Thiết kế nhà máy nhiệt điện mặt trời dạng stirling dish

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI LỜI NÓI ĐẦU Trước nguy ngày khan cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch nhu cầu lượng người ngày tăng việc tìm kiếm khai thác nguồn lượng lượng địa nhiệt, lượng gió, lượng mặt trời,.v.v hướng quan trọng cấp bách kế hoạch phát triển lượng Năng lượng mặt trời nguồn lượng coi vô tận siêu mà tạo hóa ban tặng miễn phí cho trái đất Việc nghiên cứu đưa vào sử dụng nguồn lượng mặt trời ngày quan tâm phát triển mạnh mẽ Ngay Việt Nam việc áp dụng nguồn lượng mẻ vào phục vụ đời sống sinh hoạt điều vô cần thiết Nguồn lượng tháo gỡ phần toán thiếu hụt lượng trầm trọng đặc biệt lại nguồn lượng thân thiện với môi trường Việt Nam nước nhiệt đới, nằm vành đai nội chí tuyến nên tổng số nắng năm lớn, khu vực Miền Trung có khoảng 2900 nắng với cường độ xạ tương đối cao, lên đến 950W/m2 thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng thiết bị sử dụng lượng mặt trời Với mục tiêu nghiên cứu nguồn lượng Mặt Trời thiết kế hệ thống nhà máy nhiệt điện Mặt Trời nên em chọn đề tài “Thiết kế nhà máy nhiệt điện Mặt Trời dạng Stirling dish” cho đề tài tốt nghiệp Mặc dù cố gắng hoàn thành đề tài, bước đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học, trình độ thân hạn chế nên đề tài tránh khỏi sai sót Rất mong thông cảm góp ý quý thầy cô để đề tài hoàn thiện Qua em xin chân thành cảm ơn đến tất quý thầy cô khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Bình Dương tạo điều kiện giúp đỡ cho em hoàn thành đề tài này, đặc biệt em cảm ơn đến ThS Phạm Quang Minh thầy bỏ công sức thời gian hướng dẫn suốt trình thực đề tài em Chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Hà Văn Hữu SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯNG MẶT TRỜI 1.1 KHÁI QUÁT VỀ MẶT TRỜI VÀ KHÍ QUYỂN TRÁI ĐẤT Mặt trời nằm trung tâm Hệ Mặt Trời, Trái đất thiên thể khác hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, chổi bụi bay xung quanh Mặt trời Năng lượng Mặt trời dạng ánh sáng hỗ trợ cho hầu hết sống Trái đất thông qua trình quang hợp điều khiển khí hậu thời tiết Trái đất Dưới xin giới thiệu sơ lược liên quan chặt chẽ Mặt trời Trái đất 1.1.1 Cấu trúc Mặt trời [4] Mặt trời khối khí hình cầu có đường kính 1,39.106km (lớn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng đơn vị thiên văn AU ánh sáng, mặt trời cần khoảng phút để vượt qua khoảng cách đến trái đất) Khối lượng Mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ vật chất giữ cấu trúc trật tự Hình 1.1.1 Hình ảnh bên thông thường gồm nguyên tử Mặt trời phân tử Nó trở thành plasma hạt nhân nguyên tử chuyển đông tách biệt với electron Khi hạt nhân tự có va chạm với xuất vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất vật chất nguội bề mặt nhìn thấy Mặt trời, nhà khoa học kết luận có phản ứng nhiệt hạch xảy lòng Mặt trời Về cấu trúc, Mặt trời chia làm vùng, tất hợp thành khối cầu khí khổng lồ Vùng gọi nhân hay “lõi” có chuyển động đối lưu, nơi xảy phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn lượng Mặt trời, vùng có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng vùng trung gian gọi làvùng “đổi ngược” qua lïng truyền SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI từ ngoài, vật chất vùng gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cacbon ( C), silíc (Si) khí hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng khoảng 400.000km Tiếp theo vùng “đối lưu” dày 125.000km vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km Ở vùng gồm bọt khí sôi sục, có chỗ tạo vết đen, hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng vùng bất định gọi là“khí quyển” Mặt trời Hình 1.1.2 Cấu trúc Mặt trời (hình vẽ NASA) Nhiệt độ bề mặt Mặt trời khoảng 6000K, xác 5762K nghóa có giá trị đủ lớn để nguyên tử tồn trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để lại xuất nguyên tử bình thường cấu trúc phân tử Dựa sở phân tích phổ xạ hấp thụ Mặt trời người ta xác định Mặt trời có 2/3 số nguyên tố tìm thấy Trái đất Nguyên tố phổ biến Mặt trời nguyên tố nhẹ Hydro Vật chất Mặt trời bao gồm chừng 92,1% Hydro gần 7,8% Hêli, 0,1% nguyên tố khác Nguồn lượng xạ chủ yếu Mặt trời phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng đưa đến tạo thành Hêli Hạt nhân Hydro có hạt mang điện dương proton Thông thường hạt mang điện dấu đẩy nhau, nhiệt độ đủ cao chuyển độâng chúng nhanh tới mức chúng tiến gần tới khoảng cách mà kết hợp với tác dụng lực hút Khi hạt nhân Hrô lại tạo hạt nhân Hêli, neutrino lượng xạ : 4H11 = He24 + Neutrino +  SVTH: HÀ VĂN HỮU (1.1) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Neutrino hạt không mang điện, bền có khả đâm xuyên lớn Sau phản ứng Neutrino rời khỏi phạm vi Mặt trời không tham gia vào “biến cố” sau Trong trình diễn biến phản ứng có lượng vật chất Mặt trời bị Khối lượng Mặt trời giây giảm chừng 4.106 tấn, nhiên theo nhà nghiên cứu, trạng thái Mặt trời không thay đổi thời gian hàng tỷ năm Mỗi ngày Mặt trời sản xuất nguồn lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh (tức chưa đầy phần triệu giây mặt trời giải phóng lượng lượng tương đương với tổng số điện sản xuất năm Trái đất) 1.1.2 Khí quyền Trái đất [3] Trái đất hình thành cách gần tỷ năm từ vành đai bụi khí quay quanh Mặt trời, kết tụ thành cầu xốp tự xoay quay quanh Mặt trời Lực hấp dẫn ép cầu co lại, khiến nhiệt độ nổ tăng lên hàng ngàn độ, làm nóng chảy cầu, nguyên tố nặng Sắt Niken chìm dần vào tâm tạo lõi đất, xung quanh magma lỏng, khí sơ khai gồm H2, He, H2O, CH4, NH3 H2SO4 Trái Đất tiếp tục quay, tỏa nhiệt nguội dần Hình 1.1.3 Hình ảnh Trái Đất Cách 3,8 tỷ năm nhiệt độ đủ nguội để Silicat lên mặt magma đông cứng lai, tạo vỏ Trái đất dày khoảng 25km, với núi cao, đất hố sâu Năng lương phóng xạ lòng đất với xạ Mặt trời tiếp tục gây biến đổi địa tầng, tạo thêm H2O, N2, O2, CO2 khí Khí nguội dần đến độ nước ngưng tụ, gây mưa kéo dài hàng triệu năm, tạo sông hồ, biển đại dương Trái đất hành tinh lớn số hành tinh bên Hệ Mặt trời với đường kính xích đạo 12.756 km Nhìn từ không gian, Trái đất có màu xanh, nâu xanh với đám mây trắng thường xuyên thay đổi Bề mặt Trái đất có đặc tính mà không hành tinh khác có: hai trạng SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI thái vật chất tồn bên thể rắn thể lỏng Vùng ranh giới biển đất liền nơi vũ trụ có vật chất hữu ổn định thể rắn, lỏng khí Hành tinh Trái đất di chuyển quỹ đạo gần ellip, mặt trời không tâm ellip, mà tiêu điểm Trong thời gian năm, có Trái đất gần, có xa Mặt trời đôi chút, quỹ đạo ellip gần hình tròn Hàng năm, vào tháng giêng, trái đất gần Mặt trời so với vào tháng khoảng triệu km, sai biệt nhỏ so với khoảng cách mặt trời đến Trái đất Chúng ta không cảm nhận khác biệt vòng quay Trái đất quanh Mặt trời, hay năm, khác biệt khoảng cách không ảnh hưởng đến mùa đông mùa hè Trái đất, có điều vào mùa đông gần Mặt trời so với mùa hè chút Trái đất chuyển động quanh