(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ

(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ(Luận văn thạc sĩ) Nguyên cứu nâng cao hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời kiểu Parabol trụ

LỜI CAM ĐOAN - Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi - Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Việt Phong ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu chương trình đào tạo sau đại học trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM, em tiếp thu đúc kết nhiều kiến thức bổ ích Với đề tài nghiên cứu hình thức luận văn thạc sỹ, lần tiếp xúc nên em gặp nhiều khó khăn Với hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn TS Hoàng An Quốc với hỗ trợ gia đình giúp em hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Thầy TS Hoàng An Quốc - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM - Quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM - Gia đình, bạn bè Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hỗ trợ động viên quý báu tất người Xin trân trọng cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 iii TĨM TẮT Nội dung luận văn nghiên cứu nâng cao hiệu suất, đồng thời thiết kế chế tạo thử nghiệm mơ hình thu lượng mặt trời kiểu parabol trụ Nội dung gồm: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan lượng mặt trời, thu lượng mặt trời, mục đích đề tài, nhiệm vụ đề tài, ý nghĩa thực tiễn đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Trình bày nghiên cứu thiết kế nhằm đạt hiệu suất cao chế tạo mơ hình thực nghiệm Chƣơng 4: Trình bày thực nghiệm Chƣơng 5: Kết luận kiến nghị iv MỤC LỤC Tiêu đề Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vii Danh mục chữ viết tắt xi Danh mục hình xiv Danh mục bảng xv Chƣơng : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.2 Mục đích đề tài: 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Tổng quan chung nguồn lượng mặt trời .5 2.1.1 Mặt trời .5 2.1.2 Nguồn xạ mặt trời 2.1.3.Tính tốn lượng mặt trời 12 2.1.3.1.Tính tốn góc tới xạ trực xạ 12 2.1.3.2.Tổng cường độ xạ mặt trời lên bề mặt trái đất 15 v 2.1.3.3.Đo cường độ xạ mặt trời 19 2.1.3.4.Nguồn lượng mặt trời khu vực nghiên cứu 20 2.2 Bộ thu lượng mặt trời kiểu Parabol trụ 21 2.2.1.Cấu tạo tổng quan thu 21 2.2.2 Hoạt động thu lượng mặt trời kiểu Parabol trụ… 23 2.2.2.1 Hội tụ tia sáng 23 2.2.2.2 Nguyên lý gia nhiệt đối lưu 23 2.2.3.Bề mặt phản xạ máng 24 2.2.4.Ống thu nhiệt .26 2.2.5 Hệ thống xoay máng 30 2.2.6 Cách nhiệt 30 2.3 Truyền nhiệt cách nhiệt 30 2.3.1.Dẫn nhiệt 30 2.3.2.Hệ số dẫn nhiệt chất khí 31 2.3.3.Hệ số dẫn nhiệt chất lỏng 32 2.3.4.Hệ số dẫn nhiệt vật rắn .34 2.3.4.1.Kim loại hợp kim .34 2.3.4.2.Vật rắn cách điện 34 2.4.Trao đổi nhiệt đối lưu 35 Chƣơng : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO NÂNG CAO HIỆU SUẤT BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KIỂU PARABOL TRỤ 3.1.Nguyên lý hoạt động thu parabol trụ 39 3.2.Những yếu tố làm giảm hiệu suất thu: 40 3.3.