Đường kính ống thuỷ tinh ngoài d2: ống thuỷ tinh ngoài làm nhiệm vụ cách nhiệt
chống tổn thất ra môi trường xung quanh. Theo nguyên tắc thì d2 càng lớn (lớp
không khí giữa 2 ống thuỷ tinh càng lớn) thì tổn thất nhiệt càng ít, nhưng thực tế
với loại bộ thu kiểu ống này nếu d2 tăng thì theo công thức 4.9 và 4.17 ta thấy FD
giảm nhất là với bộ thu đặt nghiêng, do đó tốc độ gia nhiệt a giảm và hiệu suất bộ
thu giảm. Do vậy ta chọn d2 càng nhỏ càng tốt (nhưng tất nhiên phải lớn hơn d1),
nhất là đối với bộ thu được hút chân không giữa 2 ống thuỷ tinh.
- Chiều rộng gương trụ phản xạ N: Theo công thức 4.9 và 4.17 ta thấy rằng N
càng tăng thì FD tăng, mà FD tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu
tăng và nhiệt độ môi chất thu được cũng tăng. Đối với bộ thu nằm ngang trong hệ
thống đối lưu tuần hoàn tự nhiên thì sự ảnh hưởng của chiều rộng gương trụ N đến
hiệu suất bộ thu và nhiệt độ thu được của môi chất sẽ được khảo sát kỹ ở phần sau.
Chiều rộng N của bộ thu loại đặt nghiêng trong hệ thống đối lưu tuần hoàn tự
nhiên thì bị hạn chế bởi chiều rộng của tổ hợp ống - cánh (hình 4.
53 trang |
Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 600 | Lượt tải: 3
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng (Phần 2), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
c mọ taớ ồớ hỗnh 4.9 vaỡ hỗnh 4.10.
Lỏỷp cọng thổùc tờnh toaùn cho panel tộnh vaỡ õọỹng:
Sổớ duỷng caùc haỡm phỏn bọỳ (4.6) vaỡ (4.7) dóự daỡng lỏỷp õổồỹc caùc cọng thổùc tờnh
caùc thọng sọỳ kyợ thuỏỷt õàỷc trổng cho panel tộnh vaỡ õọỹng.
Panel tộnh õaỷt nhióỷt õọỹ cổỷc õaỷi Tm = b
a
2
(1+
22 4ω+b
b )
luùc τm = τn( ωπ 24
1
8
3 bartg− ).
Panel õọỹng õaỷt nhióỷt õọỹ cổỷc õaỷi Tõm = 2)/(1 bb
a
ω+ > Tm
luùc τõm = τn( bartg
ω
π2
1
4
1 + ).
Sau khi tờnh nhióỷt õọỹ trung bỗnh trong 1 ngaỡy nàừng cho mọựi panel theo cọng
thổùc: Tn = ∫ 2/0 )(2 n dT
n
τ τττ ,
Vaỡ dóự daỡng tỗm õổồỹc cọng suỏỳt nhióỷt hổợu ờch trung bỗnh Qn= GCpTn, [W],
lổồỹng nhióỷt thu õổồỹc mọựi ngaỡy Q = nnQτ2
1 , [J], .v.v.
Hióỷu suỏỳt nhióỷt panel η =
1FE
Qn
vồùi E = n
n
n
n
EdEn∫ =2/0 22sin2 τ πτττπτ . Caùc cọng thổùc cuỷ thóứ cho caùc loaỷi
panel õổồỹc giồùi thióỷu ồớ baớng 4.2.
Caùc sọỳ lióỷu tờnh toaùn cho panel 1 m2 tộnh vaỡ õọỹng:
Trong baớng 4.1 giồùi thióỷu caùc sọỳ lióỷu tờnh toaùn cho mỏựu panel 1m2 vồùi họỹp
thu kờch thổồùc abδ = 1 x 1 x 0,01 m3, õổồỹc laỡm bàũng theùp tỏỳm daỡy δt = 0,001m,
Co= 460 J/kgK , màỷt thu F1 = 1m2 , õọỹ õen ε = 0,95, lồùp khọng khờ daỡy δk =
0,01m, tỏỳm kờnh daỡy δK = 0,005 m , λK = 0,8 W/mK , õọỹ trong D = 0,95, lồùp caùch
nhióỷt bọng thuớy tinh daỡy δC = 0,02 m, λC = 0,055W/mK, doỡng nổồùc qua panel coù
G = 0,002 kg/s vồùi nhióỷt õọỹ to = 30oC. Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ cổỷc õaỷi En, lỏỳy trung bỗnh
trong nàm taỷi Âaỡ nàụng, ồớ vộ õọỹ 16o bàừc, laỡ En = ∑ niE3651 = 940 W/m2.
