(Luận văn thạc sĩ hcmute) tính toán thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý stirling

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỒN HỮU LIÊM TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO NGUYÊN LÝ STIRLING S K C 0 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỒN HỮU LIÊM “TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO NGUYÊN LÝ STIRLING” NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ& tên: Đoàn Hữu Liêm Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/09/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Giao Hòa, Châu Thành, Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 38 Trần Quốc Tuấn, P7, TP Mỹ Tho, Tỉnh Tiền Giang Điện thoại quan: (073) 6250200 Điện thoại nhà riêng: (073) 3850399 0907 035 631 Fax: E-mail: doanhuuliem@tgu.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 03/2008 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM Ngành học: Công nghệ tự động Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu, khai thác ứng dụng vào giảng dạy phần mềm CAD/CAM-CNC Keller SYMplus Turning 3.0 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 15/02/2008 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM Người hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Đảm Trình độ ngoại ngữ: Anh văn, TOEFL ITP 490 III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 06/2008 – 12/2008 01/2009 đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty cổ phần Cao su Sài Gịn Kỹ sư Cơ khí KYMDAN Trường Đại học Tiền Giang i Luan van Giảng viên Bộ môn Cơ khí LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 05 năm 2014 Đoàn Hữu Liêm ii Luan van CẢM TẠ Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, đặc biệt Quý thầy thuộc khoa Cơ khí chế tạo máy tận tình giảng dạy hướng dẫncho chúng tơi suốt thời gian theo học trường Trong q trình hồn thànhluận văn này,tơiđã nhận giúp đỡ tận tình PGS.TS Lê Hiếu Giang Xin trân trọng cảm ơn Thầy Tơi xin cảm ơn góp ý chân thành Quý thầy cô phản biện Quý thầy cô Hội đồng bảo vệ luận văn, giúp hồn thiện thiếu sót đề tài Mặc dùđã cố gắng nỗ lực thực đề tài với lượng kiến thức hạn chế nên kết đạt tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận ý kiến đóng góp Q thầy anh chị học viên Trân trọng cảm ơn ! Đoàn Hữu Liêm iii Luan van TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày đề tài “Tính tốn, thiết kế hệ thống phát điện dùng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling”, giải pháp tiết kiệm điện tận dụng nguồn lượng vô tận từ mặt trời Hệ thống biến đổi lượng mặt trời thành để chạy máy phát điện thông qua hệ gương parabol hội tụ lượng xạ mặt trời để đốt nóng cho động đốt Stirling đặt tiêu điểm gương Hệ gương parabol có đường kính khoảng 1,5 m chế tạo nhôm inox Động Stirling chọn loại beta, dung tích khoảng 600 cm3, mơi chất cơng tác khơng khí, sử dụng cấu truyền động hình thoi Kết tính tốn ban đầu cho thấy, với thơng số động hệ gương parabol chọn cơng suất hệ thống đạt 22,82 W hiệu suất nhiệt đạt 21,87 % Q trình tính tốn cơng suất động Stirling kích thước gương parabol thực với chương trình tính tốn soạn thảo phần mềm MATLAB ABSTRACT This thesis presented the topic “Calculation and design a generation system using solar energy based on the Stirling principle”, this isone of theenergy savingsolutions using cleanandendlesspower sourcefrom the sun This systemtransformsthesolar energytomechanical energytooperate a generatorviaaparabolicmirrorconcentratingsolar radiationenergy to heattheexternal combustionStirlingengineplacedat the focal pointof themirror The parabolicmirrorwith a diameterof 1,5mcan bemadeof aluminumorstainless steel sheets The Stirlingenginesis abeta type witha volume of about600cm3, using air workingfluid and rhombic drive mechanism The initial result showed that the system with selected engine and mirror reached a power of 22,82 W and an efficiency of 21,87 % The process calculatingStirlingengine iv Luan van powerandparabolicmirror dimension is performed by a MATLAB calculation program v Luan van MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan .ii Cảm tạ iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục v Danh sách hình viii Chƣơng - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển động Stirling 1.1.2 Nguyên lý hoạt động động Stirling .4 1.1.3 Các loại động Stirling 1.1.4 Cấu tạo số loại động Stirling 1.1.5 So sánh động Stirling với động đốt 1.1.6 Những ứng dụng động Stirling 10 1.2 Mục tiêu, khách thể đối tượng nghiên cứu .13 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài .13 1.2.2 Khách thể đối tượng nghiên cứu 14 1.3 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu .14 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 14 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 14 1.4 Phương pháp nghiên cứu .14 Chƣơng - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Chu trình lý thuyết động Stirling .15 vi Luan van 2.1.1 Các giả định chu trình Stirling 15 2.1.2 Các trình nhiệt động chu trình Stirling 16 2.2 Chu trình Schmidt .21 2.2.1 Các giả định chu trình Schmidt 21 2.2.2 Các ký hiệu dùng chu trình Schmidt 21 2.2.3 Chu trình Schmidt cho động Stirling kiểu beta 23 2.2.4 Xác định công, công suất hiệu suất động 25 2.3 Cơ cấu hình thoi truyền động động Stirling kiểu beta 26 2.3.1 Nguyên lý cấu tạo cấu hình thoi 26 2.3.2 Hành trình dịch chuyển piston .27 2.3.3 Điểm chết trên, điểm chết dưới, chiều dài hành trình 27 2.3.4 Độ lệch pha piston 28 2.4 Nguyên lý hội tụ lượng mặt trời dùng gương cầu parabol 29 2.4.1 Ảnh mặt trời qua gương parabol 29 2.4.2 Hệ số tập trung lượng xạ mặt trời 30 Chƣơng - TÍNH TỐN THIẾT KẾĐỘNG CƠ NHIỆT STIRLING 32 3.1 Chọn kết cấu cho động Stirling 32 3.2 Tính tốn cấu truyền động hình thoi .33 3.3 Tính tốn cơng suất hiệu suất động 35 3.4 Tính tốn truyền nhiệt làm mát buồng nén .36 3.5 Kết tính tốn MATLAB 37 Chƣơng - THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾTTRÊN ĐỘNG CƠ STIRLING 42 4.1 Thân nắp hộp truyền động 42 4.2 Xylanh lực 45 4.3 Cụm piston lực truyền 46 4.4 Cụm piston dịch chuyển truyền 47 vii Luan van 4.5 Xylanh giãn nở 48 4.6 Cụm gối đỡ trục ổ lăn .49 4.7 Bộ truyền hình thoi 51 4.8 Sơ đồ lắp ráp động Stirling .52 Chƣơng - TÍNH TỐN THIẾT KẾGƢƠNG PARABOL HỘI TỤ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI 54 5.1 Tính tốn thơng số cho biên dạng gương parabol .54 5.2 