Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu tấm phẳng trong hệ thống sấy

Để ứng dụng công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam thì việc nghiên cứu về các loại thiết bị thu nhiệt từ năng lượng bức xạ mặt trời là cần thiết..

-TRẦN XUÂN TRUNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời

kiểu tấm phẳng trong hệ thống sấy

Hµ NéI 2011 –

trờng đạI học nông nghiệp Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bố mẹ những người đã sinh ra tôi và tạo mọi điều kiện cho tôi về vật chất và tinh thần để tôi hoàn thành đồ án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Trương Thị Toàn, Bộ môn động lực, khoa Cơ Điện - Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành tốt đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo trong Bộ môn động lực, các thầy cô trong khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội

đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt đồ án này

Tôi cũng xin cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Tuy nhiên do năng lực của bản thân còn hạn chế, do thời gian thực tập

có hạn vì vậy trong đề tài không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý chỉ bảo của các thầy cô và bạn bè để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011

Sinh viên

Trần Xuân Trung

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ COLLECTOR MẶT TRỜI

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Năng lượng mặt trời 1

1.1.2 Tiềm năng và nhu cầu về năng lượng mặt trời ở Việt Nam 3

1.1.3 Những ứng dụng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam 5

1.2 CÁC LOẠI COLLECTOR MẶT TRỜI DÙNG ĐỂ ĐỐT NÓNG KHÔNGKHÍ 8

1.2.1 Collector phẳng 8

1.2.2 Collector dạng zic zắc 9

1.2.3 Collector dạng tập trung 9

1.3 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12

2.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời 12

2.1.2. Các loại thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng trên thế giới 14

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA COLLECTOR TRONG HỆ THỐNG SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .25

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo của collector trong hệ thống sấy năng lượng

MT 25

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của collector trong hệ thống sấy NLMT 26

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA COLLECTOR MẶT TRỜI KIỂU TẤM PHẲNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY 3.1 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 28

3.1.1 Các thông số cần khảo sát 28

3.1.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 29

3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 30

LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam là nước có nền nông nghiệp phát triển Sản phẩm nông nghiệp không chỉ đáp ứng được nhu cầu trong nước mà còn suất khẩu ra nước ngoài Song chất lượng nông sản của Việt Nam còn kém so với nhiều nước trong khu vực và trên thế giới như Thái Lan, Trung Quốc, Một trong những nguyên nhân làm giảm chất lượng của nông sản Việt Nam là quá trình bảo quản sau thu hoạch

Sấy nông sản là khâu quan trọng và không thể thiếu trong quá trình sản xuất, bảo quản và chế biến nông sản sau thu hoạch

Hiện nay công nghệ sấy nông sản rất đa dạng và phong phú cả về phương pháp sấy và nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy Đối với những công nghệ sấy lại có những ưu, nhược điểm nhất định và phù hợp với từng loại nông sản khác nhau Việc tìm ra một công nghệ sấy có chi phí thấp, chất

lượng sản phẩm cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường đang là vấn đề được các nhà nghiên cứu và nhiều người trong xã hội quan tâm.

Công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với kết quả tương đối khả quan Để ứng dụng công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam thì việc nghiên cứu về các loại thiết bị thu nhiệt từ năng lượng bức xạ mặt trời

là cần thiết

Việt Nam là nước có tiềm năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời lớn Lượng bức xạ mặt trời nhận được hàng năm khá lớn, vào lúc cao điểm trong ngày hè có thể lên tới 1200 (W/m2) và tổng số giờ nắng cao, trung bình năm

là 1600 giờ ở phía Bắc và 2700 giờ ở phía Nam

Trên cơ sở đó, dưới sự hướng dẫn của thạc sĩ: Trương Thị Toàn - giảng

viên khoa Cơ Điện - Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, tôi đã tiến hành

thực hiện đề tài: "Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu tấm phẳng trong hệ thống sấy" Mục đích của đề tài nhằm tìm hiểu về một

số loại thiết bị trong hệ thống sấy và ngày một hoàn thiện hơn các thiết bị, phương pháp sấy trong việc tăng cường năng suất, giảm chi phí phí về năng lượng hoá thạch cũng như ảnh hưởng của môi trường đến quá trình sấy nông sản

