35 Từ đó suy ra: (C n - C p )dT = -vdp (c) (C n - C v )dT = pdv (d) Chia vế theo vế phơng trình (c) cho (d) ta đợc: pdv vdp CC CC vn pn = (3-52) ký hiệu: n = vn pn CC CC (3-53) Ta thấy n là một hằng số vì C n , C p và C v đều là hằng số. Từ (3-52) và (3-53) ta có: n = pdv vdp (3-54) hay npdv + vdp = 0, chia hai vế của phơng trình cho pv ta đợc: 0 v dv n p dp =+ Lấy tích phân hai vế (3-55) ta đợc: n.lnv + lnp = const Tiếp tục biến đổi ta đợc phơng trình của quá trình đa biến: pv n = const (3-55) trong đó n là số mũ đa biện. So sánh biểu thức (3-39) với (3-55) ta thấy: phơng trình của quá trình đa biến giống hệt nh dạng phơng trình của quá trình đoạn nhiệt. Từ đó bằng các biến đổi tơng tự nh khi khảo sat quá trình đoạn nhiệt và chú y thay số mũ đoạn nhiệt k bằng số mũ đa biến n, ta đợc các biểu thức của quá trình đa biến nh sau:. * Quan hệ giữa các thông số: Từ (3-55) ta có: n 22 n 11 vpvp = hay: n 1 2 2 1 v v p p = (3-56) Từ phơng trình trạng thái ta có: p = v RT , thay vào (3-40) ta đợc: 1n 1 2 2 1 n 1 2 2 2 1 1 v v T T v v RT v v RT = = . (3-57 n 1n 2 1 2 1 p p T T = (3-58) * Công thay đổi thể tich của quá trình: Có thể tính công thay đổi thể tích theo định luật nhiệt động I, hoặc cũng có thể tính theo định nghĩa dl = pdv, tơng tụ nh ở quá trình đoạn nhiệt: 36 l = 2 1 pdv (3-59 [ ] 2211 vpvp 1n 1 l = (3-60) = 1n 2 11 v v 1 1n RT l (3-61 = n 1n 1 21 p p 1 1n RT l (-62) = 1 21 T T 1 1n RT l (3-63) * Công kỹ thuật của quá trình: Từ biểu thức: dl dl pdv vdp n kt == ta suy ra quan hệ giữa công kỹ thuật và công thay đổi thể tích trong quá trình đa biến là: l kt = n.l (3-64) * Nhiệt lợng trao đổi với môi trờng: Lợng nhiệt trao đổi với môi trờng của quá trình đợc xác định theo nhiệt dung riêng đa biến: dq = C n dT hoặc: q = C n (T 2 - T 1 ) (3-65) Từ (3-53) ta có: (C n - C p ) = n(C n - C v ) hay: C n (n - 1) = C v (n - k), từ đó suy ra nhiệt dung riêng đa biến bằng: C n = C v 1n kn (3-66) Thay vào (3-55) ta đợc nhiệt lợng trao đổi trong quá trình đa biến bằng: q = C v 1n kn (T 2 - T 1 ) (3-67) Tính cho khối G kg khí: Q = G C n (T 2 - T 1 ) (3-68) * Biến thiên entropi của quá trình: Độ biến thiên entrôpi của quá trình đoạn nhiệt: Từ biểu thức: T dq ds = , thay giá trị dq = C n dT vào ta có: T dTC ds n = và lấy tích phân ta đợc: 37 1 2 n T T Cs ln= (3-69) hoặc thay giá trị dq = C v dT + pdv vào ta đợc: v dv R T dT C T pdv T dT Cds vv +=+= (3-70) 1 2 1 2 v v v R T T Cs lnln += (3-71) Hoặc thay giá trị (dq = C p dT - vdp) vào ta đợc: p dp R T dT C T dp v T dT Cds pp +== (3-72) 1 2 1 2 p p p R T T Cs lnln = (3-73) Hoặc có thể tính cách khác: Từ phơng trình trạng thái pv = RT, lấy vi phân ta đợc: pdv + vdp = RdT (3-74) chia vế theo vế cho phơng trình trạng thái ta đợc: T dT p dp v dv =+ và thay vào (3-72) ta đợc: p dp C v dv C p dp R p dp v dv Cds vpp += += (3-75) 1 2 v 1 2 p p p C v v Cs lnln = (3-76) * Tính số mũ đa biến: n = pdv vdp suy ra: v dv p dp n = lấy tích phân ta đợc: 1 2 1 2 v v p p n ln ln = (3-77) Hoặc có thể cách khác theo q, l, k. Từ quan hệ (3-63) và (3-67) ta có: [] 21 TT 1n R l = (3-78a) và [] 12v TT 1n kn Cq = (3-78b) 38 Mặt khác ta lại có: R = C p - C v = C v (k - 1), thay giá trị của R vào công thức (3-78a) và để ý (3-78b0 ta có: [] [] kn k1 qTT kn k1 1n kn CTT 1n 1k Cl 12v21v = = = hay: () knk1 l q = từ đó suy ra: n = () kk1 l q + (3-79) * Hệ số biến đổi năng lợng của quá trình: q u = = ( ) () kn 1n TT 1n kn C TTC 12v 12v = (3-80) * Tính tổng quát của quá trình: Quá trình đa biến là quá trình tổng quát với số mũ đa biến n = - ữ +, các quá trình nhiệt động cơ bản còn lại chỉ là các trờng hợp riêng của