Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60.52.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM VIỆT HÙNG CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TS ĐINH VƯƠNG HÙNG HUẾ - 2016 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Quốc Huy PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, trước tiên tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo khoa Cơ khí – Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế truyền đạt kiến thức cho tơi suốt khóa học Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Việt Hùng, người ln theo sát bên tơi, tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ kiến thức, vật chất lẫn tinh thần suốt q trình để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn cán giáo viên xưởng thực hành khoa Cơ khí – Cơng nghệ giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn tốt nghiệp Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè động viên tơi suốt q trình học tập hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Huế, tháng 30 tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Quốc Huy PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma iii TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo hoàn chỉnh mẫu bếp hộp tự động xoay theo hướng nắng, hoạt động hiệu với hiệu suất thu giữ nhiệt bếp cải thiện đáng kể Cụ thể: Thứ phân tích điều kiện thời tiết, khí hậu khu vực để làm sở cho việc thiết kế, chế tạo Thứ hai, thiết kế chế tạo mẫu bếp hộp cải tiến theo hướng kết hợp ưu điểm bếp parabol bếp hộp truyền thống Thứ ba, tính tốn thiết kế điều khiển với hai phương án hoạt động theo nguyên lý hẹn sử dụng cảm biến Trong đó, phương án hẹn sử dụng rơ le thời gian kết hợp với động điện chiều với cơng suất 0,05 KW số vịng quay 96v/ph điều khiển bếp quay góc 10˚ sau khoảng thời gian 30 phút Phương án điều khiển cảm biến, sử dụng cảm biến quang trở kết hợp với bo mạch Arduino động bước để điều khiển bếp theo hướng Mặt Trời Trên sở phân tích ưu nhược điểm hai phương án, đề tài lựa chọn phương án thiết kế, chế tạo bảng điều khiển theo chế độ hẹn Thứ tư, lựa chọn phương án truyền động khí, sử dụng truyền động xích đơn giản, hiệu với tỉ số truyền Thứ năm, tiến hành khảo nghiệm để đánh giá khả hoạt động bếp hộp cải tiến hiệu bếp hai trường hợp bếp tĩnh bếp động Kết rằng, hiệu suất thu, giữ nhiệt bếp động cao bếp tĩnh 13% Kết tính tốn thông số kỹ thuật để thiết kế, chế tạo bếp quay tự động, sẽ làm sở khoa học cho phát triển việc nghiên cứu ứng dụng khai thác lượng mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ .9 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .10 2.1 Mục tiêu chung .10 2.2 Mục tiêu cụ thể .10 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .11 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12 1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12 1.1.1 Nguồn lượng mặt trời 12 1.1.2 Phương pháp sử dụng lượng mặt trời 16 1.1.3 Các thiết bị sử dụng lượng mặt trời 16 1.1.4 Tình hình phát triển ứng dụng lượng mặt trời 22 1.1.5 Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết bị - Các định luật xạ 25 1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .28 1.2.1 Các nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun lượng mặt trời nước giới 28 1.2.2 Nhận xét đề xuất hướng nghiên cứu 29 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .31 2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 31 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 31 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu .31 2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.3.1 Phương pháp vấn chuyên gia 31 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 31 2.3.3 Phương pháp tính tốn, thiết kế 32 2.