Tính tốn thơng số chế tạo gương parabol 56 5.3 Kết tính tốn MATLAB 57 5.4 Kích thước chế tạo gương parabol 57 Chƣơng - THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ 59 6.1 Khung đỡ gương cầu parabol 59 6.2 Giá đỡ động 60 6.3 Chân đế gương 61 6.4 Sơ đồ lắp ráp mơ hình hệ thống 63 Chƣơng - KẾT LUẬN 65 7.1 Kết đạt đề tài 65 7.2 Những tồn kiến nghị để hoàn thiện đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 69 Chương trình MATLAB tính tốn thơng số truyền hình thoi 69 Chương trình MATLAB tính tốn cơng suất động Stirling thông số gương cầu parabol 70 Chương trình MATLAB tính tốn kích thước chế tạo gương parabol 74 PHỤ LỤC 76 viii Luan van Hình 6.6 – Sơ đồ lắp ráp hệ thống Khung đỡ gương Bu lông M30 x 70 Gương parabol Đai ốc M30 x 70 Đế gương Bu lơng khóa M12 Chân đế 10 Bu lơng khóa M10 Động Stirling 11 Giá đỡ động Đế xoay 64 Luan van Hình 6.7 – Mơ hình hệ thống phát điện 65 Luan van Chƣơng KẾT LUẬN 7.1 Kết đạt đƣợc đề tài Kết nghiên cứu mà đề tài đạt mơ hình hệ thống phát điện dùng lượng mặt trời sử dụng động Stirling kiểu beta với thông số trang 37 38 luận văn cho công suất Li = 22,82 W hiệu suất nhiệt η = 21,87 % So với thiết kế tài liệu [2] động Stirling theo thiết kế đề tài có kích thước nhỏ gọn nhiều lần (600 cm3 so với 208 dm3) Bộ phận truyền động động sử dụng cấu hình thoi với kết cấu đơn giản hơn, dễ chế tạo làm việc êm so với kiểu truyền động dùng trục khuỷu thông thường Để cung cấp lượng cho động Stirling hoạt động cần phận hấp thụ lượng mặt trời dùng gương cầu parabol đường kính 1500 mm, chế tạo nhôm inox Quá trình tính tốn thơng số cho động Stirling gương parabol hội tụ lượng mặt trời thực chương trình MATLAB Nhờ chương trình tính tốn ta dễ dàng tính cơng suất động theo kích thước xylanh kích thước truyền 7.2 Những tồn kiến nghị để hoàn thiện đề tài Do hoạt động nhờ nguồn nhiệt từ lượng mặt trời nên cơng suất mơ hình thiết kế chưa cao Tuy nhiên, đề tài đưa hướng nghiên cứu để tận dụng nguồn lượng vô tận từ mặt trời Để nâng cao cơng suất cho động Stirling ta dùng biện pháp: - Tăng đường kính xylanh động - Cải tiến cấu truyền động hình thoi để tăng chiều dài hành trình cho piston - Cải tiến phận làm mát động dùng nước giải nhiệt cho xylanh nén - Dùng biện pháp tăng áp cho động 66 Luan van - Làm kín xylanh để giảm hao phí mơi chất cơng tác Do chuyển động quay trái đất nên vị trí tương đối trái đất so với mặt trời thay đổi theo thời gian nên để đảm bảo tận dụng tối đa nguồn lượng xạ từ mặt trời cần phải thiết kế thêm hệ thống định hướng tự động để đảm bảo cho mặt hứng nắng gương parabol ln xoaythẳng góc với hướng chiếu tia nắng 67 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Bài tập Nhiệt động, truyền nhiệt kỹ thuật lạnh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 Hoàng Dương Hùng, Phan Quý Trà, Phan Quang Xưng, Nghiên cứu động Stirling dùng lượng mặt trời, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2005 Lê Xuân Hòa, Kỹ thuật nhiệt, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2004 Nguyễn Bốn, Hồng Dương Hùng, Giáo trình chun đề Năng lượng mặt trời, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2004 Nguyễn Chí Ngơn, Cao Hồng Long, Lưu Trọng Hiếu, Một giải