mặt trời, đồng thời tự quay quanh trục Trong thời gian quay vòng quanh Mặt trời, trái đất quay 365 1/4 vòng quanh trục Chuyển động quay quanh Mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày đêm Trái đất Trục quay Trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, có mùa đông mùa hè Trái đất quay, đứng Trái đất cố định gắn chặt với cầu bầu trời quay xung quanh Chuyển động quay Trái đất không nhanh để lực ly tâm bắn không gian Lực ly tâm tác dụng lên vật quay theo Trái đất, vô nhỏ Lực ly tâm lớn xích đạo, kéo vật thể lên phía làm chúng nhẹ chút Vì thế, vật thể xích đạo cân nhẹ năm phần ngàn so với hai cực Hậu chuyển động quay làm cho Trái đất không cầu tròn mà lực ly tâm làm cho phình xích đạo chút Sự sai khác thực không đáng kể, bán kính Trái đất xích đạo 6.378.140km, lớn khoảng cách từ cực đến tâm Trái đất gần 22km Sự sống đại dương có khả tạo sống hữu Trái đất Trên hành tinh khác gần Kim nóng Hoả lạnh Nước Kim bốc thành nước, cò n nước Hoả đóng thành băng bên bề mặt Chỉ có hành tinh phù hợp cho nước thể lỏng với nhiệt độ từ đến 100oC Xung quanh Trái đất có lớp khí dày khoảng H = 800 km chứa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2 , He, Ar, Ne Aùp suaát khối lượng riêng khí giảm dần với độ cao y theo quy luật: SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cp/R (1.2) (y) = 0(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cv/R (1.3) Khí tác động đến nhiệt độ hành tinh Các vụ phun trào núi lửa với hoạt động người làm ảnh hưởng đến thành phần cấu tạo khí Vì thế, hệ sinh thái hành tinh kết cân mong manh ảnh hưởng khác Trong khứ, hệ sinh thái hệ thống cân tự điều chỉnh, ngày tác động người nguyên nhân làm vượt qua trạng thái cân Lớp không khí bao quanh Trái đất tích khoảng 270 triệu km3 nặng khoảng 5.300 tỷ đè lên thân thể Những mà cảm nhận xảy tầng thấp cao khoảng 18km cột không khí khổng lồ này, nhiên, phần nhỏ lại đóng vai trò quan trọng sống hành tinh Trong không khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ 21% oxy với 1% argon số chất khí khác nước có khoảng 0,03% khí cácbonic Mặc dù hàm lượng khí cácbonic nhỏ, lại đóng vai trò quan trọng sống Trái đất Càng lên cao áp suất không khí giảm nhiệt độ thay đổi nhiều, nhiên nhiệt độ không khí không hạ xuống cách đơn giản tiến không gian, nhiệt độ không khí giảm tăng theo chu trình định Nhiệt độ tầng tương ứng với mức tích tụ loại lượng tác động tầng Khí Trái đất chia làm tầng, tầng có kiểu cân lượng khác Tầng gọi tầng đối lưu (Troposphere) tầng bị chi phối ánh sáng khả kiến tia hồng ngoại, gần 95% tổng số khối lượng toàn nước khí phân bố tầng này, tầng đối lưu cao khoảng 14km Gần toàn trao đổi lượng khí trái đất xảy tầng Mặt đất mặt biển bị hâm nóng lên ánh nắng mặt trời Nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất khoảng 15oC, xạ nhiệt đóng vai trò điều tiết tự nhiên để giữ cho nhiệt độ mặt đất thay đổi dải tầng hẹp SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Hình 1.1.4 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao tầng khí Theo lý thuyết, lên cao nhiệt độ giảm T(y) = T0 - (g/Cp).y, thực tế không Trên tầng đối lưu tầng bình lưu (Stratosphere), nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại Nhiệt độ vùng chuyển tiếp vùng đối lưu vùng bình lưu khoảng -500C, lên cao nhiệt độ lại tăng dần, ranh giới tầng bình lưu có độ cao khoảng 50km nhiệt độ tăng lên khoảng 00C Nguyên nhân gây tượng phân tử oxy (O 2) ozon (O3) hấp thụ phần tia cực tím