57
Hỗnh 4.9. Haỡm nhióỷt õọỹ khi tộnh t(τ) vaỡ khi õọỹng tõ(τ) cuớa panel 1m2 coù W > WS
Baớng 4.1. Caùc sọỳ lióỷu tờnh toaùn cho panel 1m2
Thọng sọỳ tờnh toaùn Cọng thổùc tờnh Giaù trở Âồn vở
Hóỷ sọỳ toớa nhióỷt ra khọng khờ α =
i
k
δ
λ
Σ C(GrPr)
n
8,5
W/m2K
Hóỷ sọỳ truyóửn nhióỷt lón trón k1 =
1
3,1
1
−
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++ αλ
δ
λ
δ
K
K
k
k
2,2
W/m2K
Hóỷ sọỳ truyóửn nhióỷt qua
lồùp caùch nhióỷt
k2 =
1
1
−
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ + αλ
δ
C
C
2,1
W/m2K
Khọỳi lổồỹng voớ họỹp thu m0 = ρt δt (2F1 + 4 δ) 16 kg
Khọỳi lổồỹng nổồùc tộnh m = ρ F1 (δ - 2 δt) 8 kg
Nhióỷt dung họỹp nổồùc C = m0Co + mCp 40752 J/K
Doỡng nhióỷt dung qua họỹp W = GCP + ∑ki Fi 12,7 W/K
Cọng suỏỳt hỏỳp thuỷ max P = ε D EnF1 853,8 W
Tọỳc õọỹ gia nhióỷt max a =
C
P 0,021 K/s
t
τmτ
6 8 10 12 12,9 14 16 18h
0
20
40
60
80
100 Co
30
õ(τ)t
(τ)t
95,4 C
o94 C
o
72 Co
45 Co
64 Co
36 Co
58
Tỏửn sọỳ dao õọỹng rióng
cuớa panel
b =
C
W 3,13.10
-4 s-1
Tọỳc õọỹ goùc tia nàừng ω =
nτ
π2 7,27.10-5 rad.s-1
Baớng 4.2. Cọng thổùc chung tờnh caùc thọng sọỳ kyợ thuỏỷt õàỷc trổng vaỡ caùc sọỳ lióỷu cho
panel nổồùc noùng 1m2 coù W > WS.
Panel tộnh Panel õọỹng Thọng sọỳ
õàỷc trổng Cọng thổùc tờnh Sọỳ lióỷu Cọng thổùc tờnh Sọỳ lióỷu
Âọỹ gia
nhióỷt max
Tm = )
4
1(
2 22 ω++ b
a
b
a 64
oC Tõm = 2)/(1 bb
a
ω+
65,4 oC
Nhióỷt õọỹ
max
tm=to+ 22 4
1(
2 ω++ b
b
b
a ) 94
oC Tõm = to+ 2)/(1 bb
a
ω+
95,4 oC
Thồỡi õióứm
õaỷt Tm
τm=τn ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ − ωπ 24
1
8
3 bartg 6,8h τõm=τn ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
b
artg ωπ2
1
4
1 6,9h
Nhióỷt õọỹ
cuọỳi ngaỡy
tc = to + )4(
2
22
2
bb
a
+ω
ω 36 oC tõc = to + 22 b
a
+ω
ω 45 oC
Âọỹ gia nhióỷt
TB
Tn= b
a
2
34
oC Tõn=
( )( )22
22 2
bb
ba
+
+
ωπ
ω 42 oC
Cọng suỏỳt
hổợu ờch TB
Qn= b
a
2
GCp 280 W Qõn= GCp
( )( )22
22 2
bb
ba
+
+
ωπ
ω 349 W
Saớn lổồỹng
nhióỷt 1 ngaỡy
Q = b
a n
4
τ GCp 12MJ Qõ=GCp 2
nτ ( )( )22
22 2
bb
ba
+
+
ωπ
ω 15MJ
Saớn lổồỹng
nổồùc noùng
M = Gn
2
τ , tn = to + Tn 86kg
ồớ 64oC
M = Gn
2
τ , tõn = to + Tõn 86kg
ồớ 72oC
Hióỷu suỏỳt
nhióỷt panel
η=
14bEnF
aGCpπ 46% η= ( )( )221
22
2
2
bbEnF
baGC p
+
+
ω
ω
58%
Âióửu kióỷn õóứ chỏỳt loớng sọi trong panel:
Âóứ thu õổồỹc nổồùc sọi coù nhióỷt õọỹ ts cỏửn coù õióửu kióỷn tm ≥ ts hay Tm ≥ ts - to = Ts.
Âióửu kióỷn sọi trong panel õọỹng laỡ:
Tõm = 22 ω+bC
P ≥ Ts hay b = C
W ≤ 2
2
ω−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
sCT
P
59
Do õoù cỏửn choỹn C vaỡ W sao cho thoớa maợn 2 õióửu kióỷn:
C = ∑ miCi ≤
sT
P
ω = )(2
1
os
nn
tt
FDE
−π
τε = CS , [J/K]
W = GCp+ ∑ kiFi ≤ 2
2
)( ωC
T
P
s
−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ = 22 CCS −ω = WSõ , [W/K]
Âióửu kióỷn thổù 2 seợ õổồỹc õaùp ổùng nóỳu ∑ kiFi < WSõ vaỡ choỹn G ≤
pC
1 (WSõ - ∑ kiFi).
Âióửu kióỷn sọi trong panel tộnh laỡ:
Tm = )
4
1(
2 22 ω++ b
a
b
a ≥ TS hay W ≤ ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
+
+
2)/2(1
11
2 WCT
P
S ω .