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 32 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma v CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 33 3.2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 36 3.2.1 Lựa chọn nguyên lý làm việc 36 3.2.2 Tính tốn thiết kế bếp 38 3.3 TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP 41 3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42 3.4.1 Mục đích yêu cầu 42 3.4.2 Lựa chọn phương án điều khiển 42 3.5 TÍNH TỐN LỰA CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN .49 3.6 TÍNH TỐN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49 3.6.1 Bộ truyền đai .49 3.6.2 Bộ truyền xích .42 3.6.3 Bộ truyền trục vít 51 3.6.4 Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp .52 3.7 KHẢO NGHIỆM 53 3.7.1 Khảo nghiệm khả hoạt động bếp hộp 53 3.7.2 Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu bếp trước sau lắp bảng điều khiển 56 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .59 4.1 KẾT LUẬN 59 4.2 KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Đặc trưng chế nhiệt độ Thừa Thiên Huế .34 Bảng 3.2 Vài đặc trưng độ ẩm – mây – nắng .35 Bảng 3.3 Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu 54 Bảng 3.4 Bảng biến thiên nhiệt độ bếp tĩnh bếp động hai ngày khảo nghiệm 56 Bảng 3.5 Bảng giá thành thiết bị 58 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời .12 Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời 13 Hình 1.3 Góc hình học tia xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng .15 Hình 1.4 Hai loại bếp nấu lượng mặt trời 17 Hình 1.5 Xe điện lượng mặt trời 18 Hình 1.6 Thiết bị vơ trùng nước lượng mặt trời 18 Hình 1.7 Ơ tơ sử dụng nhiêu liệu Hydro 19 Hình 1.8 Lều sưởi ấm lượng mặt trời 19 Hình 1.9 Mẫu máy lượng mặt trời 20 Hình 1.10 Đèn giao thông lượng mặt trời 20 Hình 1.11 Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella .21 Hình 1.12 Sạc pin lượng mặt trời 21 Hình 1.13 Tình hình khai thác lượng mặt trời giới 23 Hình 1.14 Số nắng trung bình tháng năm 2002-2003 Việt Nam 24 Hình 1.15 Hàm số phân bố E0λ theo λ T .25 Hình 1.16 Định luật dịch chuyển Wien 26 Hình 1.17 Hiệu ứng lồng kính 28 Hình 3.1 Đồ thị so sánh nhiệt độ tháng Huế 33 Hình 3.2 Bản vẽ hình chiếu cạnh bếp hộp lượng mặt trời 37 Hình 3.3 Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp lượng mặt trời 38 Hình 3.4 Hình 3D bếp hộp lượng mặt trời 38 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ mặt thu nhiệt thời gian 40 Hình 3.6 Bếp hộp lượng mặt trời hình hộp 41 Hình 3.7 Áp to mát pha .35 Hình 3.8 Máy biến áp 43 Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo máy biến áp .43 Hình 3.10 Rơ le trung gian 44 Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo Rơ le trung gian 44 Hình 3.12 Rơ le thời gian .45 Hình 3.13 Sơ đồ nối dây rơ le thời gian 45 Hình 3.14 Mạch chỉnh lưu tồn sóng với điốt 46 Hình 3.15 Sơ đồ mạch 47 Hình 3.16 Sơ đồ mạch bán kỳ dương 47 Hình 3.17 Sơ đồ mạch bán kỳ âm 48 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma viii Hình 3.18 Bảng hệ thống điều khiển tự động .48 Hình 3.19 Sơ đồ mạch điện bảng điều khiển 49 Hình 3.20 Bộ truyền đai .50 Hình 3.21 Bộ truyền xích .50 Hình 3.22 Bộ truyền trục vít 51 Hình 3.23 Đồ thị biến thiên nhiệt độ bếp .54 Hình 3.24 Khảo nghiệm bếp 55 Hình 3.25 Cơm sau nấu .55 Hình 3.26 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình bếp tĩnh bếp động .57 Hình 3.27 Khảo nghiệm bếp động 57 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Trong q trình Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa (CNH-HĐH), nhu cầu lượng ngày tăng Trong đó, nguồn lượng truyền thống than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên… đóng vai trị chủ chốt Tuy nhiên, việc khai thác sử dụng nguồn lượng truyền thống mức gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đồng thời, với trữ lượng có hạn, nguồn lượng truyền thống có khả dần cạn kiệt sau 50 đến 70 năm khiến cho nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng trầm trọng Vì vậy, nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, lượng