Năng lượng mặt trời phần 8 docx

63 Cờng độ bức xạ mặt trời tới mặt kính tại thời điểm là E() = E n sin(), với () = . là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, = 2/ n và n = 24 x 3600s là tốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, E n là cờng độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy bằng trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét E n = ni E 365 1 . Lúc mặt trời mọc = 0, nhiệt độ đầu của bộ thu và chất lỏng bằng nhiệt độ t o của không khí môi trờng xung quanh. Phơng trình vi phân cân bằng nhiệt của bộ thu Ta giả thiết rằng tại mỗi thời điểm , xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ đồng nhất và bằng t(). Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu trong khoảng thời gian d kể từ thời điểm . Mặt bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q 1 : Q 1 = .E n sin .F D .sin.d, [J]. (4.8) Với F D = D 1 D 2 .F 1 + f c .D 1 D 2 .F 2 + R.D 1 1 D 2 3 .F 3 + R.D 1 D 2 .F 4 , (4.9) trong đó: F 1 = L.d , F 2 = L.2.W c , F 3 = L(d 2 - d 1 ), F 4 = L(N - d 2 ) (xem khe hở giữa cánh và ống kính trong là bằng 0). Lợng nhiệt nhận đợc của bộ thu Q 1 dùng để: - Làm tăng nội năng của ống hấp thụ dU = (m o .C o + m c .C c ) dt - Làm tăng entanpy lợng nớc tĩnh dI m = m.C P dt - Làm tăng entanpy dòng chất lỏng dI G = G.C P (t - t o ) d - Truyền nhiệt ra ngoài không khí Q 2 = K tt .L(t - t o )d trong đó: khối lợng ống hấp thụ m o = d.L. o . o , [kg], khối lợng cánh m c = 2LW c . c . c , [kg] khối lợng nớc tĩnh m = 4 d 2 .L. [kg], hệ số tổn thất nhiệt tổng K tt = [K L + K L bx + nK d .F d ], [W/mK] n- số nút đệm trên 1m chiều dài bộ thu, [m] -1 hệ số truyền nhiệt qua nút đệm K d = 1 1 + d d , [W/m 2 K] hệ số truyền nhiệt bằng đối lu và dẫn nhiệt K L =. 1 4 1 1 2 ln. 2 1 . 1 = + + i i i i d d d , [W/mK] 64 hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ K L bx = qd .(T tb +T o )(T tb 2 +T o 2 ), [W/mK] với qd = 1 1122 1 21 1 111 + + ddd , = 5.67.10 -8 W/mK 4 T tb = 273 + t tb, nhiệt độ tuyệt đối trung bình tính toán của môi chất trong bộ thu, [K] Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu: Q 1 = dU + dI m + dI G + Q 2 (4.10) thì phơng trình cân bằng nhiệt (4.2) có thể viết dới dạng: .E n .F D .sin 2 .d = (m o .C o +m.C P +m c .C c )dt+(GC P +K tt L)(t - t o )d. (4.11) Biến đổi bằng cách thay T() = t() - t o và đặt: a = C P CmmCCm EF ccPoo nD = ++ . , [K/s] (4.12a) b = C W CmmCCm LKGC ccPoo ttP = ++ + . . [1/s] (4.12b) thì phơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu là: (4.13) (4.14) Giải hệ phơng trình 4.13, 4.14 tơng tự nh ở mục trên ta tìm đợc hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong bộ thu là: T() = b a 2 [1- 22 4 +b b sin(2 + artg 2 b ) - 2 )2/(1 b e b + ] (4.15) Trong đó a và b đợc xác định theo công thức 4.12a và 4.12b Công thức tính toán bộ thu Từ hàm phân bố (4.15) ta dễ dàng lập đợc các công thức tính các thông số kỹ thuật