Nghiên cứu ứng dụng trường điện từ của từ thủy động lực
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ CỦA TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
RESEARCH APPLICATION ELECTROMAGNETIC FIELDS OF
MAGNETOHYDRODYNAMIC
Lê Chí Kiên (*), Lê Thị Minh Thùy (**)
(*) Khoa Điện - Điện tử; Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
(**) Học viên cao học ngành Điện kỹ thuật; Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Bài báo trình bày ứng dụng trường điện từ của từ thủy động. Trong bài toán này, ba ứng
dụng lớn được đề cập đến. Đầu tiên, là ứng dụng từ thủy động trong hệ thống phát điện máy phát từ
thủy động- tua bin hơi có tích hợp khí than, hệ thống này có hiệu suất làm việc cao hơn hẳn các hệ
thống phát điện truyền thống. Tiếp theo, ứng dụng từ thủy động trong việc tạo ra sức đẩy cho tàu
thuyền; với mô hình thí nghiệm, xác định được lực đẩy phụ thuộc vào độ rộng của các thanh nam
châm trên tàu và nồng độ của chất lưu. Cuối cùng là ứng dụng từ thủy động trong việc đo lưu lượng
chất lỏng; lưu lượng này phụ thuộc vào dòng điện và độ rộng của kênh dẫn mà lưu chất chảy qua.
Từ khóa: Hệ thống công nghệ phát điện MHD-SPP, từ thủy động tạo ra sức đẩy cho tàu
thuyền, vi bơm….
ABSTRACT
The paper presents the application of electromagnetic fields of magnetohydrodynamic. In
this problem, three major applications are mentioned. First, it is an application
magnetohydrodynamic in generator systems magnetohydrodynamic – Steam Power Plant with
integrated gas, this system has a higher working efficiency than traditional power generation
systems. Next, application of magnetohydrodynamic in creating propulsion for boats; With the
experimental model, determining the propulsion depends on the width of the magnet bars on the
ship and the concentration of the fluid. Finally, applications magnetohydrodynamic in liquid flow
measurement; this flow depends on the current and the width of the channel through which the fluid
flows.
Keywords: MHD-SPP power generation technology system, magnetohydrodynamic to create
propulsion for boats, micro-pumps ....
1
1. Đặt vấn đề
Ở nước ta, nguồn cung cấp công
suất chủ yếu là các nhà máy thủy điện và
nhiệt điện. Miền bắc phụ thuộc khá lớn vào
các nhà máy thủy điện trong khi miền nam
thì tỉ lệ nhiệt điện chiếm phần lớn hơn. Cơ
bản là đáp ứng đủ nhu cầu phụ tải nhưng
vẫn còn phụ thuộc nhiều vào thời tiết vì
nguồn thủy điện chiếm tỷ lệ lớn so với tổng
nguồn cung cấp. Nguồn nước cho thủy điện
bị hạn chế vào mùa khô, khi lượng mưa ít.
Còn nhà máy nhiệt điện thì nhiên liệu hóa
thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi
trường nặng nề và chi phí phát điện cũng
cao so với các nguồn khác.
Sự biến đổi năng lượng từ thủy động
lực, thông thường gọi là MHD, là một hình
thức biến đổi năng lượng trực tiếp mà ở đó
điện năng được sản suất từ nguyên liệu hóa
thạch mà không trải qua quá trình sản sinh
cơ năng.
Sự lôi kéo điện tử cảm ứng bởi điện
trường bên cạnh sản sinh ra dòng điện,
được mô tả bằng vectơ mật độ dòng J. Điện
cực ở phía vách đối diện của kênh MHD
cung cấp mặt phân phối đến mạch ngoài.
Điện tử đi từ lưu chất ở một vách của
điện cực, đến tải mạch ngoài, đến điện cực
ở vách đối diện, và sau đó trở lại lưu chất,
hoàn tất mạch điện.
Vấn đề được đặt ra là làm như thế nào
để có thể giải quyết vấn đề mất cân bằng
giữa nhu cầu và cung cấp năng lượng ở một
nước đang phát triển nói riêng và cả thế
giới nói. Một số giải pháp: sử dụng năng
lượng mới, năng lượng tái tạo, nhập khẩu,
tiết kiêm năng lượng…được đưa ra, nhưng
cũng không thể giải quyết được bài toán
nan giải
3. Sự kết hợp giữa MHD và nhà
máy điện tuabin hơi
Từ tính cần thiết này, ứng dụng
trường điện từ của từ thủy động được đặt ra
và ứng dụng các thuật toán và mô phỏng để
chứng minh ưu thế so với các hệ thống
truyền thống.
Chi phí phát điện của hệ thống MHD-
SPP trong hệ thống điện
Ktot = Kp + Ka + Kr + Kex
Trong đó: Kp, Ka – Tương ứng với chi phí
cơ bản và các chi phí biến đổi.
Kr – Các chi phí về độ tin cậy.