Đặc tính thiết kế .40 3.3.1.Hướng đặt thu .40 3.3.2.Thiết kế máng parabol trụ 43 3.3.3 Thiết kế ống cách ly 45 3.3.4 Thiết kế ống hấp thụ nhiệt 46 3.3.5.Thiết kế môi chất lỏng ống hấp thụ 47 3.3.6.Thiết kế nguyên lý lưu chuyển môi chất lỏng thu 47 vi 3.4.Thiết kế hệ thống xoay máng 48 3.4.1 Điều kiện hội tụ tia tới: .49 3.4.2 Các phương án thực hệ thống xoay máng: .51 3.4.2.1 Giải pháp xoay máng parabol trụ 52 3.4.2.2 Giải pháp xoay máng parabol trụ cảm biến 53 3.4.2.3 Xoay máng kết hợp dùng hệ thống cảm biến .54 3.4.2.4 Lựa chọn phương án hệ thống xoay máng 56 3.4.3.Những thành phần hệ thống xoay .56 3.4.4.Tính tốn hệ thống quay máng 61 3.4.5.Giải pháp reset máng parabol ngưng hoạt động 62 Chƣơng : MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ THÍ NGHIỆM 4.1.Thiết bị đo : 63 4.1.1.Máy đo lượng xạ mặt trời: 63 4.1.2.Nhiệt kế: 64 4.2.Dự kiến môi chất lỏng làm thí nghiệm: 64 4.2.1.Mơ tả bình 64 4.2.2.Chất lỏng thí nghiệm 65 4.2.2.1.Thông số kỹ thuật 65 4.2.2.2.Dự tính lượng chất lỏng làm thí nghiệm 67 4.3 Mơ hình thực nghiệm 67 4.4 Kết thí nghiệm .69 4.5 Đánh giá kết thí nghiệm 77 4.6 Đề xuất ống thu nhiệt để nâng cao hiệu suất 79 Chƣơng : KẾT LUẬN 5.1 Đánh giá kết đề tài .81 5.2 Hướng phát triển .81 5.3 Kiến nghị: .82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 vii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT E: cường độ lượng xạ mặt ϕ : góc vĩ độ β : góc nghiêng bề mặt khảo sát θ : góc tới tia trực xạ θz : góc thiên đỉnh δ : góc lệch tia trực xạ mặt phẳng xích đạo λ : hệ số dẫn nhiệt cp : nhiệt dung riêng chất lỏng ρ : khối lượng riêng chất lỏng μ : độ nhớt động lực học chất lỏng Φ : hình dáng cách bố trí bề mặt trao đổi nhiệt ω : tốc độ chuyển động dòng chất lỏng Q: dòng nhiệt (w) : cường độ trao đổi nhiệt đối lưu F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tw : nhiệt độ bề mặt vật rắn tf : nhiệt độ trung bình chất lỏng viii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2.1: Số liệu xạ mặt trời VN 20 Bảng 2.2: Hệ số phản xạ số vật liệu kim loại 26 Bảng 2.3: Hệ số truyền nhiệt số kim loại thông dụng (tại 250 C) 28 Bảng 3.1: Thông số máng parabol mô hình thực nghiệm 45 Bảng 3.2: Thơng số ống thủy tinh cách ly mơ hình thực nghiệm 46 Bảng 3.3: Thơng số ống hấp thụ nhiệt mơ hình thực nghiệm 47 Bảng 4.1 : Thông số kỹ thuật máy đo lượng xạ CEM DT-1307 63 Bảng 4.2 : Thông số kỹ thuật máy đo lượng xạ CEM DT-1307 64 Bảng 4.3 : Thông số kỹ thuật dầu S2 ix 65 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 1.1 : Mặt cắt ngang ngơi kiểu mặt trời Hình 2.1 : Mặt