thủy triều, lượng sóng biển, lượng địa nhiệt… nguồn lượng triển vọng, coi nguồn lượng tương lai, sẽ đáp ứng tốt nhu cầu lượng, tiết kiệm điện góp phần bảo vệ mơi trường Trong số nguồn lượng tái tạo nêu trên, lượng mặt trời nguồn lượng sạch, có trữ lượng lớn biến đổi thời kỳ biến đổi khí hậu Vì vậy, sử dụng lượng mặt trời nguồn lượng dần thay cho dạng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội chiến lược phát triển lượng có ý nghĩa cao mặt kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng Hơn nữa, Việt Nam nước nhiệt đới, nằm vành đai nội chí tuyến, tổng số nắng năm lớn Ở khu vực miền Trung có khoảng 2900 nắng/năm với cường độ xạ cao, lên đến 950W/m2 Vì thế, việc triển khai ứng dụng thiết bị sử dụng lượng mặt trời triển vọng Năng lượng mặt trời coi giải pháp hoàn toàn phù hợp ứng dụng rộng rãi đời sống hàng ngày Tuy nhiên, việc khai thác nguồn lượng tái tạo nói chung lượng mặt trời nói riêng giới nước ta hạn chế nhiều nguyên nhân công nghệ sản xuất mới, chi phí đầu tư ban đầu cao… Đặc biệt, hiệu suất thiết bị sử dụng lượng mặt trời phục vụ nhu cầu dân sinh thấp Các thiết bị tập trung vào đun nước nóng, nấu ăn, hệ thống điện chiếu sáng nhỏ độc lập Hiệu suất loại thiết bị sử dụng lượng mặt trời nói chung bếp lượng mặt trời nói riêng cịn hạn chế nhiều ngun nhân Một số việc hiệu suất thiết bị sử dụng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều góc tới chùm xạ nhiệt ánh sáng mặt trời tới bề mặt hấp thụ nhiệt ánh sáng thiết bị vị trí mặt trời thay đổi liên tục ngày Bếp sử dụng lượng mặt trời có nhiều dạng chia hai nhóm theo hai nguyên tắc hội tụ (bếp parabol) bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình hộp) Nhìn chung, hai loại bếp có ngun lý hoạt động đơn giản, có hiệu suất thấp bất tiện cho người sử dụng Bếp parabol sử dụng mặt cầu phản chiếu tập trung ánh sáng mặt trời tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu đặt tiêu PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 10 điểm Theo đánh giá chung, bếp có nhiều bất cập chế tạo phức tạp, bếp hoạt động tốt cường độ xạ cao, người sử dụng gặp phải vấn đề sức khỏe da mắt ánh sáng phản chiếu trực tiếp vào thể Trong đó, bếp hộp hoạt động bẫy nhiệt, theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, tích nhiệt từ ánh nắng mặt trời truyền vào vật dụng đun nấu Vật dụng đun nấu tăng cường trì nhiệt nhờ nhiệt mơi trường khơng khí giữ kín hộp bếp Bếp hộp khuyến cáo cáo sử dụng nhiều bếp parabol có nhiều ưu điểm chế tạo đơn giản, bếp hoạt động tốt cường độ xạ ánh nắng mặt trời không cao, không gây ảnh hưởng sức khỏe cho người sử dụng.… Thực tế sử dụng cho thấy, hiệu suất bếp cải thiện đáng kể người sử dụng quay bếp theo di chuyển mặt trời góc 5o 15 phút Điều có ý nghĩa đáng kể thời điểm sử dụng bếp từ đến 10 từ 14 đến 16 mà góc tới ánh nắng mặt trời hợp với bề mặt hấp thụ nhiệt bếp lớn so với trường hợp thường đặt bếp cố địch mặt bếp thẳng góc với mặt trời thời điểm trưa Điều đồng nghĩa với việc hai khoảng thời gian nêu trên, hiệu suất bếp thấp Vì vậy, nhằm tăng hiệu suất bếp, giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, giải phóng người sử dụng phải lệ thuộc vào giám sát bếp, sử dụng bếp nhu cầu loại bếp tự động xoay theo hướng nắng có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng nhu cầu đáng Điều đặc biệt ý nghĩa với người dân nghèo vùng đệm khu bảo tồn sinh thái, rừng loại khỏi nguy cháy rừng, tàn phá rừng người dân vào rừng chặt gỗ làm chất đốt, đun nấu gây Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên, thực đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng bếp lượng mặt trời” MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều chỉnh theo hướng nắng mặt trời có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, hiệu suất sử dụng cao 2.2 Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu góc tới phát tia xạ mặt trời