận tốc tương đối của các electron.
J: Mật độ dòng điện.
m: Khối lượng dòng chảy qua kênh.
h: Enthalpy.
K: Hệ số tải kênh.
KH: Thông số tải Hall.
H: Hiệu suất của kênh.
P: Công suất.
u: Thành phần vận tốc trên trục x.
 e : Hiệu suất điện.

θ: Góc nghiêng giữa điện cực và trục x.
μ: Độ linh động.
ρ: Mật độ dòng khí.
σ: Điện dẫn suất.
τ: Thời gian trung bình giữa các lần va chạm.
ω: Tần số cyclotron.
A: tiết diện.
M: khối lượng lưu chất.
W: năng lượng (điện năng).
v: vectơ vận tốc.
Qin: nhiệt lượng đầu vào.
Qi: Nhiệt lượng tại nút thứ i (W).
Ti: Nhiệt độ tại nút thứ i (0K).

Si: Entropy.

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang xii

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Danh sách các hình

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 2015 và 2020 ............................1
Hình 1.2: Mô hình sản xuất điện mặt trời hỗn hợp [1] ...............................................3
Hình 2.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển [1] ........10
Hình 2.2: Các mô hình khai thác năng lượng mặt trời [11] ......................................11
Hình 2.3: Sơ đồ nhà máy SCOT [9] ..........................................................................13
Hình 2.4: Bộ tập trung không đối xứng [9] ...............................................................14
Hình 2.5: Lực Lorentz [4] .........................................................................................16
Hình 2.6: Nguyên lý của máy phát MHD [4] ...........................................................17
Hình 2.7: So sánh hoạt động máy phát điện từ thủy động lực học (B) với máy phát
điện tuabin truyền thống (A) [4] ...............................................................................18
Hình 2.8: Chuyển động theo quỹ đạo tròn của electron trong từ trường và lực
Lorentz luôn hướng tâm ............................................................................................20
Hình 2.9: Biểu đồ Vector của bơm MHD và lực điện sinh ra trong dòng ion [4] ....21
Hình 2.10: Máy phát Faraday điện cực phân đoạn [4] ..............................................23
Hình 2.11: Máy phát Hall [4] ....................................................................................24
Hình 2.12: Máy phát điện cực chéo [4].....................................................................25

Hình 4.7: Kết quả phân tích chu trình LMMHD nhiệt thải với T3=8500K ...............61
Hình 4.8: Đồ thị T-S với T3=8500K của chu trình LMMHD nhiệt thải ....................61
Hình 4.9: Nhà máy điện mặt trời theo mô hình Volker Quasching [18] ..................62

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang xiv

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Dữ liệu tính toán bài toán 1 ......................................................................53
Bảng 4.2: Kết quả tính toán thông số với T3=20000K chu trình MHD hỗn hợp ......54
Bảng 4.3: Dữ liệu tính toán chu trình hỗn hợp sử dụng NLMT ...............................56
Bảng 4.4: Kết quả tính toán thông số với T3=20000K chu trình MHD hỗn hợp ......56
Bảng 4.5: Dữ liệu tính toán bài toán 2 ......................................................................58
Bảng 4.6: Kết quả tính toán thông số với T3=8500K LMMHD NLMT ...................58
Bảng 4.7: Dữ liệu tính toán chu trình LMMHD nhiệt thải .......................................60
Bảng 4.8: Kết quả tính toán thông số với T3=8500K LMMHD nhiệt thải ...............60

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang xv

GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Trang 1

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng quan

Vậy giải pháp 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 và nhập khẩu
than, chẳng hạn từ Úc. Theo dự tính, đến năm 2015, để bảo đảm cân đối năng
lượng, nước ta có thể nhập khoảng 13 TWh điện và khoảng 35 triệu tấn than.
Cuối cùng 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 không
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
lò hạt nhân… đe đọa 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
mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo sạch và bền vững.
Bên cạnh đó việc tìm ra các công nghệ phát điện mới vừa đơn giản vừa hiệu
quả đang được đầu tư phát triển. Máy phát từ thủy động lực học (MHD) đáp ứng
được các yêu cầu này. Trên cơ sở phát điện một cách trực tiếp không có các cơ cấu
truyền động cơ khí nên tổn hao thấp hơn. Khi kết hợp kiểu phát điện này với các
chu trình kín thì hiệu suất sẽ được nâng cao.