Âióửu kióỷn naỡy seợ õổồỹc õaùp ổùng nóỳu choỹn:
C < CS , ∑ kiFi < WS vaỡ G <
pC
1 (WS - ∑ kiFi). = GS,
vồùi WS laỡ nghióỷm cuớa phổồng trỗnh WS = ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
++ 2)/2(1
11
2
SS WCT
P
ω
Vồùi panel 1 m2 õàỷt taỷi Âaỡ nàụng, thỗ CS = 167 kJ/K, WSõ = 11,8 W/K, Ws=11,5W/K,
GS =
pC
1 (WS - ∑ kiFi) = 0,0017 kg/s.
Cọng thổùc tờnh thồỡi gian vaỡ lổồỹng nổồùc sọi:
Thồỡi õióứm õaỷt nhióỷt õọỹ sọi tS õổồỹc xaùc õởnh bồới phổồng trỗnh t(τS) = tS hay
T(τS) = tS-to = TS.
Giaới phổồng trỗnh T(τS) = TS cho mọựi loaỷi panel, seợ thu õổồỹc 2 nghióỷm τS1,
vaỡ τS2. Thồỡi gian sọi seợ laỡ ∆τ = τS2 - τS1 vaỡ lổồỹng nổồùc sọi thu õổồỹc laỡ GS = G∆τS.
Caùc cọng thổùc tờnh τS1,τS2, ∆τS, GS seợ õổồc giồùi thióỷu ồớ baớng 3.3.
Vồùi panel ồớ trón , õaợ coù C < CS , ∑ kiFi < WS , nóỳu choỹn G =0,001kg/s <GS
thỗ seợ õaỷt õổồỹc õióửu kióỷn sọi caớ khi tộnh vaỡ khi õọỹng, caùc quaù trỗnh sọi õổồỹc mọ taớ ồớ
hỗnh 2.10.
Baớng 4.3. Caùc cọng thổùc nhióỷt vaỡ caùc sọỳ lióỷu cho panel nổồùc sọi1m2 coù W < WS.
Panel tộnh Panel õọỹng Thọng sọỳ
õàỷc trổng Cọng thổùc tờnh Sọỳlióỷu Cọng thổùc tờnh Sọỳ lióỷu
Thồỡi õióứm
bàừt õỏửu sọi
τs1= +− ωππ
τ
2
[
4
bartgn
]
4)2(
sin
22
ab
babTar S ω+−+
5,1h τõs1= +bartg
n ω
π
τ
[
2
]sin
22
a
bT
ar S
ω++
4,5h
60
Thồỡi õióứm
kóỳt thuùc sọi
τs2= −− ωππ
τ
2
2[
4
bartgn
4)2(
sin
2
ab
babT
ar S
ω+−−
9,2h τõs2= −+ bartg
n ωππ
τ
[
2
]sin
22
a
bT
ar S
ω+−
10,1h
Thồỡi gian
sọi
∆τs= −ππ
τ
[
4
n
]
4)2(
sin2
22
ab
babT
ar S
ω+−−
4,1h ∆τõs= −ππ
τ
[
2
n
]sin2
22
a
bT
ar S
ω+−
5,6h
Lổồỹng nổồùc
sọi
GS= −ππ
τ
[
4
nG
]
4)2(
sin2
22
ab
babT
ar S
ω+−−
1
4,8kg
Gõs= −ππ
τ
[
2
nG
]sin2
22
a
bT
ar S
ω+−
20kg
Hióỷu suỏỳt
panel
η =
n
ssp
EnF
TGC
τ
τπ
1
∆
26% ηõ=
n
õssp
EnF
TGC
τ
τπ
1
∆
36%
Hỗnh 4.10. Haỡm nhióỷt õọỹ tộnh t(τ) vaỡ õọỹng tõ(τ) cuớa panel nổồùc sọi1m2 coù W<WS
Caùc haỡm phỏn bọỳ lỏỷp õổồỹc õaợ mọ taớ tổồng õọỳi õỏửy õuớ vaỡ chờnh xaùc sổỷ phuỷ
thuọỹc cuớa nhióỷt õọỹ chỏỳt loớng vaỡo thồỡi gian vaỡ hỏửu hóỳt caùc thọng sọỳ cuớa panel. Noù
cho pheùp suy ra caùc cọng thổùc tờnh nhióỷt vaỡ caùc õióửu kióỷn cỏửn phaới õaùp ổùng khi
muọỳn tàng nhióỷt õọỹ hoàỷc laỡm sọi chỏỳt loớng trong panel.
τ
õt (τ)
6 8 10 12 13,2 14 16 18h
0
20
40
60
80
100
124 C
46 C
o
o
120 121 Co
τs1õ τs1
140 Co
o61 C
s2õτs2τ12,6
100 C = to s
o30 C ∆τõs
∆τst (τ)
61
Caùc cọng thổùc õổa ra coù thóứ duỡng khi tờnh thióỳt kóỳ hoàỷc kióứm tra panel õóứ gia
nhióỷt hay õun sọi caùc chỏỳt loớng khaùc nhau, ồớ vộ õọỹ tuỡy yù, ổùng vồùi caùc giaù trở thờch
hồỹp cuớa caùc thọng sọỳ ρ , Cp , tS vaỡ En , to.