cắt ngang ngơi kiểu mặt trời Hình 2.2: Dãy xạ điện từ Hình 2.3: Góc nhìn mặt trời 10 Hình 2.4 : Quá trình truyền lượng xạ mặt trời 11 qua lớp khí trái đất 12 Hình 2.5: Sơ đồ phân bố thành phần xạ khuếch tán 16 Hình 2.6 : Các thành phần xạ lên bề mặt nghiêng 18 Hình 2.7 : Trực xạ kế 19 Hình 2.8 Thiết bị đo lượng xạ mặt trời số 20 Hình 2.9: Máng phản xạ parabol 21 Hình 2.10: Cấu tạo máng parabol trụ 22 Hình 2.11 : Bộ thu lượng parabol trụ thực tế 22 Hình 2.12 : Nguyên lý đối lưu gia nhiệt chất lỏng 24 Hình 2.13: Bề mặt phản xạ ánh sáng ghép từ nhiều phẳng 25 Hình 2.14 : Mặt cắt ngang ống thu nhiệt 26 Hình 2.15: Độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ λ = f(t) khơng khí 32 Hình 2.16 : λ(t) nước 33 Hình 2.17: (t) dầu 34 Hình 2.18 : 35 (t) vật liệu cách nhiệt x Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động thu 39 Hình 3.2: Hướng lắp đặt khơng cần xoay máng 41 Hình 3.3: Hướng đặt thu với hệ thống xoay 42 Hình 3.4: Máng parabol 43 Hình 3.5 : Nguyên lý gia nhiệt chất lỏng mơ hình thực nghiệm 48 Hình 3.6: Tia sáng qua ống thủy tinh có bề dày nhỏ 50 Hình 3.7: Tia sáng truyền tới ống hấp thụ 50 Hình 3.8: Điều kiện hội tụ tia sáng 51 Hình 3.9: Điều khiển máng xoay hệ thống 52 Hình 3.10: Xoay máng cảm biến 54 Hình 3.11: Máng xoay gặp trời mây mù 55 Hình 3.12: Bộ truyền giảm tốc trục vít-bánh vít động bước 58 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động điều khiển động bước 59 Hình 3.14: Cảm biến quang trở 60 Hình 3.15: Mạch điều khiển 61 Hình 4.1: Máy đo lượng xạ mặt trời CEM DT-1307 63 Hình 4.2: Nhiệt kế 64 Hình 4.3: Bình dầu 65 Hình 4.4 : Kết cấu tổng thể 68 Hình 4.5: Tủ đựng mạch điều khiển 68 Hình 4.6: Bộ phận truyền động xoay máng 69 Hình 4.7: Đồ thị nhiệt độ lượng xạ theo thời gian 70 Hình 4.8: Tia phản xạ khỏi ống hấp thụ 79 xi Luận văn cao học GVHD: TS Hồng An Quốc lại khơng cịn nhanh nhiệt độ cao tốc độ thất thoát nhiệt xảy lớn nhiều so với khoảng nhiệt độ 120 0C Do để nâng cao hiệu suất thu nhiệt thu ta nên tận dụng tối đa thu nhiệt từ xung quanh khoảng 120 0C, đạt khoảng nhiệt độ nên chuyển nhiệt lượng thu ứng dụng tạo hơi,quay tuốc-bin, sấy… mà không đợi nhiệt lượng t1, t4tăng lên để nâng cao hiệu suất, tránh thất thoát nhiệt,tận dụng tối đa nhiệt lượng thu Giai đoạn cuối nhiệt độ sau đạt tối đa khơng tăng nữa, có xu hướng giảm dần vào cuối buổi chiều Đồ thị nhiệt độ t2 : phân chia tốc độ gia nhiệt thành giai đoạn Giai đoạn đầu: Khi nhiệt độ t1, t4nhỏ 100 0C tốc độ gia tăng nhiệt t2 chậm nhiệt kế đo t2 nằm bình dầu, nhiệt lượng nhận chưa đủ nung nóng dầu khu vực Giai đoạn sau: Khi nhiệt độ t1 cao 100 0C tốc độ gia tăng nhiệt t2 nhanh, khoảng dầu nửa thùng dầu nung nóng, tượng đối lưu nên dầu khu vực bình, tức nhiệt độ t2 tăng liên tục đạt giá trị gần giá trị t1vào