các nhà điện mặt trời công suất lớn, tập trung được nhiệt độ cao.
Sử dụng kim loại lỏng cho máy phát MHD (Liquid Metal MHD hay
LMMHD) được nghiên cứu những năm 60 của thế kỷ trước. Đây là loại MHD sử
dụng kim loại lỏng làm nhiên liệu hoạt động. Hệ thống này sử dụng nguồn nhiệt cấp
thấp: các hệ thống tập trung năng lượng mặt trời công suất nhỏ, nhiệt thải phản ứng
hạt nhân, địa nhiệt… Mô hình phát điện này có thể kết hợp với các hệ thống tập
trung năng lượng mặt trời nhiệt độ ở cấp thấp. Thiết kế này phù hợp với những nơi
không thể tập trung được năng lượng mặt trời ở cường độ cao.
HVTH: Lý Nhật Minh

Trang 3

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng quan

1.2 Tổng quan về MHD và các kết quả đã nghiên cứu
Máy phát điện MHD là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp
thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học. Lợi thế của MHD là có khả
năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần có các chi tiết được bôi trơn (chuyển
động cơ học). Khí thải của hệ thống MHD thường là các dòng Plasma nóng và có
thể được tái sử dụng cung cấp cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (tuabin khí
và tuabin hơi nước). Ngoài ra MHD còn có thể hoạt động ở nguồn nhiệt cấp thấp
khi sử dụng kim loại lỏng phát điện. Về mặt nhiệt động lực học các máy phát điện
từ thủy động lực học thường 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. Chất dẫn điện trong MHD

bằng sáng chế số 2210918 “ Quy trình chuyển đổi năng lượng” vào ngày 13 tháng 8
năm 1940. Chiến tranh thế giới lần thứ II đã làm gián đoạn sự phát triển của máy
phát này đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD đã được tổ
chức tại Newcastle (Vương Quốc Anh) do Tiến sĩ Brian C Lindley nghiên cứu và tổ
chức [4].
Năm 1964 hội nghị lần thứ hai được tổ chức tại Paris ( Pháp) với sự tham gia
của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu. Tháng 7 năm 1966 hội nghị lần thứ ba
với sự tài trợ của cơ quan năng lượn nguyên tử quốc tế đã được tổ chức tại Salzbug
(Áo) [4].
Trong nhưng năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát MHD cho
hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi J Rosa. Cuối những năm
1960 do sự phát triển của điện hạt nhân nguyên tử nên sự quan tâm MHD bị từ chối.
Đến cuối những năm 1970 sự quan tâm điện hạt nhân giảm xuống thì có xu hướng
quay trở lại đến MHD [4].
Năm 1975 Unesco khuyến cáo nên nghiên cứu MHD và coi đó như phương
pháp hiệu quả nhất để sử dụng dự trữ than đá trên thế giới và Unesco đã trở thành
nhà tài trợ chính cho ILGHMD [4].
Vài nét phát triển của máy phát MHD trên thế giới:
Tại Mỹ: Trong những năm đầu của thập niên 1980 bộ Năng lượng Mỹ bắt
đầu chương trình phát triển mạnh mẽ MHD mà đỉnh cao là máy phát 50MW (1992)
dung nhiên liệu than đá [4]. Chương trình này được phát triển dựa trên sự kết hợp
của 4 phần:
1 Đứng đầu của chu trình tích hợp này là máy phát MHD hiệu ứng Hall được
cấp nhiệt bằng than đá nghiền thành bột cùng hạt mang điện ion hóa Kali với sự
giám sát của AVCO.
2 Cơ sở để tạo ra các hạt ion hóa được phát triển bởi TRW. Theo phương
pháp này Kali Cacbonat được tách ra từ Sunfat trong tro, Cacbonat được lấy ra và
để lại Kali.
HVTH: Lý Nhật Minh


Hàn lâm khoa học Nga ở Moscow và quan tâm đến MHD dạng đĩa dùng nhiên liệu
than [4].
Trong những năm đầu của thế kỷ XXI chu trình MHD kín ( MHD plasma) đã
có những nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien,
Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín được báo cáo
với tổng hiệu suất dự kiến là 55,2 % [6].

HVTH: Lý Nhật Minh

Trang 6

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng quan

1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Phân tích cấu trúc và hiệu suất của chu trình phát điện MHD sử dụng
Plasma (khí ion hóa) và MHD dùng kim loại lỏng (Liquid metal) để phát điện. Hai
mô hình này sử dụng nguồn nhiệt từ tập trung năng lượng mặt trời.
- Phân tích tính toán các thông số tại các nút trong chu trình MHD hỗn hợp
và chu trình MHD dùng kim loại lỏng để đưa ra hiệu suất của chu trình phát điện sử
dụng năng lượng mặt trời.
1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống phát điện này còn sơ khai nên
chưa có đủ điều kiện thực nghiệm. Vì vậy tác giả chọn phương pháp nghiên cứu cấu
trúc, mô phỏng, phân tích quá trình cân bằng nhiệt dựa trên nguyên lý nhiệt động