4.2.2. Bọỹ thu kióứu ọỳng coù gổồng phaớn xaỷ daỷng parabol truỷ
4.2.2.1. Bộ thu đặt nằm ngang
Module bộ thu nằm ngang có cấu tạo nh− hình 4.11, gồm một ống hấp thụ sơn
màu đen có chất lỏng chuyển động bên trong, bên ngoài là hai ống thuỷ tinh lồng
vào nhau, giữa hai ống thuỷ tinh là lớp không khí hoặc đ−ợc hút chân không. Tất
cả hệ ống hấp thụ và ống thuỷ tinh đ−ợc đặt trên máng parabol trụ, ph−ơng trình
biên dạng của parabol trụ là:
p
xy
4
2
=
Trong đó: p là khoảng cách đ−ờng tiêu điểm đến đáy parabol.
Theo cách bố trí trên dễ dàng thấy rằng tất cả thành phần vuông góc của tia bức xạ
mặt trời sau khi đến g−ơng parabol thì phản xạ đến tâm của ống hấp thụ.
y
x
y= x
4p
2
p
N
L
Lớp kính ngoài
ống hấp thụ dẫn môi chất
Lớp kính trong
Parabol trụ phản xạ
Cánh nhận nhiệt
Hình 4.11. Cấu tạo loại module bộ thu đặt nằm ngang
62
Vấn đề là cần xác định các thông số kích th−ớc các bộ phận của module bộ
thu và mối quan hệ giữa các thông số sao cho bộ thu có hiệu quả nhất về mặt hấp
thụ nhiệt và về mặt kinh tế.
Các thông số bộ thu và cơ sở tính toán
Khảo sát một bộ thu năng l−ợng mặt trời (module) kiểu ống có g−ơng
parabol trụ nh− hình 4.12.
Bộ thu gồm một ống đồng ở giữa có đ−ờng kính d dày δo, khối l−ợng riêng
ρo nhiệt dung riêng Co, hai bên ống có hàn thêm 2 cánh đồng phẳng có chiều dày
δc, chiều rộng cánh là Wc, hệ số dẫn nhiệt λc và hiệu suất cánh fc, làm nhiệm vụ hấp
thụ năng l−ợng mặt trời với, hệ ống- cánh đ−ợc sơn phủ một lớp sơn đen và có độ
đen ε, bên trong ống chứa chất lỏng có khối l−ợng tĩnh m, l−u l−ợng G[kg/s] nhiệt
dung riêng CP chảy liên tục qua bộ thu. Xung quanh ống đ−ợc bọc 2 ống thủy tinh
có đ−ờng kính d1, d2, dày δk1, δk2 có hệ số dẫn nhiệt, hệ số bức xạ và hệ số truyền
qua lần l−ợt là λk1, λk2, ε1, ε2, D1, D2 làm nhiệm vụ “lồng kính” và cách nhiệt. Giữa
các ống thủy tinh và ống đồng là các lớp không khí có hệ số dẫn nhiệt là λkk hai
đầu đ−ợc đệm kính bằng hai nút cao su dày δd có đ−ờng kính dd và hệ số dẫn nhiệt
λd. Hệ số tỏa nhiệt từ ống thủy tinh ngoài đến không khí có nhiệt độ to là α. Phía
d−ới hệ ống có mặt phản xạ dạng parabol trụ với hệ số phản xạ R với diện tích thu
nắng Fo= N.L. Bộ thu đ−ợc đặt sao cho mặt phản xạ của parabol h−ớng về phía mặt
trời (trục của hệ ống song song với mặt phẳng quỹ đạo của mặt trời).
. ϕ(τ)
τnω
E(τ)
to t
GCp
to
to α
α
d2, D2, δk2, λk2
d1, D1, δk1, λk1
d, ρ, m, Cp
dd, δd, λd LN
δkk, λkk
d, δo, ρo, Co
α
Hình 4.12. Kết cấu bộ thu dạng ống có g−ơng phản xạ parabol trụ đặt
cố định loại đặt nằm ngang
63
C−ờng độ bức xạ mặt trời tới mặt kính tại thời điểm τ là E(τ) = Ensinϕ(τ),
với ϕ(τ) = ω.τ là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, ω= 2π/τn và τn = 24 x
3600s là tốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, En là c−ờng độ bức xạ cực đại
trong ngày, lấy bằng trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét En = ∑ niE3651 .
Lúc mặt trời mọc τ= 0, nhiệt độ đầu của bộ thu và chất lỏng bằng nhiệt độ to của
không khí môi tr−ờng xung quanh.
Ph−ơng trình vi phân cân bằng nhiệt của bộ thu
Ta giả thiết rằng tại mỗi thời điểm τ, xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ
đồng nhất và bằng t(τ). Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu trong khoảng thời gian
dτ kể từ thời điểm τ. Mặt bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1 l−ợng nhiệt bằng δQ1:
δQ1 = ε.Ensinωτ .FD .sinωτ.dτ, [J]. (4.8)
Với FD = D1D2.F1 + fc.D1 D2.F2 + R.D1
1D2
3.F3 + R.D1D2.F4, (4.9)
trong đó: F1= L.d , F2= L.2.Wc , F3= L(d2 - d1), F4= L(N - d2) (xem khe hở
giữa cánh và ống kính trong là bằng 0).
