Khai thác năng lượng mặt trời bằng động cơ đốt ngoài

CUỘC THI KHOA HỌC KĨ THUẬT CẤP QUỐC GIA DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC Năm học 2014-2015 TÊN ĐỀ TÀI : KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI BẰNG ĐỘNG CƠ ĐỐT NGOÀI LĨNH VỰC DỰ ÁN: KỈ THUẬT ĐIỆN VÀ CƠ KHÍ Nhóm tác giả: 1) Đậu Văn Thuận - Lớp 9B 2) Nguyễn Ngọc Chính - Lớp 9B Trường THCS Diễn Hải - Huyện Diễn Châu MỤC LỤC 1. LỜI CẢM ƠN.3 2. TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN.........4 3. GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU5 4. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU...7 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......8 6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...............11 7. THẢO LUẬN ...................................12 8. KẾT LUẬN.......................................13 9. TÀI LIỆU THAM KHẢO.................15 LỜI CẢM ƠN Đề tài được hoàn thành vào tháng 12 năm 2014 tại trường THCS Diễn Hải dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Đình Hòa, Thầy giáo Nguyễn Minh Đồng , Thầy Ngô Xuân Sơn. Qua đây, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo trường đã tạo mọi điều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu. Cũng nhân dịp này em xin trân trọng cảm ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ nhiệt tình của ban lãnh đạo Phòng GD & ĐT Diễn Châu, Các thầy giáo ở Sở GD ĐT Nghệ An đã động viên và cho chúng em nhiều lời khuyên quý báu . Cảm ơn sâu sắc tới các thầy giáo : Nguyễn Đình Hòa, Thầy giáo Nguyễn Minh Đồng, Thầy Ngô Xuân Sơn trường THCS Diễn Hải đã giúp đỡ, cho chúng em những lời khuyên sâu sắc để chúng em hoàn thành sản phẩm nghiên cứu này. Chúng em chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn ủng hộ trong suốt thời gian qua. Đề tài được hoàn thành bằng tất cả sự nỗ lực và cố gắng của bản thân chúng em , song không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các chuyên gia để đề tài được hoàn thiện hơn. TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá dần dần cạn kiệt không còn còn để khai thác được nữa. Ngoài ra những nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người. Trong khi đó năng lượng mặt trời lại dồi dào và giảm tình trạng ô nhiễm môi trường. Vì vậy tập trung nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất trong thời dại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu. Chúng ta có thể sự dụng năng lượng Mặt trời cung cấp nhiệt cho động cơ đốt ngoài . Đầu tiên chúng ta dùng hệ thống gương cầu lõm hứng ánh sáng Mặt trời chiếu đến gương. Gương cầu lõm có tác dụng biến đổi chùm sáng song song thành chùm sáng hội tụ và cung cấp nhiệt cho động cơ đốt ngoài hoạt động . Chúng ta có thể sử dụng động cơ đốt ngoài này cho việc làm máy phát điện hoạt động hoặc làm máy công tác cho các động cơ khác. Sử dụng động cơ đốt ngoài có thể đạt được hiệu suất cao nhất so với các loại động cơ nhiệt khác. Bên cạnh đó còn có ưu điểm là tiếng ồn nhỏ khi làm việc, chu trình làm việc kín do đó khí làm việc không thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường. Mặt khác, do sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, sẵn có, sạch, thân thiện và bền vững với môi trường. . GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tính cấp thiết và lý do của việc nghiên cứu đề tài Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá dần dần cạn kiệt không còn còn để khai thác được nữa. Ngoài ra những nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người. Trong khi đó năng lượng mặt trời lại dồi dào và giảm tình trạng ô nhiễm môi trường. Vì vậy tập trung nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất trong thời dại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu. Chúng ta biết rằng năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên trái đất. Ngay ngoài khí quyển trái đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng mặt trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400Jun trong một giây. Để tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời, chúng