TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất bản lần thứ nhất) HÀ NỘI, 2017 MỤC LỤC Chương 1 Giới th[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất lần thứ nhất) HÀ NỘI, 2017 MỤC LỤC Chương Giới thiệu vê chuyên đôi lượng mặt trời Chương Cơ sở xạ mặt trời 12 2.1 Tính chất vật lý mặt trời truyền tải lượng 12 2.2 Cơ sở xạ nhiệt 13 2.2.1 Bức xạ vật đen tuyệt đối 14 2.2.2 Bảng hàm xạ 15 2.2.3 Cường độ xạ hệ sơ hình dạng 18 2.2.4 Truyền Bức xạ qua Môi trường 21 2.3 Môi quan hệ hình học mặt trời trái đât 21 2.3.1 Thời gian góc mặt trời 28 2.3.2 Sơ đô quỹ đạo mặt trời 37 2.3.3 Thước đo Bóng- Góc 38 2.4 Bức xạ mặt trời 41 |2.4,1 Bức xạ mặt trời trái đất 43 2.5 Ước tính xạ mặt trời trái đất 45 2.5.1 Sự suy giảm Khí quyên Bức xạ mặt trời 48 2.5.2 Bức xạ mặt trời vào ngày quang đãng 48 2.5.3 Bức xạ mặt trời lên mặt phăng nghiêng 50 2.5.4 Mơ hình Ước tính Bức xạ Mặt trời Hàng tháng 54 2.6 Mơ hình dựa vào xạ mặt trời lên bê mặt ngang đo thời gian dài 59 2.6.1 Bức xạ mặt trời hàng tháng lên bê mặt nghiêng 59 2.6.2 Vòng quay mặt trời hay xạ mặt trời khuyêch tán dị hướng 63 2.6.3 Bức xạ mặt trời hàng ngày lên bề mặt nghiêng 64 2.6.4 Bức xạ mặt trời hàng lên bề mặt nghiêng 65 2.7 Đo lường xạ mặt trời 67 2.7.1 Tthiêt bị đo lường xạ mặt trời 67 2.7.2 Thiêt bị dò cho thiêt bị đo xạ mặt trời 71 2.7.3 Đo lường khoảng thời gian chiếu nắng 71 2.7.4 Đo lượng xạ mặt trời theo phô 73 2.7.5 Đo lường phố dải rộng 74 2.7.6 Dữ liệu xạ mặt trời 76 2.8 Lập đô xạ mặt trời sử dụng liệu từ vệ tinh 76 2.8.1 Ước tính ngn mặt trời từ liệu vệ tinh 78 Chương Các phương pháp thu biên đôi nhiệt mặt trời 83 3.1 Các tính chât xạ đặc tính loại vật 84 3.1.1 Các bê mặt chọn lọc 87 i 3.1.2 Các bề mặt phản xạ 87 3.1.3 Các vật liệu suôt 89 3.2 Các thu dạng tâm phăng 92 3.2.1 Các thu loại chât lỏng 92 3.2.2 Bộ thu loại khí 93 3.2.3 Các lớp kính 94 3.2.4 Sự cân băng luợng đôi với thu dạng tâm phăng 96 3.2.5 Phân tích nhiệt hấp thụ-bộ thu dạng phăng 103 3.2.6 Nhân tô hiệu suât thu 106 3.2.7 Nhân tô khử nhiệt thu 108 3.2.8 Các hiệu ứng chuyên tiêp 112 3.2.9 Sự phân tích nhiệt thu dạng tâm phăng đê làm mát không khí 115 3.3 Các thu luợng mặt trời hình ơng 118 3.3.1 Các thu hình ơng đuợc rút chân khơng 118 3.3.2 Phân tích nhiệt thu hình ống 120 3.4 Kiêm tra thử nghiệm thu 121 3.4.1 Các tiêu chuân kiêm tra đôi với thu nhiệt mặt trời 125 3.5 Các thu nhiệt mặt trời tập trung 126 3.5.1 Các giới hạn nhiệt động lực học đôi với trình tập trung 127 3.5.2 Các giới hạn quang vê tập trung 131 3.5.3 Sự chấp nhận xạ khuyếch tán .132 