theo thời điểm ngày khu vực thực thí nghiệm Thiết kế, chế tạo mẫu bếp phù hợp mục tiêu đề Thiết kế cấu truyền động hiệu Thiết kế mạch điều khiển hiệu quả, dễ sử dụng thay thế, giá thành thấp PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 11 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3.1 Ý nghĩa khoa học Kết tính tốn, thiết kế khảo nghiệm thơng số kỹ thuật sẽ làm sở khoa học cho nghiên cứu phát triển liên quan khai thác lượng mặt trời 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết xây dựng mẫu bếp hồn chỉnh, tự động hóa với giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, dễ thay thế, hoạt động hiệu phù hợp với điều kiện nắng đối tượng sử dụng địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế Từ đó, tạo điều kiện phổ biến rộng rãi khuyến khích người dân sử dụng mẫu bếp nhằm tiết kiệm chi phí chất đốt, bảo vệ môi trường PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.1 Nguồn lượng mặt trời Mặt trời khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm khí có nhiệt độ cao Nhiệt độ bên mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí trái đất Đây điều kiện lý tưởng cho phản ứng phân hạch nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ phản ứng phân hạch này, qua trình truyền từ tâm mặt trời ngồi, tương tác với nguyên tố khác bên mặt trời chuyển thành xạ có mức lượng thấp hơn, chủ yếu ánh sáng phần nhiệt phổ lượng Bức xạ điện từ này, với phổ lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát không gian hướng khác Quá trình xạ mặt trời diễn từ tỷ năm nay, sẽ tiếp tục vài tỷ năm Cấu trúc mặt trời chia làm vùng, tất hợp thành khối cầu khí khổng lồ (Hình 1.1) 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 175.000 km, 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 cịn gọi vùng “đổi ngược” qua lượng truyền từ ngoài, vật chất vùng gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) khí hiđrơ (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 vùng gồm bọt khí sơi sục, có chỗ tạo vết đen, hố xốy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng vùng bất định gọi “khí quyển” mặt trời Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 13 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 Rơngen 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 ngồi mặt trời phổ rộng, cực đại cường độ xạ nằm dải 10-1 - 10 m nửa tổng lượng mặt trời tập trung khoảng bước sóng 0,38 0,78 m vùng nhìn thấy phổ Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi xạ trực xạ Tổng hợp tia trực xạ tán xạ gọi tổng xạ Mật độ dòng xạ trực xạ ngồi lớp khí quyển, tính với 1m2 bề mặt đặt vng góc với tia xạ, tính theo cơng thưc : q =  D _T C0 (T / 100)4 [1.1] Ở  D−T - hệ số góc xạ trái đất mặt trời  D−T =  / [1.2] β - góc nhìn mặt trời (Hình 1.2) C0 = 5,67 W/m2.K4 - hệ số xạ vật đen tuyệt đối T  5762 oK -nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối) Vậy  2.3,14.32    360.60   5762   q= 5,67.   1353 W/m2  100  [1.3] Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 14 Các tính tốn xạ mặt trời: - Hệ số khối khơng khí: m, tỷ số khối lượng khí theo phương tia xạ truyền qua khối lượng khí theo phương thẳng đứng (tức mặt trời thiên đỉnh) Như m =1 mặt trời thiên đỉnh, m =2 góc thiên đỉnh z 600 Đối với góc thiên đỉnh từ 0-700 xác định gần m =1/cosz Còn góc z>700 độ cong bề mặt trái đất phải đưa vào tính tốn Riêng trường hợp tính tốn xạ mặt trời ngồi khí m =0 - Trực xạ: xạ mặt trời nhận khơng bị bầu khí phát tán Đây dịng xạ có hướng thu thu kiểu tập trung (hội tụ) - Tán xạ: xạ mặt trời nhận sau hướng bị thay đổi phát tán bầu khí (trong số tài liệu khí tượng, tán xạ cịn gọi xạ bầu trời, cần phân biệt tán xạ mặt trời với xạ hồng ngoại bầu khí phát ra) - Tổng xạ: tổng trực xạ tán xạ bề mặt (phổ biến tổng xạ bề mặt nằm ngang, thường gọi xạ cầu bề mặt) - Cường độ xạ (W/m2): cường độ lượng xạ mặt trời đến bề mặt tương ứng với đơn vị diện