ta cần tìm ra những giải pháp công nghệ mới cho các loại động cơ điện và nhiệt, phổ biến rộng rãi trong các ứng dụng của đời sống hàng ngày, vừa mang lại hiệu quả kinh tế cao, vừa đảm bảo giải quyết các vấn đề năng lượng và môi trường, đồng thời cũng đảm bảo các mục tiêu phát triển bền vững. Động cơ đốt ngoài là loại động cơ đốt ngoài với chu trình làm việc khép kín. Động cơ bao gồm hai phần chính được duy trì ở nhiệt độ làm việc khác nhau và một chất khí lưu thông giữa hai phần này. Không giống như các loại động cơ thông thường và động cơ hơi nước, động cơ đốt ngoài không có các cơ cấu van đóng mở vì vậy đặc điểm của loại động cơ này là thể tích khối khí làm việc luôn không đổi và khí này luôn được tái sử dụng. Sử dụng động cơ đốt ngoài có thể đạt được hiệu suất cao nhất so với các loại động cơ nhiệt khác. Bên cạnh đó còn có ưu điểm là tiếng ồn nhỏ khi làm việc, chu trình làm việc kín cho đó khí làm việc không thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường. Thêm nữa, việc sử dụng hoàn toàn các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo được sẽ đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về khí thải cũng như các vấn đề về đảm bảo môi trường. hơn loại hình động cơ này. Nhận thấy những lợi ích to lớn mà loại hình động cơ này mang lại: sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, sẵn có, sạch, thân thiện và bền vững với môi trường; đồng thời trong quá trình làm việc không thải ra khí gây ô nhiễm môi trường, chúng em gồm Đậu Văn Thuận và Nguyễn Ngọc Chính là học sinh trường THCS Diễn Hải , Diễn Châu, Nghệ An đã tiến hành nghiên cứu,đề tài ”Khai thác năng lượng Mặt Trời bằng động cơ đốt ngoài” 2. Lý do của việc nghiên cứu đề tài Thứ nhất, nhằm áp dụng các kiến thức đã được tiếp thu trong quá trình học tập trên ghế nhà trường. Thực hiện phương châm "học đi đôi với hành", nâng cao hiệu quả của học tập. Thứ hai, góp công sức mình vào công cuộc bảo vệ môi trường hiện nay. Với mục đích này chúng em đã tận dụng năng lượng Mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận có thể cung cấp nhiệt liên tục cho động cơ. Mặt khác động cơ đốt ngoài có thể đạt được hiệu suất cao nhất so với các loại động cơ nhiệt khác. Bên cạnh đó còn có ưu điểm là tiếng ồn nhỏ khi làm việc, chu trình làm việc kín cho đó khí làm việc không thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1. Giả thuyết khoa học: Như chúng ta đã đề cập ở trên, hiện nay các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá dần dần cạn kiệt không còn để khai thác được nữa. Ngoài ra những nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người. Trong khi đó năng lượng mặt trời lại dồi dào và giảm tình trạng ô nhiễm môi trường. Vì vậy tập trung nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất trong thời dại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu. Ánh sáng Mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, chúng có mặt mọi nơi trên Trái Đất. Chúng ta cần phải biết khai thác nguồn năng lượng này sao hiệu quả ? Chúng ta có thể biến năng lượng ánh sáng này thành nhiệt năng để từ đó cung cấp nhiệt cho động cơ hoạt động được không ?. Nếu có thì bằng cách nào ? Mục đích nghiên cứu: Tìm cách khai thác năng lượng Mặt trời bằng động cơ đốt ngoài. Từ đó sử dụng động cơ đốt ngoài làm máy phát điện có công suất nhỏ hoạt động hoặc làm máy công tác cho các động cơ khác hoạt động. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nguồn nhiệt Cung cấp nhiệt cho động cơ đốt ngoài. - Cấu tạo: + Một gương cầu lõm. + Giá đỡ. Nguyên lý hoạt động: Gương cầu lõm dùng để hứng ánh sáng Mặt trời, khi ánh sáng Mặt trời là những chùm sáng song song chiếu đến gương cầu lõm, gương cầu lõm có tác dụng biến đổi chùm sáng song song thành chùm sáng hội tụ nghĩa là biến đổi quang năng thành nhiệt năng. Nhiệt năng này cung cấp cho động cơ đốt ngoài làm nó hoạt động. * Ưu điểm: sử dụng nguồn năng lượng sạch và vô tận là ánh sáng Mặt trời có mặt mọi nơi trên Trái Đất. * Nhược điểm: cường độ ánh sáng phụ thuộc và thời tiết. Mặt khác, Mặt trời luôn luôn di chuyển từ Đông sang Tây do khó hứng được ánh sáng. Vì vậy cần cải tiến hệ thống điều chỉnh hứớng của gương cầu lõm sao cho hứng được ánh sáng Mặt trời . 