cuối buổi thí nghiệm Đồ thị nhiệt độ t3, t5 :cũng giống đồ thị t2 tốc độ tăng nhiệt chậm Do nơi nhiệt độ thấp dầu, nhiệt độ t2 tăng lên kéo nhiệt độ t3, t5lên đối lưu truyền nhiệt Đánh giá chung để nâng cao hiệu suất thu nhiệt: để tận dụng tối đa nhiệt lượng thu ta nên tận dụng khoảng nhiệt độ t1 nhỏ 120 0C việc triển khai ứng dụng hóa hơi, sấy…bởi nhiệt độ lên 120 0C nhanh, nhiên nhiệt độ lên cao 120 0C tốc độ thất nhiệt lớn, để thu nhiệt độ tăng lãng phí thất lớn HVTH: Nguyễn Việt Phong 78 Luận văn cao học  GVHD: TS Hoàng An Quốc Đối với ống thủy tinh cách ly Ø 100 mm Cũng tương tự thí nghiệm ống thủy tinh Ø 68 mm, nhiên nhiệt độ thu thấp hơn, điều ống thủy tinh lớn Ø100 mm có chiều dày ống 3.5 mm dày,trong ống thủy tinh Ø 68 mm có chiều dày ống 1mm Chính chiều dày ống lớn nhiều mà hệ số truyền sáng ống thủy tinh lớn hơn, điều làm cản trở trình truyền lượng tia tới Như để nâng cao suất việc chọn lựa ống thủy tinh cách ly quan trọng, việc phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hút chân không, hay tối thiểu bịt kín hai đầu khơng cho khơng khí lưu thơng chiều dày thành ống đường kính ốngcũng định đến hiệu suất 4.6Đề xuất ống hấp thụ nhiệt để nâng cao hiệu suất : Hiện tất hệ thống dùng collector dùng dạng ống dễ mua, dễ gia công thiết kế, lắp đạt… nhiên ta thấy lượng từ tia sáng hội tụ tới ống hấp thụ nhiệt gồm phần:  Một phần hấp thụ ống  Một phần bị phản xạ èng hÊp thu Tia phản xạ Tia tới ống hấp thụ nhiệt Hình 4.13 Tia phản xạ khỏi ống hấp thụ Do tia hội tụ có lượng lớn nên phần lượng thất thoát tia phản xạ đáng kể, cho dù ống phủ lớp màu đen phù hợp tồn tia HVTH: Nguyễn Việt Phong 79 Luận văn cao học GVHD: TS Hoàng An Quốc phản xạ, tức lượng từ tia tới bị thất Do ống trịn máng quay cộng với tia hội tụ có cường độ lớn nên phản xạ có điều kiện xảy làm giảm hiệu suất thu Tác giả đề xuất vài phương án khác ống thu nhiệt nhằm tận dụng tối đa lượng nhận được,nâng cao hiệu suất thu: Thay đổi hình dạng ống thu nhiệt theo biên dạng mặt cắt ngang sau :  Tạo cánh cho ng trũn: Tấm chắn Tia phản xạ ống hấp thụ Tia tíi èng hÊp thơ nhiƯt  Tạo biên dạng hỡnh vuụng: ống hấp thụ Tia phản xạ Tia tới èng hÊp thơ nhiƯt Hình 4.14 :Hình dạng ống thu nhiệt HVTH: Nguyễn Việt Phong 80 Luận văn cao học GVHD: TS Hoàng An Quốc CHƢƠNG KẾT LUẬN 5.1 Đánh giá kết đề tài: Bộ thu lượng mặt trờikiểu parabol trụ nhằm sử dụng nguồn lượng mặt trờigia nhiệt cho chất lỏng với nhiệt độ thu cao 1000 C, thực nghiệm nhiệt độ tối đa đạt khoảng 152 0C Với thu ứng dụng vào ngành công nghiệp cần nhiệt độ lớn 1000 C Với lợi như:  Nguồn lượng mặt trờidồi dào,sẵn có  Hiệu sử dụng/giá thành đầu tư cao  Thích hợp cho khí hậu Việt Nam, đăc biệt miền Nam,khí hậu nắng quanh năm Những đặc điểm thuận lợi yếu tố quan trọng việc triển khai