2. Cơ sở lý thuyết từ thủy động
2
Kex – Các chi phí về việc không có
kế hoạch trao đổi năng lượng với các quốc
gia khác.
ka – Hệ số xác định chi phí biến đổi của
MHD-SPP thấp hơn bao nhiêukhi so sánh
với một nhà máy điện tham chiếu [%].
g,h,b – Là các thông số không đổi của
một mô hình phát điện trong hệthống điện.
Thuật toán tính sự chênh lệch các chi
phí hàng năm
N
kp
n
p
1 p
Kết quả tính toán:
Ktot
k
0.077 P
MHD
N
100
1 p
1
h B1
2h g
h B2
2B2 1B2 1
2h g
bnkbT P B1
B2
ib
i
2B1 1B1 1
B1
B2
T
T
T
ip1
ip2
bnkbPpT g 1
h bnkbPpT g 1
h
ip1
ip2
T
ib
ib
B
2
ka
T
iMHD
bnkbTiMHDP
1
b TiMHDP
g 1
h
iMHD
nkb
iMHD
100
T
ib
Trong đó:kn – Tiền chi tiêu cho nhà máy
điện mẫu [$/GW]
Pi, PMHD, PP – Tương ứng với công suất
lắp đặt của hệ thống, công suất máy phát từ
thủy động lực– turbin hơi (MHD-SPP) và
công suất các nhà máy điện có tích trữ bơm.
[GW]
Hình1: Ảnh hưởng của việc tăng chi phí
hỗn hợp kp và giảm chi phí biến đổi ka của
MHD-SPP về sự chênh lệch của 2 hệ thống.
(6)
TiMHD, Tip, Tib – Tương ứng với thời gian
hàng năm khai thác công suất lắp đặt của
MHD-SPP, của các nhà máy điện có tích
trữ bơm và các nhà máy điện cơ bản. [h/a].
p – Lãi suất [-].
N – Quá trình khai thác nhà máy điện
[năm].
(7)
(8)
bnkb – Các chi phí đơn vị của việc phát
điện trong một nhà máy có thời gian khai
thác lớn nhất [$/TW.h].
Hình 2: Sự chênh lệch giữa chi phí hệ
thống thay thế trong hàm hệ số giảm có chi
phí biến đổi (ka) và thời gian khai thác dung
lượng lắp đặt hàng năm của MHD-SPP
kp – hệ số xác định chi phí hỗn hợp của
MHD-SPP cao hơn bao nhiêu khi so với
một nhà máy điện tham chiếu [%].
3
(9)
Hình 3 : Ảnh hưởng của việc giảm giá biến
đổi hàng năm vềsự khai thác dung lượng
lắp đặt nhà máy điện dự trữ bơm.
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý tàu MHD
Ví dụ thực nghiệm:
Kích thước của tàu được lựa chọn đủ
lớn để tàu có thể nổi với chồng pin, bao
gồm chín pin 9-volts mắc nối tiếp với nhau,
được đặt trên nó. Thân tàu được làm bằng
xốp polystyren.
Các kết quả tính toán cho thấy hiệu
quả của phát điện MHD-SPP là: Chi phí
biến đổi hàng năm giảm 40% dẫn đến việc
đánh giá chi phí hỗn hợp của toàn hệ thống
giảm 20%. Giả sử chi phí hỗn hợp của nhà
máy điện MHD-SPP cao hơn 10% so với
nhà máy điện khác với lãi suất hàng năm
đạt 2% tổng chi phí phát điện trong hệ
thống. Hiệu quả kinh tế tốt nhất có thể đạt
được của phát điện MHD-SPP là thời gian
khai thác dung lượng lắp đặt hàng năm
(TiMHD) nằm trong khoảng 4800 đến 5200
[h/a].
Chiều dài kênh nước bằng chiều dài
thân tàu, xấp xỉ bằng với chiều dài của các
giá đỡ nam châm (17 cm).Chiều cao kênh
dẫn (H) được chọn bằng cách cộng chiều
dài của bản thân các thanh nam châm cộng
với độ dày các điện cực (2.8 cm).
4. Ứng dụng MHD trong việc tạo ra sức
đẩy cho tàu thuyền
Hình 5: Lực đẩy biểu diễn theo khoảng
cách W
4
Vậy tàu MHD có độ rộng kênh (W)
được chọn là 1,98 cm. Các kết quả này tùy
thuộc vào từng trường hợp cụ thể (phụ
thuộc vào từ trường được chọn và cấu trúc
của tàu MHD)
Hình 7: Lưu lượng Q chạy qua kênh biểu
diễn theo dòng điện I
* Nhận xét:
Lưu lượng Q chạy qua kênh dẫn có
quan hệ tuyến tính theo hàm bậc nhất đối
với dòng điện I: Khi dòng điện tăng dần thì
lưu lượng cũng tăng dần.