pháp ứng dụng lượng mặt trời, Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Cần Thơ, 2011 Nguyễn Lưu Thịnh, Phân tích đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động động Stirling, Trường Đại học Thủy sản, 2005 Nguyễn Thế Hùng, MATLAB ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM, 2006 Tập thể tác giả, MATLAB ứng dụng kỹ thuật, Khoa Xây dựng Cơ học ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM, 2010 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, NXB Giáo dục, 2004 TIẾNG NƢỚC NGOÀI 10 A.R El Ouederni, M Ben Salah, F Askri, M Ben Nasrallah, F Aloui, Experimental study of a parabolic solar concentrator,Revue des Energies Renouvelables Vol 12 N°3, 2009, 395 – 404 11 D Thimsen, Stirling Engine Assessment, EPRI Final Report, 2002 68 Luan van 12 Halit Karabulut, Hüseyin Serdar Yücesu, Can Çınar, Fatih Aksoy, An experimental study on the development of a β-type Stirling engine for low and moderate temperature heat sources,Applied Energy 86,2009, 68–73 13 John H Lienhard IV, John H Lienhard V, A Heat Transfer Textbook 3rd Edition, Phlogiston Press, 2006 14 John R Fanchi, Energy in The 21st century, World Scientific, 2005 15 Koichi Hirata, Schmidt theory for Stirling engines, National Maritime Research Institute (Japan), 2000 16 Maier Christoph, Gil Arnaud, Aguilera Rafael, Shuang Li, Yu Xue, Stirling Engine, University of Gavle, 2007 17 Yong Tao, Denisse Aranda, Kevin LaMott, Stephen Wood, Solar Stirling Engine for Remote Power and Disaster Relief – Final Report, Florida International University, 2010 18 Siegfried Herzog, Analysis of the symmetric Rhombic Drive, Penn State University, 2005 69 Luan van PHỤ LỤC Chƣơng trình MATLAB tính tốn thơng số truyền hình thoi clear all; clc; disp('CHUONG TRINH TINH THONG SO BO TRUYEN RHOMBIC') L=input('Nhap chieu dai noi L (mm) : '); R=input('Nhap ban kinh quay R (mm) : '); a=input('Nhap duong kinh banh rang a (mm) : '); theta=0:0.01:(4*pi); e=sqrt((L^2-R^2)^2/(2*(L^2+R^2))) %#ok l=sqrt((L+R)^2-e^2)-sqrt((L-R)^2-e^2) Xpmax=sqrt((L+R)^2-e^2) Xdmax=-sqrt((L-R)^2-e^2) Xp=R*cos(theta)+sqrt(L^2-(e-R*sin(theta)).^2); Xd=R*cos(theta)-sqrt(L^2-(e-R*sin(theta)).^2); TiSo=(e+R)/L Y=a-2*e % -figure plot(theta,Xp,'r') hold on plot(theta,Xd,'b ') title('DO THI BIEU DIEN GOC LECH PHA GIUA PISTON') legend('Xp','Xd') xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)') ylabel('Vi tri dau piston (mm)') grid 70 Luan van Chƣơng trình MATLAB tính tốn cơng suất động Stirling thông số gƣơng cầu parabol % CHUONG TRINH TINH CONG SUAT DONG CO STIRLING clear all; clc; disp('CHUONG TRINH TINH CONG SUAT DONG CO STIRLING') d=input('Nhap duong kinh xylanh dong co d (mm) : '); d=d/1000; P0=input('Nhap ap suat tang ap cho dong co P0 (bar) : '); P0=(P0+1)*10^5; l=rhombic1(0.05,0.02); theta0=0; theta=0:0.01:(2*pi); phi=pi/2; Tc=30+273; Te=300+273; Tr=(Te+Tc)/2; Cv=720; % J/kg.do R=287; Vse=(pi*d^2*l)/4; Vsc=(pi*d^2*l)/4; Vde=(pi*d^2*0.02)/4; Vdc=0; Vb=(Vse+Vsc)/2-sqrt((Vse^2+Vsc^2)/4-Vse*Vsc*cos(phi)/2); Ve0=Vse*(1-cos(theta0))/2+Vde; Vc0=Vse*(1-cos(theta0))/2+Vsc*(1-cos(theta0-phi))/2+Vdc-Vb; Vr=(pi*(d-0.006)^2*0.05)/4; V0=Ve0+Vr+Vc0; Ve=Vse*(1-cos(theta))/2+Vde; 71 Luan van Vc=Vse*(1-cos(theta))/2+Vsc*(1-cos(theta-phi))/2+Vdc-Vb; V=Ve+Vr+Vc; m=P0*Ve0/(R*Te)+P0*Vr/(R*Tr)+P0*Vc0/(R*Tc); t=Tc/Te; v=Vsc/Vse; Xde=Vde/Vse; Xdc=Vdc/Vse; Xr=Vr/Vse; alpha=atan(v*sin(phi)/(t+cos(phi)+1)); Xb=Vb/Vse; S=t+2*t*Xde+(4*t*Xr/(1+t))+v+2*Xdc+1-2*Xb; B=sqrt(t^2+2*(t-1)*v*cos(phi)+v^2-2*t+1); c=B/S; disp(' -') % - Ap suat, Cong suat -Pmean=(2*m*R*Tc)/(Vse*sqrt(S^2-B^2)); P=Pmean*((1-(c*cos(theta-alpha))).