ứng dụng thu lượng mặt trờikiểu parabol trụ vào thực tế sống Việt Nam,đặc biệt khu vực phía nam,nơi có số ngày nắng cao năm 5.2 Hƣớng phát triển : Việt Nam đánh giá quốc gia có tiềm năng lượng mặt trờiphong phú, đặc biệt miền Trung miền Nam quanh năm có nắng Cường độ xạ mặt trờitrung bình ngày năm miền Trung miền Nam đạt 5kWh/m2, dao động từ 4,0~5,9 kWh/m2 Ở Miền Bắc hàng năm vào mùa đơng xn trời có nhiều mây, mưa phùn nên độ xạ mặt trờitrung bình ngày năm 4kWh/m2, khoảng dao động lớn từ 2,4 ~ 5,5kWh/m2 Số nắng trung bình năm Việt Nam khoảng 2000-5000h với tổng lượng xạ mặt trờitrung bình Từ liệu cho thấy, nguồn lượng mặt trờiở Việt Nam có độ ổn định tương đối cao, phân bổ nhiều vùng sinh thái khác nhau, khai thác HVTH: Nguyễn Việt Phong 81 Luận văn cao học GVHD: TS Hoàng An Quốc đáp ứng phần nhu cầu lượng điện chỗ cho miền núi, hải đảo, nông thôn, thành thị, cho hộ gia đình, sản xuất kể nối lưới điện quốc gia Với việc ứng dụng thu lượng mặt trờikiểu Parabol trụ giải pháp việc gia nhiệt cho môi chất lỏng,phục vụ cho nhu cầu nhiệt khác như:  Hệ thống cơng nghiệp sử dụng lị  Hệ thống sản xuất điện mặt trờisử dụng parabol trụ  Các hệ thống cần gia nhiệt cho chất lỏng nhiệt độ cao khác 5.3 Kiến nghị : Hiện việc ứng dụng lượng mặt trờitrên giới Việt Nam cịn khó khăn giá thành thiết bị cơng nghệ điện mặt trờicao, song nguồn lượng chiến lược, mang tính khả thi cao thân thiện với môi trường.Đặc biệt, nhiều nước giới đạt thành đáng khích lệ sử dụng dạng lượng nên 10-20 năm tới giải pháp nguồn hệ thống lượng, góp phần tích cực vào việc đảm bảo an ninh lượng Tiềm từ việc ứng dụng nguồn lượng mặt trờilà vô to lớn, nhiên việc triển khai vào thực tế nhiều hạn chế, thiết nghĩ cần phải có sách để phát triển việc ứng dụng lượng mặt trời,đáp ứng nhu cầu sử dụng lượng ngày cao đất nước Một số kiến nghị để thực mục tiêu là:  Xây dựng sách hỗ trợ, chế khuyến khích hỗ trợ phát triển lượng mặt trời,tạo điều kiện thu hút đầu tư vào lĩnh vực lượng xanh, sạch, sẵn có HVTH: Nguyễn Việt Phong 82 Luận văn cao học  GVHD: TS Hoàng An Quốc Tổ chức việc nghiên cứu chế tạo thiết bị sử dụng lượng mặt trờiở trung tâm nghiên cứu, trường đại học với mức nội địa hóa cao phù hợp với điều kiện cụ thể thời tiết nắng Việt Nam HVTH: Nguyễn Việt Phong 83 Luận văn cao học GVHD: TS Hoàng An Quốc PHỤ LỤC Bản vẽ thiết kế máy: HVTH: Nguyễn Việt Phong 84 Luận văn cao học GVHD: TS Hoàng An Quốc Mã code điều khiển động viết chƣơng trình MikroC : _quay_4_do: ;chao.c,14 :: void quay_3.75_do(){ ;chao.c,15 :: delay_ms(1200); MOVLW 31 MOVWF R11+0 MOVLW 113 MOVWF R12+0 MOVLW 30 MOVWF R13+0 // 400 buoc L_quay_4_do0: DECFSZ GOTO DECFSZ GOTO DECFSZ GOTO R13+0, L_quay_3.75_do0 R12+0, L_quay_3.75_do0 R11+0, L_quay_3.75_do0 NOP ;chao.c,16 :: CLRF for (index=0;index