đến từ Mặt trời (90% ozon khí chứa tầng bình lưu) Nếu tất tia cực tím đến mặt đất sống Trái đất có nguy bị hủy diệt Một phần nhỏ tia cực tím bị hấp thụ O2 tầng bình lưu, trình tách phân tử O2 thành nguyên tử O, số nguyên tử O phản ứng với phân tử O khác để tạo thành O3 Mặc dầu phần triệu phân tử khí ozon phân tử ỏi có khả hấp thụ hầu hết ánh sáng cực tím trước chúng đến mặt đất Các photon ánh sáng cực tím chứa lượng lớn gấp đến lần photon ánh sáng khả kiến, chúng nguyên nhân gây bệnh ung thư da Các kết nghiên cứu gần cho thấy lượng ozon tầng thấp khí (tầng đối lưu) ngày tăng, hàm lượng ozon tầng bình lưu bị giảm 6% từ 20 năm trở lại Hậu suy giảm SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI tia cực tím xuyên qua khí đến mặt đất ngày nhiều làm nhiệt độ tầng bình lưu ngày lạnh đi, nhiệt độ tầng đối lưu ngày nóng lên hàm lượng ozon gần mặt đất ngày tăng Trong tầng (Mesosphere), có độ cao từ 50km trở lên, ozon mỏng nhiệt độ giảm dần lên đến ranh giới cao tầng (khoảng 80km) nhiệt độ khoảng 900C Càng lên cao nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại cấu tạo khí thay đổi hoàn toàn Trong tầng trình học tầng trình hoá học diễn tiêu biểu tầng cao khí trình diễn khác biệt Nhiệt lượng xạ mạnh mặt trời làm tách phân tử để tạo thành ion electron Vì người ta gọi tầng tầng điện ly (Ionosphere) sóng điện từ bị phản xạ tầng Càng lên cao, xạ Mặt trời trời mạnh, độ cao khoảng 600km, nhiệt độ lên đến 10000C Càng lên cao khí mỏng ranh giới rõ ràng phân biệt gữa khí Trái đất không gian Người ta thống khí chuẩn Trái đất có độ cao 800km 1.2 NĂNG LƯNG BỨC XẠ MẶT TRỜI 1.2.1 Khái quát lượng xạ Mặt trời [4] Trong toàn xạ Mặt trời, xạ liên quan trực tiếp đến phản ứng hạt nhân xảy nhân Mặt trời không 3% Bức xạ  ban đầu qua 5.105km chiều dày lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi mạnh Tất dạng xạ điện từ có chất sóng chúng khác bước sóng Bức xạ  sóng ngắn sóng Từ tâm mặt trời va chạm tán xạ mà lượng chúng giảm chúng ứng với xạ có bước sóng dài Như xạ chuyển thành xạ Rơnghen có bước sóng dài Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để tồn vật chất trạng thái nguyên tử chế khác bắt đầu xảy Đặc trưng xạ Mặt trời truyền không gian bên Mặt trời phổ rộng cực đại cường độ xạ nằm dải 0,1 – 10 m nửa tổng lượng mặt trời tập trung khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 m, vùng nhìn thấy phổ SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Hình 1.1.5 Dải xạ điện từ Chùm tia xuyên thẳng từ Mặt trời gọi xạ trực xạ Tổng hợp tia trực xạ tán xạ gọi tổng xạ Mật độ dòng xạ trực xạ lớp khí tính 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia xạ xác định theo công thức: ( ) Trong đó: D-T hệ số góc xạ Trái đất Mặt trời  - góc nhìn Mặt trời C0 = 5,67 W/m2K4 - hệ số xạ vật đen tuyệt đối T  57620K – nhiệt độ bề Mặt trời (coi vật đen tuyệt đối) Vậy: ( Mặt Trời ) ( ) D = 1,39.106km Trái Đất β = 32' D’ = 12,7.103km 149,5.106km ± 1,7% Hình 1.1.6 Góc nhìn Mặt trời từ Trái đất SVTH: HÀ VĂN HỮU LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Do khoảng cách Trái đất Mặt trời thay đổi theo mùa năm nên  thay đổi q thay đổi độ thay đổi không lớn nên xem q = const gọi số Mặt trời ( q =1353 Watt/m2) Năng lượng Mặt trời thu Trái đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời xem nguồn lượng cho Trái đất nh sáng Mặt trời bị hấp thụ phần bầu khí Trái đất, gần 1.000 Watt/m2 lượng Mặt trời tới Trái đất điều kiện trời quang đãng Chúng ta tiếp tục nhận