\sqrt(1-c^2)); Wi=Pmean*Vse*pi*c*(1-t)*sin(alpha)/(1+sqrt(1-c^2)); n=1000/60; Li=Wi*n; fprintf('Cong suat trung binh cua dong co Li (W) : %7.2f \n',Li) %#ok % Nhiet luong vao - Vmax=max(V); Vmin=min(V); Q23=Cv*(Te-Tc)*m; Q34=R*Te*log(Vmax/Vmin)*m; Qin=(Q23+Q34)*n; % nhiet luong can cung cap giay E=1000; % cuong buc xa mat troi tren mat dat tai TP.HCM (W/m^2) 72 Luan van f=450; % chon tieu cu guong parabol (mm) R1=0.8; % he so phan xa cua vat lieu lam guong Ft=pi*(f/100000)^2/4; % dien tich anh hoi tu tai tieu diem guong parabol Et=Qin/Ft; % cuong dong nhiet cung cap k=Et/E; % he so tap trung buc xa cua guong parabol Fh=Ft*(k-1+R1)/R1; % tiet dien guong parabol Dparabol=2*sqrt(Fh/pi)*1000; % duong kinh guong parabol (mm) fprintf('Duong kinh guong parabol (mm) : %7.2f \n',Dparabol) fprintf('Tieu cu guong parabol (mm) : %7.2f \n',f) Q12=R*Tc*log(Vmax/Vmin)*m; Q41=Cv*(Te-Tc)*m; Qout=(Q12+Q41)*n; lamda=205; % he so dan nhiet cua nhom (W/m.do) R2=log((d+0.008)/d)/(2*pi*lamda); Tf2=Tc-Qout*R2/l; tf2=Tf2-273; fprintf('Nhiet khong lam mat (do C) : %7.2f \n',tf2) e=((Qin-Qout)/Qin)*100; fprintf('Hieu suat nhiet cua dong co : %7.2f \n',e) % -figure plot(theta,P) grid title('AP SUAT TUC THOI CUA DONG CO P (Pa)') xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)') ylabel('Ap suat (Pa)') % -figure plot(theta,V) 73 Luan van grid title('THE TICH TUC THOI CUA MOI CHAT CONG TAC V (m3)') xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)') ylabel('The tich (m3)') % -figure plot(theta,Ve,'r') hold on plot(theta,Vc,'b ') title('DO THI BIEN THIEN THE TICH MOI CHAT CONG TAC') legend('Ve','Vc') xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)') ylabel('The tich (m3)') grid % -figure plot(V,P,'r') title('DO THI P - V THUC TE') xlabel('The tich tuc thoi cua dong co (m3)') ylabel('Ap suat tuc thoi cua dong co (Pa)') grid % -figure plot(V,P,'r') axis([2e-4,6.5e-4,0,3e5]) title('DO THI P - V LY THUYET VA THUC TE') xlabel('The tich tuc thoi cua dong co (m3)') ylabel('Ap suat tuc thoi cua dong co (Pa)') grid 74 Luan van % -function l=rhombic1(L,R) e=sqrt((L^2-R^2)^2/(2*(L^2+R^2))); l=sqrt((L+R)^2-e^2)-sqrt((L-R)^2-e^2); % Chƣơng trình MATLAB tính tốn kích thƣớc chế tạo gƣơng parabol clear all; clc; disp('CHUONG TRINH TINH THONG SO GUONG PARABOL') D=input('Nhap duong kinh guong parabol D (mm) : '); f=input('Nhap tieu cu guong parabol f (mm) : '); X=[]; Y=[]; R=[]; CV=[]; GOC=[]; X(1)=0; Y(1)=0; R(1)=0; CV(1)=0; GOC(1)=0; for i=1:8 X(i+1)=D/(2*8)*i; Y(i+1)=X(i+1)^2/(4*f); R(i+1)=R(i)+sqrt((X(i+1)-X(i))^2+(Y(i+1)-Y(i))^2); CV(i+1)=2*pi*X(i+1); GOC(i+1)=(CV(i+1)/R(i+1)*180)/pi; end 75 Luan van X Y R CV GOC % - 76 Luan van PHỤ LỤC (Bản vẽ chi tiết vẽ lắp hệ thống phát điện dùng động Stirling) 77 Luan van Luan van