Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng (Phần 2)

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