L−ợng nhiệt nhận đ−ợc của bộ thu δQ1 dùng để:
- Làm tăng nội năng của ống hấp thụ dU = (mo.Co + mc.Cc) dt
- Làm tăng entanpy l−ợng n−ớc tĩnh dIm = m.CPdt
- Làm tăng entanpy dòng chất lỏng dIG = G.CP(t - to) dτ
- Truyền nhiệt ra ngoài không khí δQ2 = Ktt .L(t - to)dτ
trong đó: khối l−ợng ống hấp thụ mo= πd.L.δo.ρo, [kg],
khối l−ợng cánh mc= 2LWc.δc.ρc , [kg]
khối l−ợng n−ớc tĩnh m =
4
π
d2.L.ρ [kg],
hệ số tổn thất nhiệt tổng Ktt = [KL + KL
bx + nKd.Fd], [W/mK]
n- số nút đệm trên 1m chiều dài bộ thu, [m]-1
hệ số truyền nhiệt qua nút đệm Kd =
1
1
−
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ + αλ
δ
d
d , [W/m2K]
hệ số truyền nhiệt bằng đối l−u và dẫn nhiệt KL=π.
14
1
1
2
ln.
2
1
.
1
−
=
+ ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ +∑
i i
i
i d
d
d λα , [W/mK]
64
hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ KL
bx= π.σ.εqd.(Ttb+To)(Ttb2+To2), [W/mK]
với εqd =
1
1122
1211111
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −+ εεε ddd , σ = 5.67.10
-8 W/mK4
Ttb = 273 + ttb,nhiệt độ tuyệt đối trung bình tính toán của môi chất trong bộ thu, [K]
Vậy ta có ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu:
δQ1 = dU + dIm + dIG + δQ2 (4.10)
thì ph−ơng trình cân bằng nhiệt (4.2) có thể viết d−ới dạng:
ε.En.FD.sin2ωτ.dτ = (mo.Co+m.CP+mc.Cc)dt+(GCP+KttL)(t - to)dτ. (4.11)
Biến đổi bằng cách thay T(τ) = t(τ) - to và đặt:
a =
C
P
CmmCCm
EF
ccPoo
nD =++.
..ε
, [K/s] (4.12a)
b =
C
W
CmmCCm
LKGC
ccPoo
ttP =++
+
.
.
[1/s] (4.12b)
thì ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu là:
(4.13)
(4.14)
Giải hệ ph−ơng trình 4.13, 4.14 t−ơng tự nh− ở mục trên ta tìm đ−ợc hàm
phân bố nhiệt độ chất lỏng trong bộ thu là:
T(τ) =
b
a
2
[1-
22 4ω+b
b
sin(2ωτ + artg ω2
b
) - 2)2/(1 ω
τ
b
e b
+
−
] (4.15)
Trong đó a và b đ−ợc xác định theo công thức 4.12a và 4.12b
Công thức tính toán bộ thu
Từ hàm phân bố (4.15) ta dễ dàng lập đ−ợc các công thức tính các thông số
kỹ thuật đặc tr−ng cho bộ thu nh− bảng 4.4:
T’(τ) + b.T(τ) = a.sin2(ωτ)
Với điều kiện đầu T(0) = 0
65
Bảng 4.4. Các thông số đặc tr−ng của bộ thu nằm ngang
Thông số đặc tr−ng Công thức tính toán
Độ gia nhiệt lớn nhất
Tm
Tm = )
4
1(
2 22 ω++ b
a
b
a
[oC]
Nhiệt độ cực đại thu đ−ợc
tm
tm= to+ 22 4
1(
2 ω++ b
b
b
a
) [oC]
Thời điểm đạt nhiệt độ cực đại
τ m
τm=τn ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ − ωπ 24
1
8
3 bartg [s]
Sản l−ợng nhiệt trong 1 ngày
Q
Q = b
a n
4
τ
GCP [J]
Nhiệt độ trung bình
ttb
ttb = to + b
a
2
[oC]
Công suất hữu ích trung bình
Ptb
Ptb = b
a
2
GCP [W]
Sản l−ợng n−ớc nóng
M
M = Gn
2
τ
, [kg]
Hiệu suất nhiệt bộ thu
η
η =
o
tb
FE
Q
.
=
o
n
n
n
tb
FdE
Q
n∫ 2/0 .)2sin(2 τ τττπτ
=
on
p
FbE
aGC
.4
π
Bộ thu có g−ơng phản xạ loại này có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt
nh−ng trong hệ thống cần có thêm một bơm tuần hoàn môi chất, nên ch−a thích
hợp cho việc lắp đặt sử dụng ở các vùng sâu vùng xa không có điện l−ới.
66
4.2.2.2 Bộ thu đặt nghiêng
Cấu tạo module bộ thu đặt nghiêng
Module bộ thu đặt nghiêng có cấu tạo nh− hình 3.8, gồm một ống hấp thụ
sơn màu đen có chất lỏng chuyển động bên trong, 2 bên và mặt d−ới ống có hàn 3
cánh nhận nhiệt, bên ngoài là hai ống thuỷ tinh lồng vào nhau, giữa hai ống thủy
tinh là lớp không khí hoặc đ−ợc hút chân không. Tất cả hệ ống hấp thụ và ống thủy
tinh đ−ợc đặt giữa hai máng trụ trái và phải, vị trí t−ơng đối của hệ thống ống-
g−ơng phản xạ đ−ợc miêu tả nh− trên hình 4.13. Biên dạng của máng trụ đ−ợc
dựng bởi 2 cung tròn tâm O1 và O2 ở hai đầu mút cánh trái và phải, bán kính các
cung tròn là (r+W) 2 trong đó r là bán kính ống hấp thụ còn W là chiều rộng của
cánh, tức là các cung tròn này đi qua đầu mút của cánh d−ới (hình 4.13). Với cấu
tạo nh− vậy thì tất cả các tia bức xạ mặt trời trong ngày chiếu đến mặt hứng của bộ
thu đều đ−ợc ống hấp thụ và cánh nhận nhiệt nhận đ−ợc. Trên hình 4.14 và hình
4.15 biểu diễn quá trình truyền của tia bức xạ vuông góc và xiên góc bất kỳ, các tia
bức xạ xiên góc khác cũng có đ−ờng truyền t−ơng tự.