tích bề mặt Cường độ xạ bao gồm cường độ xạ trực xạ Etrx, cường độ xạ tán xạ Etx cường độ xạ quang phổ Eqp - Năng lượng xạ (J/m2): lượng xạ mặt trời truyền tới đơn vị diện tích bề mặt khoảng thời gian, lượng xạ đại lượng tích phân cường độ xạ khoảng thời gian định (thường hay ngày) - Giờ mặt trời : thời gian dựa chuyển động biểu kiến mặt trời bầu trời, với quy ước mặt trời ngọ thời điểm mặt trời qua thiên đỉnh người quan sát Giờ mặt trời thời gian sử dụng quan hệ góc mặt trời, không đồng nghĩa với theo đồng hồ Quan hệ hình học mặt phẳng bố trí mặt đất xạ mặt trời truyền tới, tức vị trí mặt trời so với mặt phẳng xác định theo góc đặc trưng sau : - Góc vĩ độ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ phía bắc phía nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc hướng dương - 900    900 - Góc nghiêng : góc mặt phẳng bề mặt tính tốn phương nằm ngang    1800 ( > 900 nghĩa bề mặt nhận xạ hướng xuống phía dưới) PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 15 - Góc phương vị bề mặt : góc lệch hình chiếu pháp tuyến bề mặt mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến Góc  = bề mặt quay hướng nam,  lấy dấu (+) bề mặt quay phía tây lấy dấu (-) bề mặt quay phía đơng -1800    1800 Hình 1.3 Góc hình học tia xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng - Góc : góc chuyển động vị trí mặt trời phía đơng phía tây kinh tuyến địa phương trình quay trái đất quanh trục lấy giá trị 150 cho đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+) - Góc tới : góc tia xạ truyền tới bề mặt pháp tuyến bề mặt - Góc thiên đỉnh z: góc phương thẳng đứng (thiên đỉnh) tia xạ tới Trong trường hợp bề mặt nằm ngang góc thiên đỉnh góc tới  - Góc cao mặt trời  : góc phương nằm ngang tia xạ truyền tới, tức góc phụ góc thiên đỉnh - Góc phương vị mặt trời s: góc lệch so với phương nam hình chiếu tia xạ mặt trời truyền tới mặt phẳng nằm ngang Góc lấy dấu âm (-) hình chiếu lệch phía đơng lấy dấu dương (+) hình chiếu lệch phía tây - Góc lệch : vị trí góc mặt trời tương ứng với mặt trời 12 (tức mặt trời qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng xích đạo trái đất, với hướng phía bắc hướng dương -23,450    23,450 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 16 Góc lệch  tính tốn theo phương trình Cooper:  = 23,45.sin(360 284 + n ) 365 n thứ tự ngày năm [1.4] Quan hệ loại góc đặc trưng biểu diễn phương trình góc tới  góc khác sau: cos = sin.sin cos - sin.cos sin.cos + cos.cos.cos.cos + + cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin và: cos = cosz.cos + sinz.sin.cos(s - ) [1.5] Đối với bề mặt nằm ngang góc tới  góc thiên đỉnh mặt trời z, giá trị phải nằm khoảng 00 900 từ mặt trời mọc đến mặt trời thiên đỉnh ( = 0): cosz = cos.cos.cos + sin.sin [1.6] 1.1.2 Phương pháp sử dụng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời sử dụng nhiều thực tiễn như: sản xuất điện từ pin quang điện, sưởi ấm không gian làm mát thông qua thiết kế kiến trúc, chưng cất nước uống khử trùngbằng bình nước nóng lượng Mặt Trời, nấu ăn bếp lượng mặt trời v.v Tóm lại, chia phương pháp sử dụng lượng mặt trời thành hai nhóm là: + Nhiệt năng: chuyển xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng hệ thống sưởi, để đun nước tạo quay turbin điện + Quang điện: chuyển xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện 1.1.3 Các thiết bị sử dụng lượng mặt trời Như đề cập trên, hai dạng ứng dụng lượng mặt trời phổ biến hệ thống chuyển hoá lượng mặt trời thành nhiệt hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời, bếp nấu ăn lượng mặt trời, hệ thống sấy lượng mặt trời hệ thống chuyển hoá lượng mặt trời thành điện pin lượng mặt trời (Pin quang điện) Dưới số ứng dụng thiết thực từ lượng mặt trời đời sống - Bếp lượng mặt trời: Có hai dạng bếp nấu bếp parabol bếp hộp Với bếp parabol, lượng mặt trời thu qua chảo thu nhiệt hình parabol hay hình hộp Bếp parabol, nồi chứa