dòng lượng phản ứng hạt nhân Mặt trời hết nhiên liệu, thời gian kéo dài khoảng tỷ năm Chúng ta trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng photon Mặt trời thành điện năng, pin Mặt trời Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức lượng Mặt trời chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt trời, làm sôi nước máy nhiệt điện tháp Mặt trời, vận động hệ thống nhiệt máy điều hòa Mặt trời SVTH: HÀ VĂN HỮU 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Hình 2.18 số động Stirling lónh vực giải trí SVTH: HÀ VĂN HỮU 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI CHƯƠNG THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI DẠNG STIRLING DISH CÓ TỔNG CÔNG SUẤT 1MW 3.1 KHÁI QUÁT CHUNG Hiện với công nghiệp phát triển mạnh mẽ toàn giới mặt trái phát triển thải nhiều khí nhà kính Hiệu ứng nhà kính làm xảy tượng nóng lên toàn cầu, làm biến đổi khí hậu Trái đất ảnh hướng lớn môi trường sinh thái Hiện tượng băng tan mối nguy người Trái đất, nhiều vùng đất chìm nước biển Một số loài động, thực vật có nguy diệt chủng hệ sinh thái rừng thay đổi nh hưởng đến sức khỏe người kinh tế toàn cầu Đứng trước hệ lụy nói với nguy thiếu hụt nguồn nguyên, nhiên liệu phục vụ cho công nghiệp ngày cao Đòi hỏi người cần có giải pháp việc phát triển nguồn lượng bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu đưa vào sử dụng nguồn lượng đề cấp bách toàn nhân loại, lượng Mặt trời tiềm đnag ý nhiều Năng lượng Mặt trời coi nguồn lượng khổng lồ vô tận Nhưng đưa nguồn lượng vào sử dụng cho sống gặp nhiều vấn đề khó khăn, đặc biệt nước có kinh tế phát triển Sử dụng lượng Mặt trời không đơn dùng trực tiếp ánh sáng Mặt trời mà đòi hỏi cần có hệ thống thu khổng lồ có chi phí tương đối cao Những hệ thống thu lượng Mặt trời thiết kế khác hệ thống thu nhiệt dạng tháp, dạng chảo parabol tròn xoay dạng máng parabol,.v.v Nhưng công việc hệ thống chủ yếu thu ánh sáng Mặt trời, biến chúng thành nhiệt đưa nguồn nhiệt vào sử dụng với nhiều mục đích khác SVTH: HÀ VĂN HỮU 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI 3.2 THIẾT KẾ BỘ THU MẶT TRỜI DẠNG STIRLING DISH 3.2.1 Cấu trúc thu lượng Mặt trời dạng Stirling dish [5] Động Stirling máy phát điện nh sáng tập trung Bộ thu buồng đốt Bộ tập trung ánh sáng Mặt Trời parabol Hình 3.1 - Cấu trúc thu lượng Mặt trời dạng Stirling Dish Các thành phần hệ thống thu lượng Mặt trời dạng Stirling dish  Chảo hội tụ parabolic Hình 3.2 Hệ thống chảo parabol SVTH: HÀ VĂN HỮU 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI - Đường kính 10,57 m - Diện tích mặt căng 86,7 m2 - Diện tích mặt phản xạ 91,4 m2 - Hệ số tập chung k = 2800 - Tổng số gương: 40  Bộ thu lượng Mặt trời Hình 3.3.Cấu tạo thu lượng Mặt Trời - Loại: gia nhiệt trực tiếp ánh sáng Mặt trời - Đường kính miệng thu: 200mm - Đường kính thu: 450mm - Cường độ nhiệt đầu vào (max): 74kW - Tuổi thọ: 16000 giờ, 720oC (nhiệt độ khí gas) - Nhiệt độ làm việc bình thường: 720oC - Năng suất nhiệt: 90%  Động stirling SVTH: HÀ VĂN HỮU 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Hình 3.4 Cấu tạo tổ hợp động Stirling 25kW máy phát điện - Công suất: 25 kW, 1800 vòng quay/ phút - Số Cylanh: - Cấu hình: piton, tác động kép - Dung tích choán chỗ: - Dung tích quét: 540 cm3 - Đường kính cylanh: 55mm - Khoảng chạy piton: 40mm - Bộ gia nhiệt: ống (dài 260mm, đường kính 3mm) - Bộ hoàn nhiệt: (dài 44mm, đường kính 57mm) - Bộ làm lạnh: ống (dài 90mm) - Hệ thống lạnh nước Glycol - Cơ cấu truyền động: trục khuỷu kép - Vận hành khí Gas: Hydrogen - Điều kiện áp suất Gas (max): 20Mpa - Nhiệt độ Gas (cao): 720oc - Nhiệt độ chất làm mát (max): 50oc  Máy phát điện - Loại: động điện cảm ứng - Nhà sản xuất: Reliance Electric SVTH: HÀ VĂN HỮU 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Thông số định mức: 22,5kW (1800 vòng/phút, điện áp xoay chiều 480V, tần số 60 Hz, hệ số công suất 0,9) Năng suất điện: 41% - Động Stirling Bức xạ Mặt Trời Bộ tập trung parabolic Bức xạ Mặt Trời Nhiệt Bộ thu nhiệt Tác động học Máy phát điện 3.2.2 Sự chuyển đổi từ lượng Mặt trời thành điện Đầu dòng điện Tổn thất nhiệt Nhiệt thải Tổn thất quang học Hình 3.5 Chuỗi lượng hệ thống điện Mặt trời dạng Stirling dish Từ lượng Mặt trời – lượng điện, trình chuyển đổi lượng phải qua nhiều phận khác hệ thống Nguồn lượng xạ phát từ Mặt trời qua đường rài để đến hệ thống gương phản xạ chúng 87,7%, tổn thất qua nhiều phận khác nên chuyển thành lượng điệnï 24,4% Tổn thất lượng thu biểu diễn qua biểu đồ sau: Chuyển đổi công suất Tổn hao nhiệt Tổn hao điện 100.0% 87,7% 79,9% Hiệu suất (%) 80.0% 77,3% 66,4% 60.0% 40.0% 27,0% 25,6% 24,4% 20.0% p aùy M ir l St N ăn g g lư ùt ợn g ện g in u th áy Đ ộn M ch bị ất th ån To ệ H N ăn g lư ợn g so M áp ặt ûn Tr ời xa ï ặn 0.0% Hình 3.6 biểu đồ chuyển đổi tổn hao lượng SVTH: HÀ VĂN HỮU 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI 3.3 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 3.3.1 Điều khiển tự động theo thời gian Điều khiển tự động theo thời gian nghóa hệ thống hoạt động cách tự động theo thời gian từ lúc Mặt trời mọc lúc Mặt trời lặn (giả thiết hệ thống hoạt điều khiển tự động từ lúc 8giờ sáng đến 16giờ chiều) Phương pháp đòi hỏi cần phải có hệ thống điều khiển tương đối phức tạp theo hai hướng đông – tây nam – bắc  Điều khiển theo hướng Đông – Tây Theo quy ước Mặt trời đỉnh đầu (lúc 12giờ trưa) ta có góc Mặt trời ω =0, Vì trái đất quay quanh trục vòng hết 24giờ nên quay góc (3600 : 24giờ) = 150 Mỗi phút kinh tuyến tương ứng với phút thời gian Nếu coi Trái đất đứng yên Mặt trời chuyển động bầu trời góc 15o Vì vậy, góc Mặt trời thời điểm tính theo công thức sau: Hệ thống gương phản xạ theo giả thiết hoạt động vào lúc 8giờ sáng đến 16giờ chiều nghóa hệ thống điều khiển tương ứng với góc Mặt trời 600 -600 (hình 3.3) Tia xạ Mặt Trời 00 - 600 Tây 600 12h 16h 8h Đông Mặt đất Hình 3.7 Sự hoạt động hệ thống gương phản xạ Theo (hình 3.3) ta thấy hệ thống hoạt động từ 8h sáng đến 16h chiều hệ thống phải quay góc 1200 Trong phần điều khiển tự động ta cho hệ thống tự động quay phút lần tương ứng với góc 10 theo hướng từ lúc Mặt trời mọc Mặt trời lặn (đông – tây)  Điều khiển theo hướng Bắc – Nam SVTH: HÀ VĂN HỮU 66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Theo lý thuyết hệ thống điều khiển theo biểu đồ biến đổi góc lệch δ đây: Vó đôï +30 -30 21/9 21/12 21/3 21/6 21/9 Hình 3.8 Sự thay đổi góc δ theo ngày năm Như ta biết chu kỳ quay Trái đất quanh Mặt trời 365 ngày (tương ứng 8760 giờ) Trong có hai ngày (21/6 21/12) Mặt trời lệch góc ± 23,45o phía bắc phía nam so với đường Xích Đạo, hai ngày (21/3 21/9) Mặt trời qua Xích Đạo Lấy mốc từ ngày 21/9 hệ thống bắt đầu điều khiển quay dần hướng nam ngày 21/12 góc -23,45o 89 ngày (tương ứng 2136 giờ) Trong thời gian 2136 ta điều khiển 2136 : 23,45 = 91,087 (giờ) hệ thống tự động quay lần Tương tự từ ngày 21/12 hệ thống điều khiển quay dần phía bắc đến ngày 21/6 góc quay 46,9o với tốc độ 