N
Máng trụ trái 2 lớp kính ống hấp thụ bên trong chứa chất lỏng
3 cánh nhận
nhiệt bức xạ
Máng trụ phải
01 20
r+w
(r+w)√2
Hình 4.13. Cấu tạo loại module bộ thu đặt nghiêng
67
Đối với loại bộ thu này g−ơng phản xạ có dạng máng trụ kép nó có tác dụng phản
xạ bức xạ mặt trời đến bề mặt hấp thụ giống nh− parabol trụ trong phần 4.2.2.1 nên
th−ờng đ−ợc gọi chung là g−ơng phản xạ dạng parabol trụ.
N
Hình 4.14. Quá trình truyền của các tia nắng vuông góc
N
Hình 4.15. Quá trình truyền của các tia nắng xiên góc
68
Các thông số bộ thu và cơ sở tính toán
Khảo sát một bộ thu năng l−ợng mặt trời (module) kiểu ống có g−ơng
parabol trụ nh− sau:
Bộ thu gồm một ống đồng ở giữa có đ−ờng kính d dày δo, khối l−ợng riêng
ρo nhiệt dung riêng Co, hai bên và bên d−ới ống có hàn thêm 3 cánh đồng phẳng có
chiều dày δc , chiều rộng cánh là Wc, hệ số dẫn nhiệt λc và hiệu suất cánh fc làm
nhiệm vụ hấp thụ năng l−ợng mặt trời, hệ ống- cánh đ−ợc sơn phủ một lớp sơn đen
và có độ đen ε, bên trong ống chứa chất lỏng, có khối l−ợng tĩnh m, l−u l−ợng
G[kg/s] nhiệt dung riêng CP chảy liên tục qua bộ thu. Xung quanh ống đ−ợc bọc 2
ống thủy tinh có đ−ờng kính d1, d2, dày δk1, δk2 có hệ số dẫn nhiệt, hệ số bức xạ và
hệ số truyền qua lần l−ợt là λk1, λk2, ε1, ε2, D1, D2 làm nhiệm vụ “lồng kính” và
cách nhiệt. Giữa các ống thủy tinh và ống đồng là các lớp không khí có hệ số dẫn
nhiệt là λkk hai đầu đ−ợc đệm kính bằng hai nút cao su dày δd có đ−ờng kính dd và
hệ số dẫn nhiệt λd. Hệ số tỏa nhiệt từ ống thủy tinh ngoài đến không khí có nhiệt
độ to là α. Phía d−ới hệ ống có mặt phản xạ dạng parbol trụ với hệ số phản xạ R với
diện tích thu nắng Fo = N.L. Bộ thu đ−ợc đặt sao cho mặt phản xạ của parabol
h−ớng về phía mặt trời (trục của hệ ống vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của mặt
trời).
.ϕ(τ)
τnω
E(τ)
to
t
GCp
to
to α
α
d2, D2, δk2, λk2
d1, D1, δk1, λk1
d, ρ, m, Cp
L
δkk, λkk
d, δo, ρo, Co
α
N
E(τ)
dd, δd, λd
Wc, δc, λc,Cc
Hình 4.16. Kết cấu bộ thu dạng ống có g−ơng phản xạ parabol trụ
loại đặt nghiêng
69
C−ờng độ bức xạ mặt trời tới mặt kính tại thời điểm τ là E(τ) = Ensinϕ(τ),
với ϕ(τ) = ω.τ là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, ω = 2π/τn và τn = 24 x
3600s là tốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, En là c−ờng độ bức xạ cực đại
trong ngày, lấy bằng trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét En = ∑ niE3651 .
Lúc mặt trời mọc τ = 0, nhiệt độ đầu của bộ thu và chất lỏng bằng nhiệt độ to của
không khí môi tr−ờng xung quanh.
Ph−ơng trình vi phân cân bằng nhiệt của bộ thu
Ta giả thiết rằng tại mỗi thời điểm τ, xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ
đồng nhất và bằng t(τ). Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu trong khoảng thời gian
dτ kể từ thời điểm τ. Mặt module bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1 l−ợng nhiệt bằng
δQ1:
δQ1 = ε.Ensinωτ .FD.sinωτ.dτ, [J]. (4.16)
Với FD = D1D2.F1 + fc.D1 D2.F2 + R. fc.D1D2
3.F3 + R. fc.D1D2.F4, (4.17)
trong đó: F1= L.d , F2= 2L.Wc , F3= L(d2 - d1), F4= L(N - d2). ở đây ta giả
thiết rằng tất cả các tia bức xạ mặt trời chiếu đến mặt bộ thu trên diện tích F4 sau
khi phản xạ từ g−ơng trụ đựơc truyền đến cánh hấp thụ.
