Tính toán thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý stirling

vi MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cm t iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục v Danh sách các hình viii Chng 1 - TỔNG QUAN 1 1.1 Tng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết qu nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling 1 1.1.2 Nguyên lý hot động của động cơ Stirling 4 1.1.3 Các loi động cơ Stirling 5 1.1.4 Cấu to của một số loi động cơ Stirling 6 1.1.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong 8 1.1.6 Những ứng dụng của động cơ Stirling 10 1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 13 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 13 1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 14 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phm vi nghiên cứu 14 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 14 1.3.2 Phm vi nghiên cứu 14 1.4 Phương pháp nghiên cứu 14 Chng 2 - C SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling 15 vii 2.1.1 Các gi định của chu trình Stirling 15 2.1.2 Các quá trình nhiệt động trong chu trình Stirling 16 2.2 Chu trình Schmidt 21 2.2.1 Các gi định của chu trình Schmidt 21 2.2.2 Các ký hiệu dùng trong chu trình Schmidt 21 2.2.3 Chu trình Schmidt cho động cơ Stirling kiểu beta 23 2.2.4 Xác định công, công suất và hiệu suất động cơ 25 2.3 Cơ cấu hình thoi truyền động trong động cơ Stirling kiểu beta 26 2.3.1 Nguyên lý cấu to của cơ cấu hình thoi 26 2.3.2 Hành trình dịch chuyển của piston 27 2.3.3 Điểm chết trên, điểm chết dưới, chiều dài hành trình 27 2.3.4 Độ lệch pha giữa các piston 28 2.4 Nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời dùng gương cầu parabol 29 2.4.1 nh của mặt trời qua gương parabol 29 2.4.2 Hệ số tập trung năng lượng bức x mặt trời 30 Chng 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾĐNG C NHIỆT STIRLING 32 3.1 Chọn kết cấu cho động cơ Stirling 32 3.2 Tính toán cơ cấu truyền động hình thoi 33 3.3 Tính toán công suất và hiệu suất động cơ 35 3.4 Tính toán truyền nhiệt làm mát ti bung nén 36 3.5 Kết qu tính toán trên MATLAB 37 Chng 4 - THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾTTRÊN ĐNG C STIRLING 42 4.1 Thân và nắp hộp truyền động 42 4.2 Xylanh lực 45 4.3 Cụm piston lực và thanh truyền 46 4.4 Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 47 viii 4.5 Xylanh giãn nở 48 4.6 Cụm gối đỡ trục và  lăn 49 4.7 Bộ truyền hình thoi 51 4.8 Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling 52 Chng 5 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾGNG PARABOL HI TỤ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI 54 5.1 Tính toán thông số cho biên dng gương parabol 54 5.2 Tính toán thông số chế to gương parabol 56 5.3 Kết qu tính toán trên MATLAB 57 5.4 Kích thước chế to gương parabol 57 Chng 6 - THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ 59 6.1 Khung đỡ gương cầu parabol 59 6.2 Giá đỡ động cơ 60 6.3 Chân và đế gương 61 6.4 Sơ đ lắp ráp mô hình hệ thống 63 Chng 7 - KẾT LUẬN 65 7.1 Kết qu đt được của đề tài 65 7.2 Những tn ti và kiến nghị để hoàn thiện đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHO 67 PHỤ LỤC 1 69 Chương trình MATLAB tính toán thông số bộ truyền hình thoi 69 Chương trình MATLAB tính toán công suất động cơ Stirling và thông số gương cầu parabol 70 Chương trình MATLAB tính toán kích thước chế to gương parabol 74 PHỤ LỤC 2 76 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 :Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816 1 Hình 1.2 : T hợp động cơ Stirling – máy phát điện của Philips 2 Hình 1.3 :Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling 3 Hình 1.4 : Khi chưa cấp nhiệt 4 Hình 1.5 : Cấp nhiệt cho một đầu xylanh 5 Hình 1.6 : Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát 5 Hình 1.7 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha 7 Hình 1.8 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 8 Hình 1.9 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu gamma 8 Hình 1.10 : T hợp phát điện Stirling dùng năng lượng mặt trời công suất 25 kW củaStirling Energy Systems, Inc 11 Hình 1.11 : T hợp phát điện Stirling dùng dầu diesel hoặc dầu hỏa công suất 1 kW củaWhisper Tech Limited 