Hình 6: Tốc độ tàu biểu diễn theo nồng độ
dung dịch muối
Vậy tốc độ tàu có thể đạt tốc độ cực
đại tại nồng độ là 0,224 (kg/L). Nồng độ
này tương đương với 3,14 kg NaCl hòa tan
vào trong 14L nước.
5. Ứng dụng MHD trong việc đo
lưu lượng chất lỏng
Hình 8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của
Q theo chiều rộng kênh w
Các thông số sử dụng trong mô phỏng
Cường độ từ trường : B = 0,02 (T)
Chiều rộng kênh dẫn : w = 0,003 (m)
Chiều cao kênh dẫn : h = 0,007 (m);
Độ nhớt chất lỏng trong kênh dẫn: μ
= 0,0006 (Pas)
Nhận xét:
- Lưu lượng Q chảy trong kênh dẫn phụ
thuộc chiều rộng kênh dẫn w theo dạng
đường cong parabol.
- Khi chiều rộng kênh dẫn tăng từ
0,003 đến 0,0075 m thì lưu lượng Q sẽ tăng
từ 7,55. 10-3 đến 9,2.10-3l/s.
Chiều dài kênh dẫn : L = 0,08 (m)
Cường độ dòng điện đầu vào: I=0,1~1,3 (A)
Kết quả mô phỏng:
-Khi chiều rộng kênh dẫn w tăng từ
0,0075 đến 0,0197 m thì lưu lượng Q sẽ
giảm từ 9,2.10-3 đến 7,2.10-3 l/s.
5
- Lưu lượng Q đạt giá trị cực đại là
9,2.10-3 l/s tại chiều rộng kênh dẫn là
0,0075 m.
Mô hình ứng dụng MHD trong việc
tạo ra sức đẩy cho tàu thuyền, phân tích mô
hình vi bơm MHD dùng để đo lưu lượng
chất lỏng. Đồng thời tiến hành phân tích
một vài chi tiết cụ thể về các vấn đề cần
phải giải quyết từng phần, trước khi công
nghệ phát điện MHD và các ứng dụng liên
quan đến MHD đạt được tính cạnh tranh về
mặt kinh tế.
5. Kết luận
Bài báo trình bày được cơ sở lý thuyết
về công nghệ MHD, ứng dụng vào các mô
hình thực tế như kết hợp MHD-SPP nhằm
nâng cao hiệu suất phát điện và theo quá
trình nghiên cứu, tính toán, hiệu suất của
mô hình thực tế như kết hợp MHD-SPP cao
hơn nhiều so với các chu trình truyền thống.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Richard J. Rosa “Magnetohydrodynamic Energy Conversion” copyright 1987 by
hemisphere publishing coporation, Printed in USA, 234 pages.
[2] Jack D.Mattingly “ Elements of Gas Turbine Propulsion” copyright 1996 by
McGraw-Hill, Inc, Printed in Singapore, 960 pages.
[3] Nob. Harada, Le Chi Kien, and M.Hishikawa ” Basic Studied on Closed Cycle
MHD Power Generation System for Space Application” AIAA 2004-2365.
[4] Le Chi Kien “ Analyses of the Thermal Efficiency and the Output Power in A Joule
– Brayton” Science & Technology Development, Vol 12, No.04 - 2009.
[5] Naoyuki Kayukawa “Open-cycle magnetohydrodynamic electrical power
generation: a review and future perspectives” Progress in Energy and Combustion
Science 30 (2004) 33–60
[6]Jackson W.D,Integration of MHD plants into Electric Utility System, IEEE
Transactions on Enegy conversion.Vol. EC-1, No 3, September1986.
[7]Gora S. and Kapron.H,Economic Aspects of operation of MHD Electrical power
plant in power system, NinthInternational conference on MHD Electrical Power
Generation. Vol. 1. November 1986, Tsukuba, Ibaraki, Japan.
[8] Stanley W.Angrist, Direct Energy Conversion, Fourth Edition, Carnegie-Mellon
University, 468 pages.
[9] P.A. Davidson, An Introduction to Magnetohydrodynamics, Cambridge University
Press 2001, 431 pages.
6
[10] Asuncion V. Lemoff, Abraham P. Lee, An AC magnetohydrodynamic micropump,
Lawrence Livermore National Laboratory, Center for Microtechnology, 7000 East
Ave. L-223, Livermore, CA 94550 USA, 8 pages.
[11] Shinji Takeshita, Chainarong Buttapeng, Nob. Harada, Characteristics of plasma
produced by MHD technology and its application to propulsion systems, Department of
Electrical Engineering, Nagaoka University of Technology, 1603-1, Kamitomioka,
Nagaoka 940-2188, Japan, 4 pages.
7
7 trang
09/01/2024
22420
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ứng dụng trường điện từ của từ thủy động lực", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_ung_dung_truong_dien_tu_cua_tu_thuy_dong_luc.pdf