Sau thời gian thực hiện, đề tài trên đã được hoàn thành với sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo, sự cố gắng của bản thân cùng với sự giúp đỡ của bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo Trương Thị Toàn cùng toàn thể các

thầy giáo, cô giáo và các bạn trong khoa Cơ Điện đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện đề tài vừa qua để tôi hoàn thành tốt việc nghiên cứu

Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011

Sinh viên

Trần Xuân Trung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ COLLECTOR MẶT TRỜI

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Năng luợng mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.106 km với nhiệt

độ bề mặt là 5762oC Có thể nói mặt trời là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng

lồ biến Hyđrô thành Hêli với công suất nhiệt 4.1023 kW Năng lượng mặt trời phát ra trong một năm tương đương với 400.000 tỷ tấn nhiên liệu quy ước nhưng trái đất chỉ nhận được một phần nhỏ khoảng 200 tỷ tấn nhiên liệu quy ước Vào những ngày quang mây năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất có thể lên tới 1200 W/m2

Năng lượng mặt trời phát ra dưới dạng sóng điện từ và do nhiệt độ mặt trời cao nên phần lớn năng lượng phát ra ở vùng bước sóng ngắn: 98% năng lượng tập trung ở vùng bước sóng nhỏ hơn 3 μm và khoảng 50% năng lượng bức xạ phát ra trong vùng ánh sáng trắng (λ= 0,4 ÷ 0,76μm)

Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển có sự thay đổi do khoảng cách giữa mặt trời và trái đất luôn thay đổi theo mùa trong năm Tuy nhiên sự thay đổi này không lớn lắm Vì vậy, có thể xem mật độ dòng bức xạ trực xạ tại một bề mặt ở sát lớp ngoài khí quyển hầu như không thay đổi nên được gọi là hằng số mặt trời có giá trị q = 1353W/m2 Mật độ dòng tán xạ trên mặt đất vào những ngày trời trong là khoảng 40 đến 90 W/m2

Bức xạ mặt trời lan truyền với tốc độ 3.105 km/s sau 8 phút đã đạt tới quỹ đạo của trái đất ở cách mặt trời 1,5.108 km Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc xung quanh trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới trái đất Phần lớn các tia bức xạ cực tím có bước sóng nhỏ hơn

năng lượng bức xạ mặt trời đập tới bề mặt trái đất có chiều dài bước sóng nằm trong khoảng 0,3÷3μm Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời được gọi là bức xạ trực xạ Bức xạ toàn phần trên bề mặt là tổng bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ trên bề mặt đó.

Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào khoảng cách tương đối giữa mặt trời với điểm quan sát trên trái đất Trong một ngày khoảng cách này sẽ giảm dần từ khi mặt trời mọc đến khi đạt giá trị thấp nhất vào giữa trưa khi mặt trời ở trên đỉnh đầu, sau đó lại tăng dần cho tới khi mặt trời lặn Như vậy cường độ bức xạ tương ứng sẽ tăng dần trong buổi sáng cho tới khi đạt giá trị lớn nhất Imax vào giữa trưa sau đó lại giảm dần trong buổi chiều

Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào

đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ và hấp thụ bức xạ Sự hình thành các mùa trong năm là do độ nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng hoành đạo là 23,5o Tại vị trí nhất định trên quỹ đạo, phần bán cầu nào nghiêng về phía mặt trời sẽ nhận được lượng bức xạ trực xạ nhiều hơn với thời gian chiếu sáng dài hơn trong một ngày so với bán cầu kia

23/9

Hình 1.1 Trái đất trên quỹ đạo chuyển động quanh mặt trời.