11 Hình 1.12 : Mô hình xe hybrid dùng động cơ Stirling do GM nghiên cứu 11 Hình 1.13 : Động cơ Stirling 75 kW của Kockums và hệ thống AIP trên tàu ngầm HMS Näcken 12 Hình 1.14 : Hệ thống AC Whisper Gen 13 Hình 2.1 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 15 Hình 2.2 : Trng thái ban đầu 16 Hình 2.3 : Đ thị p – V và T – S 16 Hình 2.4 : Quá trình nén đẳng nhiệt 17 Hình 2.5 : Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 18 Hình 2.6 : Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 19 Hình 2.7 : Quá trình làm mát đẳng tích 20 Hình 2.8 : Nguyên lý cấu to của cơ cấu hình thoi 26 Hình 2.9 : Hành trình dịch chuyển của piston trong cơ cấu hình thoi 27 x Hình 2.10 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston lực 27 Hình 2.11 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston dịch chuyển 28 Hình 2.12 : nh của mặt trời qua gương parabol 29 Hình 2.13 : Hệ gương phn x và mặt thu 30 Hình 3.1 : Kết cấu động cơ Stirling 33 Hình 3.2 : Bộ truyền động hình thoi 34 Hình 3.3 : Đ thị biểu diễn góc lệch pha 38 Hình 3.4 : Đ thị P – V của động cơ Stirling 38 Hình 3.5 : Đ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng 39 Hình 3.6 : Đ thị biểu diễn áp suất tức thời của động cơ 39 Hình 3.7 : Đ thị biểu diễn thể tích môi chất công tác 40 Hình 3.8 : Đ thị biểu diễn thể tích tức thời của bung nén và bung gin nỡ 40 Hình 4.1 : Hộp truyền động 43 Hình 4.2 : Nắp trước hộp truyền động 44 Hình 4.3 : Nắp sau hộp truyền động 44 Hình 4.4 : Nắp dưới hộp truyền động 45 Hình 4.5 : Xylanh lực 46 Hình 4.6 : Cụm piston lực và thanh truyền 47 Hình 4.7 : Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 48 Hình 4.8 : Xylanh giãn nở 49 Hình 4.9 : Gối đỡ trục 50 Hình 4.10 : Trục bánh răng 50 Hình 4.11 :  lăn 51 Hình 4.12 : Bánh răng truyền động 51 Hình 4.13 : Thanh nối 51 Hình 4.14 : Thanh ngang 52 Hình 4.15 : Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling 53 Hình 5.1 : Biên dng gần đúng của gương parabol 55 Hình 5.2 : Một phần biên dng cung parabol 56 xi Hình 5.3 : Biên dng khai triển cung parabol 56 Hình 5.4 : Kích thước chế to gương parabol 58 Hình 6.1 : Khung đỡ gương parabol 59 Hình 6.2 : Giá đỡ động cơ Stirling 60 Hình 6.3 : Đế gương 61 Hình 6.4 : Đế xoay 61 Hình 6.5 : Chân đế 62 Hình 6.6 : Sơ đ lắp ráp hệ thống 63 Hình 6.7 : Mô hình hệ thống phát điện 64 1 Chng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kt qu nghiên cứu trong và ngoƠi nc đƣ công bố 1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của đng c Stirling [6] Động cơ Stirlingdo ông Robert Stirling, một mục sư người Scotland,phát minh vào năm 181θ. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang ph biến lúc bấy giờ. Ni hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng n do áp suất cao của hơi nước và vật liệu chế tạo không phù hợp. Hình 1.1 – Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 181θ. Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế chođộng cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1θ99 khi những điều luật đầu tiênvề khí thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minhra động cơ khí nóng. Nhưng mô hình động cơ Stirling của Robert Stirling đưa ranăm 181θ là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất. Thời kỳ phát triển mạnh nhất của động cơ Stirling là vào những năm 18η0 khi J.Ericsson- một kỹ sư người Thụy Điển đã nghiên cứu và chế tạo ra những động cơStirling thực tế có công suất 0,η đến η HP. Riêng trong năm đó họ đã bán đượckhoảng 2000 chiếc ở Anh và Mỹ. Những năm sau đó động cơ Stirling tiếp tục đượcnghiên cứu chế tạo nhằm hoàn thiện về kết cấu cũng như nâng cao công suất 2 vàhiệu suất. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện động cơ xăng (1878) và động cơ diesel(1893), động cơ Stirling đã được sản xuất ít dần và gần như bị lãng quên trong mộtthời gian dài trong suốt nửa đầu thế kỷ XX. Vào những năm cuối của thập niên 40 của thế kỷ XX, động cơ Stirling lạixuất hiện khá ph biến dưới dạng t hợp máy phát điện xách tay do công ty PhilipsElectronics của Hà Lan chế tạo. Cũng trong khoảng thời gian này, động cơ Stirlingcòn được nghiên cứu thử nghiệm như một loại máy lạnh. Hình 1.2 – T hợp động cơ Stirling – máỔ phát điện của Philips. Trong hai lĩnh vực này động cơ Stirling đã đạt được những thành quả nhấtđịnh. Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó, khi có sự xuất hiện của ăcqui thìmột lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ dầnnhường chỗ cho ăcqui, ngun cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều. Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được nghiên cứu cải tiến bởi tính chất nibật của loại động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hoá thì hiệusuất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tương đương với hiệu suất nhiệt của chu trìnhCarnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn hiệu suất của bất kỳ động cơ nhiệt nào đãđược sáng chế. 3 Năm 1938 công ty N. V. Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan đã bắtđầu nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trường. Vàcùng với công ty Philips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại nghiên cứu động cơStirling. Đối với động cơ Stirling, hiệu suất 40% và công suất 82 kW trên 1 lít thểtích quét là hoàn toàn có thể đạt được. Và với những công trình nghiên cứu đangđược tiến hành thì những con số ý nghĩa này còn có thể nâng cao hơn nữa. Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phương diệnvận chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ XX. Mặtkhác, do có thể biến đi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng nên động cơStirling được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm199η. Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các ngun năng lượng táisinh cũng đang được đẩy mạnh. Những năm gần đây, ở các nước Mỹ, Nhật, châuÂu, động cơ Stirling đang được nghiên cứu để trang bị cho tàu vũ trụ, phi thuyền sửdụng năng lượng mặt trời, tàu ngầm, các thiết bị làm lạnh. Tại Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa (Đại học Đà Nẵng) đã chếtạo thành công bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, hoạt động theo nguyên tắcđộng cơ Stirling với các thông số kỹ thuật [2]: - Công suất trung bình: 5m 3 /ngày. -Áp suất hút tối đa: ηm H 2 O. -Áp suất đẩy tối đa: 10m H 2 O. Hình 1.3 – Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling. 4 1.1.2 Nguyên lý hot đng của đng c Stirling Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài.Môi chất công tác của động cơStirling (thường là không khí, hydro hay heli) chỉ di chuyển trong một khônggian đã được làm kín và có thành phần không thay đi trong tất cả những giai đoạnkhác nhau của chu trình công tác. Khi môi chất công tác được một ngun nhiệt từbên ngoài (có thể là nhiên liệu bị đốt cháy, địa nhiệt, năng lượng mặt trời…) đốt nóngthì nó sẽ giãn nở và đẩy piston đi xuống để sinh công cơ học. Sau đó nó được làmmát và được một piston khác đẩy trở lại không gian nén để thực hiện chu trình làmviệc tiếp theo. Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng mộtpiston và một ít không khí chứa bên trong. Piston chuyển động qua lạitự do nhưng hầu như kín để không khí bên trong không thoát được ra bên ngoài. Giảsử, lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độmôi trường. Lúc này, không khí bên trong có áp suất bằng áp suất khí quyển. Vớiđiều kiện đó piston sẽ đứng yên ở vị trí ban đầu (hình 1.4). Hình 1.4 – Khi chưa cấp nhiệt. Nếu ta đốt nóng một đầu xylanh (đầu nóng), ngun nhiệt được sử dụng cóthể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùngmột ngọn nến. Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên, không khí sẽ giãnnở đẩy piston chuyển động và sinh công hữu ích (hình 1.5). Bất kỳ ngun nhiệt nàocũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra công càng lớn. [...]... cấu của một mô hình hệ thống phát điện dùng động cơ nhiệt Stirling ứng dụng nguyên lý hội tụ ánh sáng mặt trời 1.3 Nhi m v của đề tài và ph m vi nghiên cứu 1.3.1 Nhi m v của đề tài - Tính toán thiết kế các thông số cơ bản cho một động cơ nhiệt Stirling - Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời dùng gương parabol hội tụ - Mô hình hóa hệ thống trên máy tính - Tính toán hiệu suất, hiệu... dụng năng lượng mặt trời, một ngu n năng lượng sạch và vô tận, để biến đ i thành điện năng nhằm góp phần giải quyết cuộc khủng hoảng về năng lượng đang ngày càng gay gắt 13 - Nghiên cứu một hướng khác trong việc sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời, ngoài hướng sử dụng tế bào quang điện 1.2.2 Khách thể vƠ đối t ng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chu trình nhiệt động học, nguyên lý, kết... - Tính toán hiệu suất, hiệu quả kinh tế 1.3.2 Ph m vi nghiên cứu Đề tài được giới hạn ở nhiệm vụ thiết kế hệ thống chuyển đ i từ năng lượng mặt trời thành cơ năng để chạy máy phát điện, không bao hàm việc tính toán cho máy phát điện và các thiết bị chuyển đ i điện năng Mặt khác, do có sự hạn chế về trang thiết bị và về kinh phí thực hiện đề tài nên việc chế tạo mô hình thử nghiệm không thực hiện được... động cơ Stirling có thể hoạt động theo chu trình ngược Khi đó, cơ năng hoặc điện năng được sử dụng để dịch chuyển piston và động cơ Stirling sẽ trở thành một thiết bị làm lạnh Thiết bị làm lạnh theo chu trình Stirling đầu tiên được công ty Philips chế tạo vào những năm 19η0 Về mặt lý thuyết, nếu được chế tạo đạt yêu cầu kỹ thuật cao, những thiết bị làm lạnh theo nguyên lý Stirling có thể đạt tới nhiệt... đến ba lần Do đó muốn có một động cơ Stirling công suất cao với h thống làm mát không khí đơn giản là không thể có 1.1.6 Những ứng d ng của đ ng c Stirling[ 11] 1.1.6.1 S n xuất đi n năng Do khả năng hoạt động được với nhiều ngu n nhiệt khác nhau như xăng,dầu, than, củi, năng lượng mặt trời, địa nhiệt…nên t hợp máy phát điện Stirling( động cơ Stirling – máy phát điện) cỡ nhỏ rất thích hợp tại các vùng... các trạmkhí tượng, trên các con tàu vũ trụ– nơichưa hoặc không thể có lưới điện, chúng có thể hoạt động trong một thời gian dài mà không cần đến sự bảo dưỡng, chămsóc của con người 10 Hình 1.10 – T hợp phát điện Stirling dùng Hình 1.11 – T hợp phát điện năng lượng mặt trời công suất 25 kW Stirling dùng dầu diesel hoặc dầu củaStirling Energy Systems, Inc hỏa công suất 1 kW củaWhisper Tech Limited 1.1.6.2... trường một thiết bị thay thế hệ thống sưởi truyền thống, sử dụng khí gas, công suất từ 7,5 – 12 kW Thiết bị có tên AC Whisper Gen được tích hợp các chức năng sưởi ấm, máy nước nóng, và cả máy phát điện nhờ được trang bị một động cơ Stirling 4 xylanh 12 Hình 1.14 – Hệ thống AC Whisper Gen 1.1.6.4 H thống làm l nh Một ưu điểm khác biệt của động cơ Stirling so với động cơ đốt trong đó là động cơ Stirling. .. tài liệu - Tính toán, thiết kế mô phỏng trên máy tính - Quan sát thực nghiệm 14 Ch C ng 2 SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Chu trình lý thuy t của đ ng c Stirling Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling là chu trình nhiệt động của động c Stirling được xâydựng trên cơ sở những giả định nhằm đơn giản hoá các quá trình nhiệt động 2.1.1 Các gi định của chu trình Stirling [6] Hình 2.1 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu... các loại động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức năng nhưsau: - Bộ cấp nhiệt: là bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công tác Môi chất công tác thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydro hoặc heli Ngu n nhiệt cho động cơ Stirling có thể là từ xăng dầu, than củi, nănglượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt… - Bộ h i nhiệt: là bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt... - Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời - Động cơ Stirling sử dụng ngu n địa nhiệt - Động cơ Stirling kiểu alpha Đặc điểm cấu tạo - Động cơ Stirling kiểu beta - Động cơ Stirling kiểu gamma 5 - Động cơ Stirling một xylanh - Động cơ Stirling nhiều xylanh Công dụng - T hợp máy phát điện Stirling - Máy lạnh Stirling 1.1.4 Cấu t o của m t số lo i đ ng c Stirling [6] Tuy có hình dáng bên ngoài, kích . nhiệm vụ thiết kế hệ thống chuyển đi từ năng lượng mặt trời thành cơ năng để chạy máy phát điện, không bao hàm việc tính toán cho máy phát điện và các thiết bị chuyển đi điện năng. Mặt khác,. 2.4 Nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời dùng gương cầu parabol 29 2.4.1 nh của mặt trời qua gương parabol 29 2.4.2 Hệ số tập trung năng lượng bức x mặt trời 30 Chng 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾĐNG. bản cho một động cơ nhiệt Stirling. - Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời dùng gương parabol hội tụ. - Mô hình hóa hệ thống trên máy tính. - Tính toán hiệu suất, hiệu quả