91,087 (giờ) hệ thống tự động quay lần Tại ngày 21/6 hệ thống điều khiển lặp lại xuống phía nam đến ngày 21/12 3.3.2 Điều khiển tay Đây phương pháp điều khiển đơn giản, đòi hỏi người vận hành phải quan sát hệ thống điều khiển cho thu luôn thu ánh sáng mặt trời suốt trình hoạt động 3.4 PHÂN BỐ HỆ THỐNG GƯƠNG 3.4.1 Khoảng cách hệ thống gương Việc tính toán khoảng cách bố trí gương độc lập nhằm mục đích: Khi hệ thống hoạt động gương không bị ảnh hưởng lẫn nhau, nghóa tất gương thu tia xạ Mặt trời hệ thống hoạt động gương bị che khuất gương trước  Khoảng cách gương theo hướng Đông – Tây SVTH: HÀ VĂN HỮU 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI 𝜟l 600 600 Tây Đông Mặt đất Hình 3.9 khoảng cách gương theo hướng Đông – Tây Từ (hình 3.4) ta xác định khoảng cách lớn gương sau: Trong đó: 𝜟l – khoảng cách hai gương theo hướng Đông – Tây D – đường kính gương Vậy: Khoảng cách hệ thống gương theo hướng Đông – Tây lấy tròn số là: 22,5 (m)  Khoảng cách gương theo hương Bắc – Nam Giả sử hệ thống lắp đặt Bình Dương (Việt Nam) – vó độ khoảng 11,5 Hệ thống gương lệch góc lớn 34,95o so với mặt đất Mặt Trời vĩ đ độ -23,45o SVTH: HÀ VĂN HỮU 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Bắc 34,95o Gương phản xạ Tia xạ o 11,5 Xíc φ ïo h đa o 45 - 3, MẶT TRỜI TRÁI ĐẤT N am Hình 3.10 Xác định góc cho hệ thống gương phản xạ Tia xạ 𝜟’ 34,9 o Nam Bắc Mặt đất Hình 3.11 Khoảng cách gương theo hướng bắc – nam Ta có: Vậy: Khoảng cách hệ thống gương theo chiều Bắc – Nam lấy giá trị tròn số là: 13 (m) 3.4.2 Sơ đồ bố trí hệ thống gương Qua số liệu tính toán khoảng cách hệ thống gương ta có sơ đồ bố trí gương sau SVTH: HÀ VĂN HỮU 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Bắc 10m 22,5m 22,5m 22,5m 22,5m 10m 10m 13m 13m 13m Đông 13m Tây 13m 13m 13m 10m Nam Hình 3.12 Sơ đồ phân bố hệ thống gương 3.5 TÍNH TOÁN KINH TẾ Nhà máy nhiệt điện Stirling dish với hệ thống gương thiết bị lắp đặt hình trên, bao gồm 40 hệ thống chảo parabol tròn xoay thu lượng Mặt trời (diện tích 110 111 = 12.210 (m2)  Ước tính chi phí đầu tư cho thiết bị hệ thống gồm: gương hội tụ giá đỡ, trụ đỡ, phận hấp thụ nhiệt, động Stirling máy phát điện, hệ thống làm mát, hệ thống cân kết nối điện hệ thống Tđầu tư = Tgương + Ttrụ + Tbộ HT + TĐC Stirling + Tmáy phát + THT làm mát + + THT cân + Tkết nối điện Trong đó: - Gương hội tụ(Tgương): 40 299.265 = 11.970.600 USD SVTH: HÀ VĂN HỮU 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI - Trụ(Ttrụ): 40 23.430 = 937.200 USD Bộ phận hấp thụ nhiệt (Tbộ HT): 40 771375 = 30.885.000 USD Động Stirling (TĐC Stirling): 40 50.000 = 2000.000 USD Maùy phaùt (Tmaùy phaùt): 40 8.520 = 340.800 USD Hệ thống làm mát (THT làm mát): 40 7.987,5 = 319.500 USD Hệ thống cân (THT cân bằng): 40 58.042,5 = 2.321.700 USD Kết nối điện (Tkết nối điện): 319.500 USD Vậy: Tđầu tư = 11.970.600 + 937.200 + 30.885.000 + 2000.000 + 340.800 + 319.500 + 2.321.700 + 319.500 = 21.300.000 (USD) Hình 3.14 Tỉ lệ thành phần hệ thống SVTH: HÀ VĂN HỮU 71 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT LUẬN Năng lượng Mặt trời nguồn lượng sạch, có khả tái tạo, vô tận, không gây ô nhiễm môi trường Đang nhiều nước giới khuyến khích sử dụng để phát điện Hiện hai công nghệ phát điện từ lượng Mặt trời Stirling Dish Turbine phát triển nhanh ngày hoàn thiện làm giá thành nhiệt điện mặt trời rẻ nhiều so với công nghệ pin Mặt trời Nhà máy nhiệt điện Mặt trời dạng Stirling Dish xây dựng từ nhiều modul khác nhau, modul