Từ vị trí quan sát trên trái đất, sự thay đổi của vị trí mặt trời theo thời gian trong năm được minh hoạ như hình 1.1 Vào ngày 22 tháng 6 mặt trời ở

vị trí gần Bắc bán cầu nhất và đi qua đỉnh đầu vào lúc giữa trưa tại chí tuyến Bắc (vĩ tuyến 23,5oN) Kết quả là Bắc bán cầu nhận được ánh sáng mặt trời nhiều nhất vào ngày này trong năm Khi trái đất tiếp tục quay theo quỹ đạo của nó, mặt trời sẽ dịch chuyển tương đối về phía Nam bán cầu làm cho thời gian được chiếu sáng ở phần Nam bán cầu trong một ngày dài hơn Bắc bán cầu Vào ngày 23 tháng 9, mặt trời trực tiếp đi qua thiên đỉnh tại xích đạo nên

cả hai bán cầu đều nhận được ánh sáng mặt trời như nhau trong ngày Sau đó mặt trời tiếp tục di chuyển tương đối về phía Nam cho đến khi qua thiên đỉnh tại chí tuyến Nam (Vĩ tuyến 23,50 Bắc) vào ngày 22 tháng 12 Trong ngày này Bắc bán cầu có thời gian chiếu sáng ít nhất và Nam bán cầu có thời gian chiếu sáng nhiều nhất Sau khi đạt tới vị trí thiên đỉnh ở Nam chí tuyến, mặt trời lại

di chuyển tương đối về phía Bắc bán cầu và đi qua xích đạo lần nữa vào ngày

21 tháng 3 rồi đối diện trực tiếp với chí tuyến Bắc vào ngày 22 tháng 6, hoàn thành một chu kỳ chuyển động của trái đất quanh mặt trời trong một năm

1.1.2 Tiềm năng và nhu cầu về năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, với lợi thế là một quốc gia nằm ở giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới Trải dài từ vĩ độ 23o23” Bắc đến 8o27” Bắc, với dải bờ biển dài hơn 3.000km, trị số tổng xạ lên tới 100 ÷ 175 kcal/cm2.năm, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Tổng số giờ nắng cao, trung bình năm là

1600 giờ ở phía Bắc và 2700 giờ ở phía Nam

Bức xạ mặt trời là yếu tố đặc trưng cho nguồn năng lượng từ mặt trời,

sự thay đổi vĩ độ của cường độ bức xạ trực tiếp thể hiện khá rõ trong những tháng mùa đông và hầu như không thể hiện trong những tháng mùa hè

Theo dõi những giá trị trung bình ngày của tổng lượng bức xạ trực tiếp quan sát ở các địa phương trên miền Bắc ta thấy: Cường độ bức xạ nhỏ nhất vào tháng 1 và tháng giữa mùa đông Tổng lượng bức xạ trực tiếp trung bình ngày khi trời ít mây đạt khoảng 0,28 kcal/cm2.ngày ở Nghệ An - Quảng Bình

Từ tháng hai đến tháng ba trở đi, cường độ bức xạ tiếp tục tăng dần đạt khoảng 0,35 kcal/cm2.ngày ở khu vực Đông Bắc - đồng bằng Nam bộ và 0,38 kcal/cm2.ngày ở Tây Bắc và trên 0,4 kcal/cm2.ngày ở khu vực từ Nghệ An trở vào Ta thấy rằng cường độ bức xạ tháng ba giảm so với tháng một là do vào thời điểm này độ ẩm trong không khí cao vì trời hay mưa phùn

Từ tháng tư và tháng năm mặt trời dịch lên dần vĩ độ phía Bắc, cường

độ bức xạ trực tiếp tăng vọt lên đến giá trị 0,5 kcal/cm2.ngày Trên khắp miền Bắc hầu như không thấy sự phân hoá giữa các vùng theo cả phương Bắc Nam

và phương Đông Tây Vào tháng bảy và tháng tám ứng với thời kỳ mặt trời đang ở cao nhất trên các vĩ độ Bắc Tháng bảy có cường độ bức xạ lớn nhất đạt khoảng 0,58 ÷ 0,6 kcal/cm2.ngày