3.5.4 Các sơ đô vẽ tia 132 3.5.5 Các loại tập trung 136 3.5.6 Các tập trung cô định 136 3.6 Bộ tập trung với khay hình parabol (PTC) 137 3.6.1 Phân tích quang học PTC 138 3.6.2 Các hiệu ứng tới khơng vng góc 145 3.6.3 Khả hoạt động nhiệt thu PTC 145 3.7 Các tập trung nhiệt mặt trời cong hai chiều 146 3.7.1 A Các tập trung hình parabol 146 3.7.2 Các tập trung hình câu 150 3.7.3 Bộ tập trung hình parabol kép 154 3.7.4 Phân tích quang thu CPC 154 3.7.5 Khả hoạt động nhiệt thu CPC 158 3.8 Bộ thu có nhận trung tâm 161 3.8.1 Hệ thơng kính định nhật 162 3.8.2 Bộ nhận .163 3.8.3 Bản thiêt kê hệ thông gương 165 3.9 Các phản xạ Fresnel thâu kính 169 ii Chương Lưu trữ vận chuyên lượng nhiệt .181 4.1 Lưu trữ nhiệt (TES) 181 4.2 Các loại lưu trữ nhiệt 184 4.2.1 Lưu nhiệt cảm biến 184 4.2.2 Lưu nhiệt ân 186 4.2.3 Lưu lượng nhiệt hoá 186 4.3 Thiêt kê hệ thông lưu trữ 188 4.3.1 Lựa chọn châtliệu 188 4.3.2 Thiêt kê bình chứa 189 4.3.3 Thiêt kê trao đôi nhiệt 190 4.4 Hệ thông phụ truyên lượng 194 4.4.1 Hệ thông ông dân 194 4.4.2 Giảm áp suât 194 4.4.2 Các trao đôi nhiệt 202 Chương Hệ thống làm nóng sử dụng lượng mặt trời 217 5.1 Các phép tính tải nhiệt nước nóng tồ nhà: 217 5.1.1 Tính tốn lượng nhiệt tiêu hao: 219 5.1.4 Phương pháp tính tải nhiệt nước nóng dùng cơng nghiệp: 227 5.2.2 Hệ thơng dịng lưu thơng cưỡng bức: 232 5.2.3 Hệ thơng cung câp nhiệt qui trình công nghiệp 234 5.3 Hệ thống làm nóng lượng mặt trời sử dụng chấtlỏng: 234 5.3.1 Kêt câu hệ thông nhiệt băng lượng mặt trời chủđộng 235 5.3.2 Hướng thu ánh nắng mặt trời: 237 5.3.3 Tỷ lệ dòng chât lỏng: 237 5.3.4 Bình chứa nhiệt: 238 5.3.5 Các phận khí khác: 240 5.3.6 Các thiêt bị điêu khiên hệ thông chât lỏng: 240 5.3.7 Các thiêt bị tải hệ thơng làm nóng băng lượng mặt trời dùng chât lỏng: 241 5.4 Hệ thống làm nóng khơng khí lượng mặt trời .244 5.4.1 Kêt câu hệ thơng làm nóng: 244 5.4.2 Thiêt kê thu ánh mặt trời: 246 5.4.3 Tỷ lệ dòng chât lỏng: 246 Chương Quá trình làm lạnh hút âm sử dụng lượng mặt trời 247 6.1 Qúa trình làm mát làm lạnh không gian sử dụng lượng mặt trời 247 6.1.1 Các yêu câu làm lạnh nhà 249 6.1.2 Chu trình nén 253 6.1.3 Điêu hoà khơng khí hâp thụ 257 6.1.4 Phương trình Cân băng khôi lượng 263 6.1.5 Hệ thông làm lạnh amoniac-nước 266 iii 6.2 Hút âm băng lượng mặt trời 272 6.2.1 Hệ thông làm mát sử dụng chât khử nước răn 273 6.2.2 Hệ thống làm lạnh sử dụng chất làm lạnh lỏng 275 Chương Các biện pháp thụ động đê đơt nóng, làm mát chiêu sáng tự nhiên 284 7.1 Giới thiệu: 284 7.1.1 Khái niệm “hệ thông thụ động” 284 7.1.2 Các ứng dụng