L−ợng nhiệt nhận đ−ợc của module bộ thu δQ1 dùng để:
- Làm tăng nội năng của ống hấp thụ-cánh dU = (mo.Co + mc.Cc)dt
- Làm tăng entanpy l−ợng n−ớc tĩnh dIm = m.CPdt
- Làm tăng entanpy dòng chất lỏng dIG = Gdτ.CP(t - to)
- Truyền nhiệt ra ngoài không khí δQ2 = Ktt.L(t - to)dτ
trong đó: mo= Lπd.δo.ρo , [kg]
mc= 3LWc.δc.ρc , [kg],
m =
4
π
d2.L.ρ [kg],
Ktt = [KL + KL
bx + nKd.Fd], [W/mK]
n- số nút đệm trên 1m chiều dài bộ thu, [m]-1 Kd =
1
1
−
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ + αλ
δ
d
d , [W/m2K]
70
hệ số truyền nhệt bằng đối l−u và dẫn nhiệt KL=π.
14
1
1
2
ln.
2
1
.
1
−
=
+ ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ + ∑
i i
i
i d
d
d λα , [W/mK]
hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ KL
bx= π.σ.εqd.(Ttb+To)(Ttb2+To2), [W/mK]
với εqd =
1
1122
1211111
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −+ εεε ddd , σ = 5.67.10
-8 W/mK4
Ttb = 273 + ttb,nhiệt độ tuyệt đối trung bình tính toán của môi chất trong bộ thu, [K]
Vậy ta có ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu:
δQ1 = dU + dIm + dIG + δQ2 (4.18)
Hay có thể viết d−ới dạng:
ε.En.FD.sin2ωτ.dτ = (mo.Co+m.CP+mc.Cc)dt +(GCP+ Ktt.L)(t - to)dτ (4.19)
Biến đổi bằng cách thay T(τ) = t(τ) - to và đặt:
a =
C
P
CmmCCm
EF
ccPoo
nD =++.
..ε
, [K/s] (4.20a)
b =
C
W
CmmCCm
LKGC
ccPoo
ttP =++
+
.
.
[1/s] (4.20b)
thì ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu là:
Giải hệ ph−ơng trình 4.21, 4.22 t−ơng tự nh− ở mục trên ta tìm đ−ợc hàm
phân bố nhiệt độ chất lỏng trong bộ thu là:
T(τ) =
b
a
2
[1-
22 4ω+b
b
sin(2ωτ + artg ω2
b
) - 2)2/(1 ω
τ
b
e b
+
−
] (4.23)
Trong đó a và b đ−ợc xác định theo công thức 4.20a và 4.20b
Công thức tính toán bộ thu
Từ hàm phân bố (4.23) ta dễ dàng lập đ−ợc các công thức tính các thông số
kỹ thuật đặc tr−ng cho bộ thu nh− bảng 4.5.
T’(τ) + b.T(τ) = a.sin2(ωτ) (4.21)
Với điều kiện đầu T(0) = 0 (4.22)
71
Bảng 3.5. Các thông số đặc tr−ng của bộ thu đặt nghiêng
Thông số đặc tr−ng Công thức tính toán
Độ gia nhiệt lớn nhất
Tm
Tm = )
4
1(
2 22 ω++ b
a
b
a
[oC]
Nhiệt độ cực đại thu đ−ợc
tm
tm= to+ 22 4
1(
2 ω++ b
b
b
a
) [oC]
Thời điểm đạt nhiệt độ cực đại
τ m
τm=τn ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ − ωπ 24
1
8
3 bartg [s]
Sản l−ợng nhiệt trong 1 ngày
Q
Q = b
a n
4
τ
GCP [J]
Độ gia nhiệt trung bình
Tn
Tn = b
a
2
[oC]
Nhiệt độ trung bình
ttb
ttb = to + b
a
2
[oC]
Công suất hữu ích trung bình
Ptb
Ptb = b
a
2
GCP [W]
Sản l−ợng n−ớc nóng
M
M = Gn
2
τ
, [kg]
Hiệu suất nhiệt bộ thu
η
η=
o
tb
FE
Q
.
=
o
n
n
n
tb
FdE
Q
n∫ 2/0 .)2sin(2 τ τττπτ
=
on
p
FbE
aGC
.4
π
G−ơng phản xạ của loại bộ thu này có cấu tạo hơi phức tạp hơn, nh−ng hệ
thống làm việc theo nguyên tắc đối l−u tự nhiên nên không cần phải có thêm bơm
tuần hoàn môi chất, do đó rất thích hợp cho việc triển khai sử dụng ở các vùng sâu
vùng xa không có điện l−ới.