đặc trng cho bộ thu nh bảng 4.4: T() + b.T() = a.sin 2 () Với điều kiện đầu T(0) = 0 65 Bảng 4.4. Các thông số đặc trng của bộ thu nằm ngang Thông số đặc trng Công thức tính toán Độ gia nhiệt lớn nhất T m T m = ) 4 1( 2 22 + + b a b a [ o C] Nhiệt độ cực đại thu đợc t m t m = t o + 22 4 1( 2 + + b b b a ) [ o C] Thời điểm đạt nhiệt độ cực đại m m = n 24 1 8 3 b artg [s] Sản lợng nhiệt trong 1 ngày Q Q = b a n 4 GC P [J] Nhiệt độ trung bình t tb t tb = t o + b a 2 [ o C] Công suất hữu ích trung bình P tb P tb = b a 2 GC P [W] Sản lợng nớc nóng M M = G n 2 , [kg] Hiệu suất nhiệt bộ thu = o tb FE Q . = o n n n tb FdE Q n 2/ 0 .)2sin( 2 = on p FbE aGC .4 Bộ thu có gơng phản xạ loại này có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt nhng trong hệ thống cần có thêm một bơm tuần hoàn môi chất, nên cha thích hợp cho việc lắp đặt sử dụng ở các vùng sâu vùng xa không có điện lới. 66 4.2.2.2 Bộ thu đặt nghiêng Cấu tạo module bộ thu đặt nghiêng Module bộ thu đặt nghiêng có cấu tạo nh hình 3.8, gồm một ống hấp thụ sơn màu đen có chất lỏng chuyển động bên trong, 2 bên và mặt dới ống có hàn 3 cánh nhận nhiệt, bên ngoài là hai ống thuỷ tinh lồng vào nhau, giữa hai ống thủy tinh là lớp không khí hoặc đợc hút chân không. Tất cả hệ ống hấp thụ và ống thủy tinh đợc đặt giữa hai máng trụ trái và phải, vị trí tơng đối của hệ thống ống- gơng phản xạ đợc miêu tả nh trên hình 4.13. Biên dạng của máng trụ đợc dựng bởi 2 cung tròn tâm O 1 và O 2 ở hai đầu mút cánh trái và phải, bán kính các cung tròn là (r+W) 2 trong đó r là bán kính ống hấp thụ còn W là chiều rộng của cánh, tức là các cung tròn này đi qua đầu mút của cánh dới (hình 4.13). Với cấu tạo nh vậy thì tất cả các tia bức xạ mặt trời trong ngày chiếu đến mặt hứng của bộ thu đều đợc ống hấp thụ và cánh nhận nhiệt nhận đợc. Trên hình 4.14 và hình 4.15 biểu diễn quá trình truyền của tia bức xạ vuông góc và xiên góc bất kỳ, các tia bức xạ xiên góc khác cũng có đờng truyền tơng tự. N Máng trụ trái 2 lớp kính ống hấp thụ bên trong chứa chất lỏng 3 cánh nhận nhiệt bức xạ Máng trụ phải 0 12 0 r+w (r+w)2 Hình 4.13. Cấu tạo loại module bộ thu đặt nghiêng 67 Đối với loại bộ thu này gơng phản xạ có dạng máng trụ kép nó có tác dụng phản xạ bức xạ mặt trời đến bề mặt hấp thụ giống nh parabol trụ trong phần 4.2.2.1 nên thờng đợc gọi chung là gơng phản xạ dạng parabol trụ. N Hình 4.14. Quá trình truyền của các tia nắng vuông góc N Hình 4.15. Quá trình truyền của các tia nắng xiên góc 68 Các thông số bộ thu và cơ sở tính toán Khảo sát một bộ thu năng lợng mặt trời (module) kiểu ống có gơng parabol trụ nh sau: Bộ thu gồm một ống đồng ở giữa có đờng kính d dày o , khối lợng riêng o nhiệt dung riêng C o , hai bên và bên dới ống có hàn thêm 3 cánh đồng phẳng có chiều dày c , chiều rộng cánh là W c , hệ số dẫn nhiệt c và hiệu suất cánh f c làm nhiệm vụ hấp thụ năng lợng mặt trời, hệ ống- cánh đợc sơn phủ một lớp sơn đen và