nay: 284 7.1.3 Cơ sử kinh tê hệ thông thụ động: 285 7.2 Hệ thơng làm nóng thụ động: 285 7.2.1 Các kiếu hệ thống làm nóng thụ động: 285 7.2.4 Câp độ thứ nhât: Các qui tăc bản: 290 7.2.5 Câp độ thứ hai: Phương pháp LCR 292 7.2.6 Câp độ thứ ba: Cơng thức tính SLR 293 7.3 Hệ thồng làm mát không gian thụ động 295 7.3.1 Kiếm soát lượng mặt trời đầu vào: 295 7.3.3 Làm mát phương pháp bay hơi: 298 7.3.4 Hệ thông làm mát ban đêm: 298 7.3.5 Làm mát tiếp cách tiếp xúc với mặt đất (hoặc làm nóng) 300 7.4 Các sở cho việc chiêu sáng tự nhiên: 304 7.4.1 Tính kinh tê chiêu sáng tự nhiên: 304 7.4.2 Các sở cho thiết kế chiếu sáng tự nhiên: 306 7.4.3 Các phương pháp thiêt kê: 308 7.4.4 Phương pháp lumen chiếu sáng bên: 308 7.4.5 Phương pháp tính lumen cho ánh sáng bâu trời: 314 Chương Năng lượng nhiệt từ mặt trời nhiệt trình 326 8.1 Lịch sử phát triên 326 8.2 Nhiệt q trình cơng nghiệp sử dụng lượng mặt trời 329 8.3 Những ví dụ vê hệ thông SIPH 333 8.3.1 SIPH cho ngành công nghiệp dệt may 337 8.3.2 Hệ thông SIPH cho trình chê biên sữa 339 8.4 Hoạt động lâu dài hệ thông SIPH 341 8.4.1 Hệ sô cường độ lượng mặt trời giới hạn X 341 8.4.2 Khả sử dụng 342 8.4.3 Tính tốn mâu 344 8.4.4 Khoảng thời gian thu (Atc) 345 8.4.5 Vận hành hệ thống thu có lưu thời gian dài 346 8.5 Chương trình mơ hình máy tính TRNSYS 350 8.6 Nhiệt 350 8.6.1 Chu trình nước 350 iv 8.6.2 Các thiết bị nhà máy điện nước 359 8.6.3 Lựa chọn dịng sinh cơng 361 8.7 Các ví dụ vê nhà máy nhiệt điện chu trình nước dùng lượng mặt trời 363 8.7.1 Nhà máy điện dùng mặt thu lõm hình parabol 363 8.7.2 Hệ thông thu trung tâm 364 8.7.3 Các hệ thơng chảo hình parabol 368 8.8 Chu trình Stirling 370 8.8.1 Nhiệt động học chu trình Stirling .372 8.8.2 Pittông truyên động luân chuyên 375 8.8.3 Các động dùng pittông tự hay động học 377 8.8.4 Những ví dụ vê hệ thông phát điện Stirling băng lượng mặt trời 377 8.8.5 Những thành tựu gân phát triên chu trình nhiệt điện từ lượng mặt trời .381 8.9 Chưng cât nước muôi dùng lượng mặt trời 386 8.10 Hô lượng mặt trời phi đôi lưu 392 8.10.1 Lời giới thiệu 392 8.10.2 Các tiêu chuẩn ôn định hồ mặt trời 394 8.10.3 Hoạt động nhiệt cùa hô mặt trời 395 Chương Quang điện 400 9.1 Chât bán dẫn 400 9.1.1 Lớp chuyên tiêp p-n 403 9.1.2 Hiệu ứng quang điện 404 9.2 Phân tích pin quang điện 408 9.2.1 Hiệu suất pin mặt trời 413 9.2.2 Pin mặt trời nhiều lóp chuyến tiếp 414 9.2.3Thiêt kê hệ thông quang điện 415 9.3 Sản xuất pin mặt trời 419 9.3.1 Pin đơn tinh thê đa tinh thê 419 9.3.2 Silicon vô định hình chê tạo màng mỏng nhiêu lớp chuyên tiêp .424 9.4 Thiết kế lắp đặt quang điện xa 424 9.4.1 Ước tính tải định thời tải 425 9.4.2 Ước tính xạ mặt trời có thê dùng 427 9.4.3 Điêu chỉnh kích thước hệ thơng PV 427 Chương 10 Ưng dụng quang hóa mặt trời 435 10.1 Phản ứng quang xúc tác 435 10.2 Phản ứng khử độc dùng quang phân mặt trời 439 10.3 Lò phản ứng mặt trời .439 10.3.1 Lò phản ứng tập trung 440 10.3.2 Lò phản ứng không tập trung 441 10.3.3 Lò phản ứng tâm kim loại phăng .442 V 10.3.4 Lò phản ứng dạng ống 443 10.3.5 Bế mặt trời nông 443 10.3.6 Màng trượt 446 10.5 Chiếu sáng có ích 452 10.6 Phát triên chất xúc tác 453 10.7 Phương pháp thiết kế hệ thống 454 10.7.1 Nghiên cứu xử lý phịng thí nghiệm 455 10.7.2 Kiêu hoạt động thiết bị xử lý 455 10.7.4 Diện tích lị phản ứng 456 10.7.5 Tuôi thọ chất xúc tác 459 10.8 Khử độc khí dùng quang xúc tác 459 10.8.1 Lị phản ứng quang hóa 459 10.9 Các ứng dụng thương mại/công nghiệp 460 10.10 Khử trùng nước khơng khí dùng mặt trời 463 10.11 Tống kết 463 Chương 11 Thu lượng mặt trời qua sinh khối 465 Giới thiệu 465 11.1 Nguyên liệu sinh khối .465 11.1.1 Vật chất thải 465 11.1.2 Cây lượng 467 11.1.3 Đặc tính quan trọng sinh khối 468 11 Tính tốn nhiệt động lượng sinh khối 475 11.2.1 Cân khối lượng 475 11.2.2 Cân lượng 478 11.2.3 Hiệu suất nhiệt động 483 11 Chuyên đôi sinh khối thành nhiên liệu dạng khí 484 11.3.1 Phân hủy yếm khí 484 11.3.2 Khí hóa nhiệt 486 11 Nhiên liệu lỏng từ sinh khối 489 11.4.1 Lên men ethanol 489 11.4.2 Tống hợp Metan phương pháp hóa học 491 11.4.3 Dầu nhiệt phân 492 11.4.4 Dầu thực vật 493 11 Chuyên đôi sinh khối thành điện 495 11.5.1 Năng lượng nước 495 11.5.2 Chu trình tuabin khí 497 11.5.3 Chu trình pin nhiên liệu 498 11 Đánh giá kinh tể 501 11.6.1 Nhiên liệu dạng khí 501 vi 11.6.2 Nhiên liệu dạng lỏng 502 11.6.3 Điện 503 Chương 12 Giới thiệu phân tích kinh tế lượng mặt trời 506 12.1 Tơng quan vê tính kinh tê cuả lượng mặt trời: 506 12.2 Chi phí st ti thọ hệ thông: 507 12.3 Các qui tăc phân tích dịng tiên chiêt khâu: 508 12.3.1 Giá trị niên hoá: 508 12.3.2 Trả góp: 511 12.4 Chi phí ti thọ hệ thông lượng mặt trời: 516 12.4.1 Chi phí ban đầu hệ thống nàng lượng mặt trời: 516 12.4.2 Chi phí tương lai hệ thông lượng mặt trời: 517 12.4.3 Chi phí lượng mặt trời hàng năm - Các ứng dụng vào khudân cư 518 12.4.4 Chi phí lượng mặt trời hàng năm - Các ứng dụng thươngmại 522 12.4.5 Các dòng tiên mặt liên tục: 524 12.5 Phân tích lợi nhuận chi phí tối ưu hố 525 12.5.1 Các hàm số sản xuất: 525 12.5.3 Hàm sô luỹ thừa: 528 12.5.2 Phương pháp luận tối ưu hoá kinh tế 528 vii Q,= Influx;-