2. Động cơ đốt ngoài Biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. - Cấu tạo: + bộ phận làm nóng. + bộ phần làm lạnh. + hệ thống truyền chuyển động. Nguyên lý hoạt động: Ðộng cơ nhiệt là một thiết bị có thể liên tục chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Nếu ta đốt nóng một đầu xilanh (đầu nóng) nguồn nhiệt được sử dụng là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xilanh thì áp suất và nhiệt độ không khí bên trong tăng lên. áp suất cao sẽ đẩy pít tông chuyển động và sinh ra công hữu ích (Hình: 1,2,3,4). Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra công, nhưng với nguồn có nhiệt độ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Ðộng cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành công một lần đơn giản như trên mà cần phải có khả năng tiếp tục sinh công. Công có thể sinh ra từ không khí nóng trong xilanh chừng nào còn có quá trình giãn nở và đến khi áp suất bên trong giảm xuống bằng áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết thúc (pít tông dừng lại). Hình 4 Quá trình dãn nở cho đến khi áp suất không khí bên trong bằng áp suất khí quyển Hình 5 : Nếu ngừng cung cấp nhiệt mà thải nhiệt thì áp suất không khí bên trong giảm xuống HÌnh 6 : Pít tông chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao hơn. Nếu khi pít tông chuyển động đến đầu bên phải của xilanh, ta ngừng quá trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt độ và áp suất của không khí phía trong xilanh giảm xuống đến khi áp suất của không khí bên trong thấp hơn áp suất của khí quyển bên ngoài thì pít tông sẽ chuyển động ngược lại và trở lại vị trí ban đầu. (Hình: 5, 6) Do nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ liên tục. Do vậy để động cơ nhiệt hoạt động được trong thực tế thì ngoài xi lanh và pít tông như trên thì động cơ cần phải có thêm các bộ phận phụ như pít tông choán chỗ, bánh đà v.v... và các bộ phận này phải kết hợp với nhau sao cho quá trình nhận và thải nhiệt của mỗi chất đúng chu kỳ. Sử dụng động cơ đốt ngoài có thể đạt được hiệu suất cao nhất so với các loại động cơ nhiệt khác. Bên cạnh đó còn có ưu điểm là tiếng ồn nhỏ khi làm việc, chu trình làm việc kín do đó chất khí làm việc không thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường. Thêm nữa, việc sử dụng hoàn toàn các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo được sẽ đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về khí thải cũng như các vấn đề về đảm bảo môi trường. bánh đà pít tông sinh công pít tông choán chỗ phần lạnh phần nóng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Chúng ta đã biết cách khai thác năng lượng ánh sáng Mặt trời và chuyển hóa năng lượng này thành năng lượng nhiệt, sử dụng nguồn năng lượng nhiệt vừa tạo ra này để cung cấp cho động cơ đốt ngoài hoạt động. Chúng ta có thể sử dụng động cơ đốt ngoài này cho việc làm máy phát điện có công suất nhỏ hoạt động hoặc làm máy công tác cho các động cơ khác. THẢO LUÂN Chúng em đã dùng hệ thống gương cầu lõm để hứng ánh sáng Mặt trời từ đó cung cấp nhiệt lượng cho động cơ nhiệt. Tuy nhiên, cường độ ánh sáng Mặt trời phụ thuộc vào thời tiết cũng như thời gian trong ngày do đó ảnh hưởng đến việc cung cấp nhiệt lượng cho động cơ đốt ngoài hoạt động. Mặt khác, Mặt trời luôn luôn chuyển động theo thời gian do đó để hứng được ánh sáng Mặt trời thì cần thiết kế hệ thống gương cầu lõm tự động xoay theo hướng của Mặt trời. Đối với động cơ đốt ngoài, khi cung cấp nhiệt cho phần nóng ở xi lanh thì nhiệt này có thể truyền nhiệt và làm nóng phần lạnh . Do đó, ở phần lạnh của động cơ đốt ngoài cần lắp đặt hệ thống tản nhiệt cũng như lắp đặt thêm hệ thống cách nhiệt, ngăn không cho nhiệt truyền vào phần lạnh của động cơ. Ngoài ra, đối với mô hình động cơ đốt ngoài này , bộ phận pít tông sinh công chúng em làm bằng bong bóng nên khi hoạt động nó không được bền. Trong thực tế cần sử dụng pít tông phải làm bằng vật liệu tốt hơn. VIII. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết quả. Qua quá trình nghiên cứu đề tài thu được kết quả như sau : Chúng em đã khai thác nguồn năng lượng Mặt trời vào việc cung cấp nhiệt lượng cho động cơ đốt ngoài hoạt động. Từ đó có thể sử dụng động đốt ngoài này vào việc làm máy phát điện có công suất nhỏ hoạt động . Từ đó có thể cung cấp điện năng cho các thiết bị điện dùng trong gia đình. Ngoài ra, động cơ đốt ngoài tạo ra ở trên cũng có thể đóng vai trò là máy công tác giúp cho các động cơ khác như máy bơm nước, máy khoan, .....hoạt động. Đặc biệt có thể lắp đặt hệ thống máy này ở những nơi không có điện lưới như ở hải đảo hay ở vùng sâu vùng xa. Những ưu điểm của đề tài. So với việc sử dụng các nhiên liệu đốt cháy như than, dầu , xăng, khí đốt...... làm nguồn nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho động cơ hoạt động thì thải ra môi trường các chất độc hại làm ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của con người. Việc khai thác năng lượng Mặt trời để cung cấp nhiệt cho động cơ đốt ngoài hoạt động đã góp phần bảo vệ môi trường sống. Mặt khác, tận dụng và khai thác nguồn năng lượng Mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận này là hướng đi mới đặc biệt trong thời đại ngày càng khan hiếm tài nguyên cũng như môi trường sống của con người ngày càng bị đe dọa. Sử dụng động cơ đốt ngoài có thể đạt được hiệu suất cao nhất so với các loại động cơ nhiệt khác. Bên cạnh đó còn có ưu điểm là tiếng ồn nhỏ khi làm việc, chu trình làm việc kín do đó chất khí làm việc không thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường. Thêm nữa, việc sử dụng hoàn toàn các nguồn năng lượng sạch và năng lượng tái tạo được sẽ đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về khí thải cũng như các vấn đề về đảm bảo môi trường. Động cơ đốt ngoài có thể ứng dụng cho việc chạy máy phát điện cũng như làm máy công tác cho các động cơ khác hoạt động. Điều này có thể áp dụng cho những nơi không có điện lưới như ngoài hải đảo, hay vùng sâu vùng xa. Hạn chế của đề tài. Do sử dụng nguồn nhiệt lấy năng lượng Mặt trời nên không ổn định vì cường độ ánh sáng Mặt trời phụ thuộc và đặc điểm thời tiết cũng như thời gian trong ngày. Động cơ đốt ngoài khi ứng dụng ngoài thực tế kích thước phải to lớn Khả năng ứng dụng vào thực tiển. Để giải bài toán về năng lượng trong tương lai cũng như việc bảo vệ môi trường sống thì với những ưu điểm trên thì đề tài “khai thác năng lượng Mặt trời bằng động cơ đốt ngoài “ nếu ứng dụng vào thực tiễn sẽ đem lại những hiệu quả nhất định. Kết luận. Việc sử dụng năng lượng Mặt trời vào việc làm động cơ đốt ngoài hoạt động, từ đó có thể àm máy phát điện dùng trong gia đình hoạt động hay làm máy công tác cho các động cơ khác. Như vậy, chúng ta có thể tạo ra hệ thống máy móc mà khi làm việc ít thải ra môi trường sống các chất độc hại cũng như giảm bớt việc ô nhiễm tiếng ồn. Chúng ta cũng đã gải quyết được bài toán năng lượng mà hiện nay thế giới đang quan tâm. Mặt khác, dùng năng lượng Mặt trời chạy động cơ đốt ngoài có thể ứng dụng vào việc chạy máy phát điện hay làm máy công tác chạy động cơ áp dụng ở những nơi hải đảo xa xôi hay vùng sâu vùng xa , những nới chưa có điện lưới. Tuy nhiên với tầm hiểu biết còn hạn chế cả về lý thuyết lẫn thực tiễn trong việc nghiên cứu đề tài này chắc chắn sẽ còn những điều sai sót hay chưa hợp lý. Chúng em mong muốn nhận được sự giúp đỡ và góp ý của những người am hiểu lĩnh vực này. Xin trân trọng cảm ơn hướng dẫn của các thầy Nguyễn Đình Hòa, thầy giáo Nguyễn Minh Đồng và các thấy cô giáo khác, cảm ơn bạn bè và những người giúp đỡ chúng em trong quá trình hoàn thành đề tài này. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Sách giáo khoa Vật Lí 7 – Nhà xuất bản giáo dục. 2. Sách giáo khoa Vật Lí 8 – Nhà xuất bản giáo dục. 3. Sách giáo khoa Vật Lí 9 – Nhà xuất bản giáo dục. 4. Sách giáo khoa Công nghệ 8 – Nhà xuất bản giáo dục. 5 . Đề tài : nghiên cứu động cơ stirling bằng năng lượng mặt trời – Hoàng Dương Hùng và Phan Quý Trà (ĐH Đà nẵng)