Tính toán chọn kích th−ớc bộ thu
Các kích th−ớc module bộ thu cần phải chọn hoặc tính toán sao cho bộ thu
đạt đ−ợc hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế cũng nh− khả năng hấp thụ nhiệt từ
NLMT, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về mặt cấp nhiệt. Các kích th−ớc của
module bộ thu có ảnh h−ởng đến hiệu suất bộ thu cần phải tính chọn là:
72
- Đ−ờng kính ống hấp thụ chứa môi chất d
- Chiều rộng cánh nhận nhiệt W
- Đ−ờng kính ống thuỷ tinh trong d1
- Đ−ờng kính ống thuỷ tinh ngoài d2
- Chiều rộng g−ơng trụ phản xạ N
- Đ−ờng kính ống hấp thụ d: Nếu d lớn thì diện tích hấp thụ lớn, diện tích nhận
nhiệt của n−ớc lớn nên nói chung hiệu suất bộ thu tăng. Mặt khác nếu d tăng thì
nhiệt dung C của hệ bộ thu tăng do đó tốc độ gia nhiệt a giảm, hơn nữa nếu d lớn
quá thì kết cấu bộ thu sẽ cồng kềnh và không kinh tế. Tốt nhất ta chọn đ−ờng kính
của ống hấp thụ d = 10mm.
- Chiều rộng cánh nhận nhiệt W: Theo công thức 4.2 và 4.10, khi tăng chiều rộng
cánh W, thì FD tăng, mà FD tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu
tăng. Nh−ng nếu W tăng, hiệu suất cánh fc giảm do đó FD giảm. Vậy ta phải chọn
W sao cho tối −u nhất.
Theo tính toán với tr−ờng hợp này thì tốt nhất ta chọn W sao cho WKtt .
2/1
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
λδ < 0,5
lúc đó hiệu suất cánh fc > 0,95. Ví dụ: Cánh làm bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt
λ=25W/m.độ, chiều dày cánh δ = 0,001m, cánh đ−ợc gắn trên ống đồng đ−ờng
kính d =0,01m. Với trao đổi nhiệt đối l−u tự nhiên ta lấy Ktt=10W/m2độ ta có biểu
thức chọn chiều rộng cánh là:
W
Ktt .
2/1
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
λδ = W.001,0.25
10
2/1
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
< 0,5 Vậy ta có W < 0,025m.
- Đ−ờng kính ống thuỷ tinh trong d1: ống thuỷ tinh trong làm nhiệm vụ tạo "lồng
kính". Th−ờng ta chế tạo sao cho hệ ống hấp thụ- cánh đặt khít vào ống thuỷ tinh
trong có đ−ờng kính d1 tức là d1 = d + 2W. Vậy đ−ờng kính d1 phụ thuộc vào d và
W, do đó theo phân tích và nhận xét ở trên nếu đ−ờng kính ống hấp thụ d =0,01m
thì tốt nhất ta chọn d1 < 0,06.
73
- Đ−ờng kính ống thuỷ tinh ngoài d2: ống thuỷ tinh ngoài làm nhiệm vụ cách nhiệt
chống tổn thất ra môi tr−ờng xung quanh. Theo nguyên tắc thì d2 càng lớn (lớp
không khí giữa 2 ống thuỷ tinh càng lớn) thì tổn thất nhiệt càng ít, nh−ng thực tế
với loại bộ thu kiểu ống này nếu d2 tăng thì theo công thức 4.9 và 4.17 ta thấy FD
giảm nhất là với bộ thu đặt nghiêng, do đó tốc độ gia nhiệt a giảm và hiệu suất bộ
thu giảm. Do vậy ta chọn d2 càng nhỏ càng tốt (nh−ng tất nhiên phải lớn hơn d1),
nhất là đối với bộ thu đ−ợc hút chân không giữa 2 ống thuỷ tinh.
- Chiều rộng g−ơng trụ phản xạ N: Theo công thức 4.9 và 4.17 ta thấy rằng N
càng tăng thì FD tăng, mà FD tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu
tăng và nhiệt độ môi chất thu đ−ợc cũng tăng. Đối với bộ thu nằm ngang trong hệ
thống đối l−u tuần hoàn tự nhiên thì sự ảnh h−ởng của chiều rộng g−ơng trụ N đến
hiệu suất bộ thu và nhiệt độ thu đ−ợc của môi chất sẽ đ−ợc khảo sát kỹ ở phần sau.
Chiều rộng N của bộ thu loại đặt nghiêng trong hệ thống đối l−u tuần hoàn tự
nhiên thì bị hạn chế bởi chiều rộng của tổ hợp ống - cánh (hình 4.13).
Tức là N ≤ ( ) )21(2 ++ Wd .
74
4.3. Thiết bị ch−ng cất n−ớc bằng NLMT
4.3.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của thiết bị
Trờn trỏi đất của chỳng ta, những nơi cú nhiều nắng thỡ thường ở những nơi đú
nước uống bị khan hiếm. Bởi vậy năng lượng mặt trời đó được sử dụng từ rất lõu
để thu nước uống bằng phương phỏp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiểm
mặn. Cú rất nhiều thiết bị khỏc nhau đó được nghiờn cứu và sử dụng cho mục đớch
này, một trong những hệ thống chưng cất nước dựng năng lượng mặt trời đơn giản
được mụ tả như hỡnh 4.17.
Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay ở dưới và được đun núng bởi sự
hấp thụ năng lượng mặt trời. Phần đỏy của khay được sơn đen để tăng quỏ trỡnh
hấp thu bức xạ mặt trời, nước cú thể xem như trong suốt trong việc truyền bức xạ
sú
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- giao_trinh_nang_luong_mat_troi_ly_thuyet_va_ung_dung_phan_2.pdf