thức ăn đặt bán cầu tráng gương để phản xạ tập trung tia mặt trời vào nồi chứa Để trì nhiệt độ, người ta đặt bao giữ nhiệt suốt nylon bao quanh nồi chứa Chảo thu nhiệt cần phải PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 17 thường xuyên điều chỉnh quay theo hướng mặt trời để thu nhiều nắng Ứng dụng sử dụng để nấu ăn với số lượng lớn khai thác nhiều nơi giới, đặc biệt Trung Quốc Ở bếp hộp nồi nấu đặt bên thành bếp thu nhiệt nhờ hai gương phản xạ gắn hai bên cánh phản xạ bếp Ngoài ra, phía mặt nhơm đánh bóng để phản xạ, biên dạng mặt phản xạ thiết kế mặt kết hợp parabol tròn xoay cho nồi nấu nhận chùm tia trực xạ ánh sáng mặt trời chùm phản xạ từ gương phẳng đặt cố định Bếp có giá thành rẻ hiệu suất cao phải thường xuyên điều chỉnh bếp quay theo hướng mặt trời Hình 1.4 Hai loại bếp nấu lượng mặt trời - Xe ô tô điện: Xe ô tô sử dụng lượng mặt trời thường lắp số lượng mặt trời mui xe Còn xe đạp lượng mặt trời lượng mặt trời gắn áo người lái xe Những loại xe chủ yếu sử dụng cho mục đích trình diễn thử nghiệm kỹ thuật Người lái xe theo dõi lượng tiêu hao lượng thu qua loại đồng hồ lắp xe Trên giới có số giải đua xe lượng mặt trời, có giải tương đố tiếng giải The World Solar Challenge tổ chức Úc với quy định người tham gia phải vượt qua quãng đường dài đến 3000 km xuyên qua Úc Giải thứ hai The North American solar challenge lần đầu tổ chức vào năm 2008 với chặng đua từ bang Texas – Hoa Kỳ đến Canada PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 18 Hình 1.5 Xe điện lượng mặt trời -Vơ trùng nước: Việc vô trùng nước lượng mặt trời thực hộp thu lượng mặt trời Có cấu tạo gồm khung gỗ có phủ lớp màng mỏng sơn đen để tập trung nhiệt lượng từ ánh nắng mặt trời Phía có bình đựng nước Nhiệt lượng thu từ ánh nắng sẽ đun nước tới khoảng 650 sau vài chục phút sau sẽ vơ trùng Một hộp lượng mặt trời vơ trùng khoảng lít nước vịng tiếng đồng hồ Hình 1.6 Thiết bị vơ trùng nước lượng mặt trời - Sản xuất Hydro: Hiện tượng điện phân phân tách phân tử nước thành nguyên tử hydro oxy, sau hydro sử dụng làm nhiên liệu Nếu lượng điện cần thiết cho trình điện phân cung cấp từ nguồn nhiên liệu hóa thạch khí CO2 sẽ bị phát thải mơi trường, cịn tượng điện phân thực tế bào lượng mặt trời sẽ khơng có nhiễm mơi trường Một số công ty sản xuất ô tô giới thử nghiệm số động sử dụng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma 19 nhiên liệu hydro Hydro lưu trữ số thùng đặt than xe Sau đó, hệ thống động lực sẽ chuyển đổi hydro thành điện để vận hành xe Hình 1.7 Ô tô sử dụng nhiêu liệu Hydro - Sưởi ấm: Một số ngư dân Canada thiết kế lều câu cá băng sưởi ấm ánh nắng Mặt Trời dựa vào việc tận dụng phản xạ ánh nắng Mặt Trời mặt băng tuyết để thu nhiệt lượng mong muốn Trước tiên, ngư dân bao kín kẽ hở lều họ thiếc, sau dùng hai nhựa để làm thành hai cánh cửa lưới chắn trùng để che bốn sổ lều Ánh nắng sẽ làm nóng khơng khí bên lều sưởi ấm cho người ngồi câu cá băng theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Khối khơng khí lạnh bên ngồi lều khơng khí nóng bên lều sẽ lưu thơng qua sổ Hình 1.8 Lều sưởi ấm lượng mặt trời -Máy bay: Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang điện cánh mẫu thử máy bay lượng Mặt Trời, máy bay có chuyến bay vịng quanh giới vào năm 2012 Trước vào tháng 4/2012, The PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma ... là: ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng bếp lượng mặt trời? ?? MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều. .. phổ biến hệ thống chuyển hoá lượng mặt trời thành nhiệt hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời, bếp nấu ăn lượng mặt trời, hệ thống sấy lượng mặt trời hệ thống chuyển hoá lượng mặt trời thành... điện pin lượng mặt trời (Pin quang điện) Dưới số ứng dụng thiết thực từ lượng mặt trời đời sống - Bếp lượng mặt trời: Có hai dạng bếp nấu bếp parabol bếp hộp Với bếp parabol, lượng mặt trời thu