có độ đen , bên trong ống chứa chất lỏng, có khối lợng tĩnh m, lu lợng G[kg/s] nhiệt dung riêng C P chảy liên tục qua bộ thu. Xung quanh ống đợc bọc 2 ống thủy tinh có đờng kính d 1 , d 2 , dày k1 , k2 có hệ số dẫn nhiệt, hệ số bức xạ và hệ số truyền qua lần lợt là k1 , k2 , 1 , 2 , D 1 , D 2 làm nhiệm vụ lồng kính và cách nhiệt. Giữa các ống thủy tinh và ống đồng là các lớp không khí có hệ số dẫn nhiệt là kk hai đầu đợc đệm kính bằng hai nút cao su dày d có đờng kính d d và hệ số dẫn nhiệt d . Hệ số tỏa nhiệt từ ống thủy tinh ngoài đến không khí có nhiệt độ t o là . Phía dới hệ ống có mặt phản xạ dạng parbol trụ với hệ số phản xạ R với diện tích thu nắng F o = N.L. Bộ thu đợc đặt sao cho mặt phản xạ của parabol hớng về phía mặt trời (trục của hệ ống vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của mặt trời). . () n E() to t GCp to to d2, D2, k2, k2 d 1, D1, k1, k1 d, , m, Cp L kk, kk d, o, o, Co N E() dd, d, d W c, c, c,Cc Hình 4.16. Kết cấu bộ thu dạn g ốn g có g ơn g p hản xạ p arabol trụ loại đặt nghiêng 69 Cờng độ bức xạ mặt trời tới mặt kính tại thời điểm là E() = E n sin(), với () = . là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, = 2/ n và n = 24 x 3600s là tốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, E n là cờng độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy bằng trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét E n = ni E 365 1 . Lúc mặt trời mọc = 0, nhiệt độ đầu của bộ thu và chất lỏng bằng nhiệt độ t o của không khí môi trờng xung quanh. Phơng trình vi phân cân bằng nhiệt của bộ thu Ta giả thiết rằng tại mỗi thời điểm , xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ đồng nhất và bằng t(). Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu trong khoảng thời gian d kể từ thời điểm . Mặt module bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q 1 : Q 1 = .E n sin .F D .sin.d, [J]. (4.16) Với F D = D 1 D 2 .F 1 + f c .D 1 D 2 .F 2 + R. f c .D 1 D 2 3 .F 3 + R. f c .D 1 D 2 .F 4 , (4.17) trong đó: F 1 = L.d , F 2 = 2L.W c , F 3 = L(d 2 - d 1 ), F 4 = L(N - d 2 ). ở đây ta giả thiết rằng tất cả các tia bức xạ mặt trời chiếu đến mặt bộ thu trên diện tích F 4 sau khi phản xạ từ gơng trụ đựơc truyền đến cánh hấp thụ. Lợng nhiệt nhận đợc của module bộ thu Q 1 dùng để: - Làm tăng nội năng của ống hấp thụ-cánh dU = (m o .C o + m c .C c )dt - Làm tăng entanpy lợng nớc tĩnh dI m = m.C P dt - Làm tăng entanpy dòng chất lỏng dI G = Gd.C P (t - t o ) - Truyền nhiệt ra ngoài không khí Q 2 = K tt .L(t - t o )d trong đó: m o = Ld. o . o , [kg] m c = 3LW c . c . c , [kg], m = 4 d 2 .L. [kg], K tt = [K L + K L bx + nK d .F d ], [W/mK] n- số nút đệm trên 1m chiều dài bộ thu, [m] -1 K d = 1 1 + d d , [W/m 2 K] 70 hệ số truyền nhệt bằng đối lu và dẫn nhiệt K L =. 1 4 1 1 2 ln. 2 1 . 1 = + + i i i i d d d , [W/mK] hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ K L bx = qd .