Từ tháng chín đến tháng mười hai, cường độ bức xạ trực tiếp ở thời kỳ giảm dần, những biến đổi này xảy ra rất nhanh ở các vĩ độ cao và chậm dần khi càng đi về vĩ độ thấp Ở khu vực Đông Bắc vào tháng mười hai thì cường

độ bức xạ trực tiếp giảm xuống 0,3 kcal/cm2.ngày trong khi ở khu vực Nghệ

An trở vào vẫn còn 0,35 kcal/cm2.ngày

Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ

để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng, Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển do chi phí đầu tư để khai thác, giá thành thiết bị cao,…

Nếu so với một số nước ở châu Phi hay châu Á có cùng hoàn cảnh, Việt Nam vẫn còn đi sau họ Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ

vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ

lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng

1.1.3 Những ứng dụng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và quy mô rộng thì mới chỉ thực hiện vào những năm gần đây

Các ứng dụng năng lượng mặt trời chủ yếu hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời, các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng nhờ các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích luỹ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào mục đích khác nhau

Việc sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện nhờ vào pin mặt trời

đã được thực hiện ở một số khu vực như dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống pin mặt trời là 100

kW và của thuỷ điện là 25 kW và đã được đưa vào vận hành từ cuối năm

1999, cung cấp điện cho 5 làng Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản

lý và vận hành.Dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó pin mặt trời là 7 kW Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành và rất nhiều dự án về pin mặt trời đã và đang được xây dựng trên cả nước

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống năng lượng điện mặt trời.

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của năng lượng mặt trời là dùng để đun nước nóng Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM, Đà Nẵng và nhiều tỉnh thành trong cả nước.(hình 1.3) Các

hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

chiều AC

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nấu Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng

đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án đưa bếp năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng được đông đảo nhân dân ủng hộ Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng

ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển

để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng năng lượng mặt trời

Ứng dụng năng lượng mặt trời để chạy động cơ Stirling dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại, chưng cất nước sạch và đặc biệt

là dùng để sấy khô các loại sản phẩm như lúa, ngô, gỗ,…

Bơm điện

Bình nước nóng

Nước nóng

Nước lạnh Collector mặt trời

1.2 CÁC LOẠI COLLECTOR MẶT TRỜI DÙNG ĐỂ ĐỐT NÓNG KHÔNG KHÍ

1.2.1 Collector phẳng

Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng Hình 1.4 trình bày sơ đồ cấu tạo chung của collector phẳng

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng.

So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu điểm như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt trời, dễ gia công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ

Collector phẳng được chia thành nhiều loại khác nhau như: collector loại tấm trần, collector dòng trên, dòng dưới và dòng song song

Bức xạ mặt trời

Hình 1.38 Collector zíc zắc

Hình 1.5 Collecor dạng zic zăc.

Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc nghiêng và kích thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính toán thiết kế

Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt độ làm việc của collector dạng tấm phẳng Vì vậy, người ta thường thay thế collector dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ

làm việc vượt quá 100oC Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải được cho quay theo mặt trời nhằm đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của collector.

Hình 1.6 Collector tập trung.

Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến một thông số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector này, đó là tỷ số giữa diện tích bề mặt hứng các tia trực xạ Aa và diện tích bề mặt tiếp nhân Ar,

ta gọi đó là tỷ số tập trung CR (Concentration Ratio)

Khi đó ta có: CR =

Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt tròn xoay) và dạng lòng máng Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1

điểm có nghĩa là có tỷ số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng

ngàn độ Còn loại lòng máng có độ hội tụ trung bình, hội tụ thành một dải

(một đường) vì vậy tỷ số CR nhỏ hơn của loại chỏm cầu, loại này có nhiệt độ

khoảng từ 350 ÷ 500 oC

r

A

a A

Các loại collector trên dùng để đốt nóng không khí hoặc chất lỏng, được dùng để phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các hệ thống, thiết bị, sử dụng năng lượng măt trời nhằm phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất của con người.1.3. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