bao gồm hệ thống gương phản xạ, động Stirling máy phát điện tạo nên Hệ thống gương phản xạ sử dụng tập trung dạng parabol tròn xoay hội tụ ánh sáng Mặt trời tiêu điểm F gương nên có hiệu suất tương đối cao, nhiệt độ đạt từ 600 – 700oC Động Stirling đặt tiêu điểm F nhằm sử dụng nguồn nhiệt thu để chạy động làm quay tuabin máy phát điện Một nhà máy nhiệt điện Mặt trời dạng Stirling lắp đặt với số lượng nhiều modul tùy vào công suất nhà máy Việt Nam với lợi nước nằm giải phân bố ánh nắng Mặt trời tương đối nhiều năm đồ xạ Mặt trời giới nên có tiềm lớn nguồn lượng Theo số liệu thu tại: Đắc Lắc, Lâm Đồng, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa – Vũng Tàu với CĐBX trung bình tương đối cao khoảng (2.084 kWh/m2/năm) Trong với số nắng năm 2.961 Phan Thiết (Bình Thuận), xây dựng nhà máy thuộc lượng Mặt trời để phát điện Đặc biệt xây dựng nhà máy nhiệt điện Mặt trời dạng Stirling Dish số vùng có nhiều lượng xạ Với số đặc điểm thuận lợi em thiết kế hệ thống nhà máy nhiệt điện Mặt trời dạng Stirling Dish có tổng công suất 1MW Bao gồm 40 modul, modul có công suất 25KW với tổng diện tích là: 110 111 = 12.210 (m2) Đây mô hình nhà máy có công suất nhỏ đưa thiết kế nhằm phân tích qua rút kinh nghiệm để thiết kế nhà máy hoàn thiện có quy mô lớn SVTH: HÀ VĂN HỮU 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Nguyễn Công Vân: Năng lượng Mặt Trời - trình nhiệt ứng dụng Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2005 Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên: Cơ sở lượng tái tạo Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2005 Trương Thị Toàn: Sử dụng lượng tái tạo Trường ĐH nông nghiệp Hà Nội 2008 Nguyễn Bốn, Hoàng Dương Hùng, Năng lượng Mặt Trời lý thuyết ứng dụng, Đại học Bách Khoa Đà Naüng 2004 William B Stine, Ph.D Professor, Mechanical Engineering California State Polytechnic University Pomona, CA 91 768, 1994 Nguồn: http://vi.wikipedia.org/w/index.php?oldid=3370037 SVTH: HÀ VĂN HỮU 73 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯNG MẶT TRỜI 1.1 Khái quát Mặt trời khí Trái đất 1.2 Naêng lượng xạ Mặt trời 1.3 Phương pháp tính toán lượng xạ Mặt trời 16 1.4 Đo cường độ xạ Mặt trời 32 1.5 Năng lượng xạ Mặt trời vieät nam 33 1.6 ng dụng lượng Mặt trời 35 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING 41 2.1 Lịch sử phát triển động stirling 41 2.2 Khái niệm phân loại 43 2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động động stirling 45 2.4 ng dụng động stirling 57 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI DẠNG STIRLING DISH CÓ TỔNG CÔNG SUẤT 1MW 61 3.1 Khaùi quaùt chung 61 3.2 Thiết kế thu mặt trời dạng stirling dish 62 3.3 Nguyên lý điều khiển hệ thống 66 3.4 Phân bố hệ thống gương 67 3.5 Tính toán kinh tế 70 KẾT LUẬN 72 Tài liệu tham khảo 73 Muïc luïc 734 SVTH: HAØ VĂN HỮU 74 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Bức xạ Mặt trời phụ thuộc vào độ cao Mặt trời, hay vị trí bầu trời Dưới ta đưa số biểu thức cho phép xác định vị trí theo Mặt trời xạ chiếu mặt phẳng mặt. ..ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯNG MẶT TRỜI 1.1 KHÁI QUÁT VỀ MẶT TRỜI VÀ KHÍ QUYỂN TRÁI ĐẤT Mặt trời nằm trung tâm Hệ Mặt Trời, Trái đất thiên... THIẾT KẾ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MẶT TRỜI Hình a Trực xạ kế Hình b Nhật xạ kế Hình 1.3.6 Thiết bị đo lượng xạ Mặt trời 1.5 NĂNG LƯNG BỨC XẠ MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM [1] 1.5.1 Cường độ xạ (CĐBX) Theo kết