(T tb +T o )(T tb 2 +T o 2 ), [W/mK] với qd = 1 1122 1 21 1 111 + + ddd , = 5.67.10 -8 W/mK 4 T tb = 273 + t tb, nhiệt độ tuyệt đối trung bình tính toán của môi chất trong bộ thu, [K] Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu: Q 1 = dU + dI m + dI G + Q 2 (4.18) Hay có thể viết dới dạng: .E n .F D .sin 2 .d = (m o .C o +m.C P +m c .C c )dt +(GC P + K tt .L)(t - t o )d (4.19) Biến đổi bằng cách thay T() = t() - t o và đặt: a = C P CmmCCm EF ccPoo nD = ++ . , [K/s] (4.20a) b = C W CmmCCm LKGC ccPoo ttP = ++ + . . [1/s] (4.20b) thì phơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu là: Giải hệ phơng trình 4.21, 4.22 tơng tự nh ở mục trên ta tìm đợc hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong bộ thu là: T() = b a 2 [1- 22 4 +b b sin(2 + artg 2 b ) - 2 )2/(1 b e b + ] (4.23) Trong đó a và b đợc xác định theo công thức 4.20a và 4.20b Công thức tính toán bộ thu Từ hàm phân bố (4.23) ta dễ dàng lập đợc các công thức tính các thông số kỹ thuật đặc trng cho bộ thu nh bảng 4.5. T() + b.T() = a.sin 2 () (4.21) Với điều kiện đầu T(0) = 0 (4.22) 71 Bảng 3.5. Các thông số đặc trng của bộ thu đặt nghiêng Thông số đặc trng Công thức tính toán Độ gia nhiệt lớn nhất T m T m = ) 4 1( 2 22 + + b a b a [ o C] Nhiệt độ cực đại thu đợc t m t m = t o + 22 4 1( 2 + + b b b a ) [ o C] Thời điểm đạt nhiệt độ cực đại m m = n 24 1 8 3 b artg [s] Sản lợng nhiệt trong 1 ngày Q Q = b a n 4 GC P [J] Độ gia nhiệt trung bình T n T n = b a 2 [ o C] Nhiệt độ trung bình t tb t tb = t o + b a 2 [ o C] Công suất hữu ích trung bình P tb P tb = b a 2 GC P [W] Sản lợng nớc nóng M M = G n 2 , [kg] Hiệu suất nhiệt bộ thu = o tb FE Q . = o n n n tb FdE Q n 2/ 0 .)2sin( 2 = on p FbE aGC .4 Gơng phản xạ của loại bộ thu này có cấu tạo hơi phức tạp hơn, nhng hệ thống làm việc theo nguyên tắc đối lu tự nhiên nên không cần phải có thêm bơm tuần hoàn môi chất, do đó rất thích hợp cho việc triển khai sử dụng ở các vùng sâu vùng xa không có điện lới. Tính toán chọn kích thớc bộ thu Các kích thớc module bộ thu cần phải chọn hoặc tính toán sao cho bộ thu đạt đợc hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế cũng nh khả năng hấp thụ nhiệt từ NLMT, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về mặt cấp nhiệt. Các kích thớc của module bộ thu có ảnh hởng đến hiệu suất bộ thu cần phải tính chọn là: . có mặt phản xạ dạng parbol trụ với hệ số phản xạ R với diện tích thu nắng F o = N.L. Bộ thu đợc đặt sao cho mặt phản xạ của parabol hớng về phía mặt trời (trục của hệ ống vuông góc với mặt. thu trong khoảng thời gian d kể từ thời điểm . Mặt bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q 1 : Q 1 = .E n sin .F D .sin.d, [J]. (4 .8) Với F D = D 1 D 2 .F 1 + f c .D 1 D 2 .F 2 . này gơng phản xạ có dạng máng trụ kép nó có tác dụng phản xạ bức xạ mặt trời đến bề mặt hấp thụ giống nh parabol trụ trong phần 4.2.2.1 nên thờng đợc gọi chung là gơng phản xạ dạng parabol trụ.