nó. Thật vậy, từ phơng trình pv n = const ta thấy: Khi n = 0, phơng trình của quá trình là pv 0 = const, hay p = const với nhiệt dung riêng C n = C p , quá trình là đẳng áp. Khi n = 1, phơng trình của quá trình là pv 1 = const, hay T = const với nhiệt dung riêng C T = , quá trình là đẳng nhiệt. Khi n = k, phơng trình của quá trình là pv k = const, hay q = 0 với nhiệt dung riêng C n = 0, quá trình là đoạn nhiệt. Khi n = , phơng trình của quá trình là pv = const, hay v = const với nhiệt dung riêng C n = C v , quá trình là đẳng tích. Nh vậy các quá trình đoạn nhiệt (C = 0), đẳng nhiệt (C = ), đẳng tích (C = C v ), đẳng áp (C = C p ) là các trờng hợp riêng của quá trình đa biến. * Biểu diễn quá trình trên đồ thị: 39 Quá trình đa biến 1-2 bất kỳ với n = - ữ + đợc biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s hình 3.6. Số mũ đa biến thay đổi từ - theo chiều kim đồng hồ tăng dần lên đến 0, 1 rồi k (k > 0) và cuối cùng bằng +. Trên đồ thị p-v, đờng cong biểu diễn quá trình đa biến dốc hơn đờng cong của quá trình, vì quá trình đẳng nhiệt có n = 1, còn quá trình đoạn nhiệt có n = k, ( k > 1). * Khảo sát dấu của u, q theo số mũ n: Dựa vào đồ thị p-v và T-s của quá trình đa biến ta có thể xét dấu của biến thiên nội năng, công thay đổi thể tích và nhiệt lợng trao đổi trong các quá trình: Khi nhiệt độ tăng, biến đổi nội năng sẽ mang dấu dơng. Vậy u AB > 0 khi quá trình xẩy ra nằm phía trên đờng đẳng nhiệt và ngợc lại. Khi thể tích tăng, công mang dấu dơng. Vậy l AB > 0 khi quá trình xẩy ra nằm phía bên phải đờng đẳng tích và ngợc lại. Khi entropi tăng, nhiệt lợng trao đổi của quá trình sẽ mang dấu dơng và ngợc lại. Vậy q AB > 0 khi quá trình xẩy ra nằm phía trên đờng đoạn nhiệt và ngợc lại. v tăng v giảm Vùng Số mũ n n C 1n kn C = u q u Q A 0 < n < 1 + + + - - B 1 < n < k - - + + - C k < n < + - - + + 40 Chổồng 3: THIT Bậ Sặ DUNG NNG LặĩNG MT TRèI 3.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lợng mặt trời Năng lợng mặt trời là nguồn năng lợng mà con ngời biết sử dụng từ rất sớm, nhng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nớc nhiều năng lợng mặt trời, những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lợng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng đợc đặc biệt quan tâm. Các nớc công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau: Pin mặt trời Pin mặt trời là phơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có u điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng NLMT dới dạng này đợc phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nớc phát triển. Ngày nay con ngời đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lợng truyền thống. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/W P , nên ở những nớc đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lợng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đờng điện quốc gia cha có. ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phơng vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng Hỡnh 3.1 Hệ thống pin mặt trời 41 sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nớc nghèo nh chúng ta. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lợng mặt trời Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gơng phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện. Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đờng hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400 o C. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gơng phản xạ có định vị theo phơng mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500 o C. Hệ thống sử dụng gơng parabol tròn xoay định vị theo phơng mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gơng, nhiệt độ có thể đạt trên 1500 o C. Hiện nay ngời ta còn dùng năng lợng mặt trời để phát điện theo kiểu tháp năng lợng mặt trời - Solar power tower . Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lợng mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng công suất 200 MW. Dự tính rằng đến năm 2006 tháp năng lợng mặt trời này sẽ cung cấp điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tây Hình 3.2. Nhà máy điện mặt trời Hỗnh 3.3 Tháp năng lợng Mặt trời 42 nam New South Wales - Australia, và sẽ giảm đợc 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm. Thiết bị sấy khô dùng năng lợng mặt trời Hiện nay NLMT đợc ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy các sản phẩm nh ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lợng sản phẩm. Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn đợc dùng để sấy các loại vật liệu nh gỗ. Bếp nấu dùng năng lợng mặt trời Bếp năng lợng mặt trời đợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nớc nhiều NLMT nh các nớc ở Châu Phi. ở Việt Nam việc bếp năng lợng mặt trời cũng đã đợc sử dụng khá phổ biến. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lợng mới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30 000 USD) đa bếp năng lợng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ng dân ven biển để họ có thể nấu nớc, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT . Hình 3. 4. Thiết bị sấy NLMT Hình 3.5. Triển khai bế p nấu cơm bằn g NLMT. 43 Thiết bị chng cất nớc dùng NLMT Thiết bị chng cất nớc thờng có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m 2 ), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhng hiệu quả chng cất kém hơn. ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chng cất nớc NLMT dùng để chng cất nớc ngọt từ nớc biển và cung cấp nớc sạch dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nớc ô nhiễm với thiết bị chng cất nớc NLMT có gơng phản xạ đạt đợc hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng đợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nớc sinh hoạt hay tới cây ở các nông trại. ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã đợc nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế. Nh động cơ Stirling, bơm nớc dùng năng lợng mặt trời. Hình 3.6. Thiết bị chng cất nớc dùng NLMT Hình 3.7 Động cơ Stirling dùng NNLMT 44 Thiết bị đun nớc nóng bằng NLMT ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nớc nóng. Các hệ thống nớc nóng dùng NLMT đã đợc dùng rộng rãi ở nhiều nớc trên thế giới. ở Việt Nam hệ thống cung cấp nớc nóng bằng NLMT đã và đang đợc ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng (hình 1.2). Các hệ thống này đã tiết kiệm cho ngời sử dụng một lợng đáng kể về năng lợng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chơng trình tiết kiệm năng lợng của nớc ta và bảo vệ môi trờng chung của nhân loại. Hình 3.9 Hệ thốn g cun g cấ p nớc nón g dùn g NLM T Hình 3.8. Bơm nớc chạy bằng NLMT . quan về thiết bị sử dụng năng lợng mặt trời Năng lợng mặt trời là nguồn năng lợng mà con ngời biết sử dụng từ rất sớm, nhng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới. Bếp nấu dùng năng lợng mặt trời Bếp năng lợng mặt trời đợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nớc nhiều NLMT nh các nớc ở Châu Phi. ở Việt Nam việc bếp năng lợng mặt trời cũng đã đợc sử dụng khá. đến năm 2006 tháp năng lợng mặt trời này sẽ cung cấp điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tây Hình 3.2. Nhà máy điện mặt trời Hỗnh 3.3 Tháp năng lợng Mặt trời 42 nam