Nhằm tìm hiểu và đánh giá về hoạt động của thiết bị đốt nóng không khí bằng năng lượng mặt trời trong hệ thống sấy và hoàn thiện hơn cũng như ảnh hưởng của môi trường đến quá trình sấy nông sản, chúng tôi đã tiến hành

thực hiện đề tài : " Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu tấm phẳng trong hệ thống sấy ".

Với nhiệm vụ đặt ra của đề tài :

1 Tìm hiểu một số thông số về thời tiết, khí hậu của nước ta có ảnh hưởng đến khả năng sử dụng năng lượng mặt trời

2 Tìm hiểu kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời

3 Tìm hiểu kết cấu và nguyên lý hoạt động của các loại collector đã và đang sử dụng trong hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời

4 Lựa chọn collector phù hợp với hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời cho từng loại nông sản nhất định

5 Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của một số thông số của collector mặt trời kiểu tấm phẳng đến hoạt động của hệ thống sấy

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1.1.1 Nguyên lý cấu tạo của hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời

Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời có cấu tạo gồm: Thiết bị đốt nóng không khí, đường ống dẫn không khí, quạt gió, van điều chỉnh và buồng sấy như hình vẽ 2.1.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy bằng năng lượng MT.

1 - Collector mặt trời 2 - Bức xạ mặt trời 3 - Ống dẫn khí

4 - Van 5 - Quạt gió 6 - Thiết bị sấy

Thiết bị làm nóng không khí có vai trò rất quan trọng trong hệ thống sấy gồm nhiều tấm collector ghép lại với nhau nhằm làm tăng nhiệt độ của không khí trước khi đưa vào buồng sấy Tuỳ theo lượng không khí đưa vào buồng sấy mà ta chọn số lượng collector cho phù hợp Với hệ thống sấy mà chúng tôi nghiên cứu thì thiết bị được ghép từ 6 collector

Đường ống dẫn có nhiệm vụ dẫn không khí nóng từ thiết bị làm nóng không khí qua quạt gió vào buồng sấy Ống thường được làm từ nhựa để giảm

sự truyền nhiệt từ không khí nóng ra ngoài môi trường Tuỳ theo khoảng cách

Khí lạnh vào

Khí nóng ra

giữa thiết bị đốt nóng không khí và buồng sấy mà đường ống được bố trí một cách hợp lý để giảm tối đa hao tổn đường ống.

Quạt gió có nhiệm vụ hút không khí nóng từ collector và đẩy vào buồng sấy Quạt gió hoạt động nhờ một động cơ (thường là động cơ điện) Sự thay đổi tốc độ quạt phụ thuộc tốc độ của động cơ Dựa vào chế độ làm việc của hệ thống mà thay đổi tốc độ quạt cho phù hợp

Van có tác dụng điều chỉnh lượng không khí vào buồng sấy, được làm từ tấm tôn mỏng đặt trong đường ống dẫn khí

Buồng sấy là hình hộp được chế tạo bằng kim loại, bên trong buồng có cấu tạo phù hợp với từng loại vật sấy khác nhau

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống sấy dùng năng lượng MT

Trong hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời, nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thụ trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời của vật sấy Hơi nước sinh

ra được mang đi bởi không khí thổi ngang qua vật sấy Không khí chuyển động được là nhờ đối lưu tự nhiên hoặc thổi cưỡng bức

Không khí trước khi đi vào buồng sấy sẽ được nung nóng bởi collector hấp thụ năng lượng mặt trời, không khí sẽ đi qua sản phẩm sấy, làm bốc hơi nước từ vật sấy, không khí nóng có thể tuần hoàn một vòng và thoát ra ngoài cùng với hơi nước Đối với một số thiết bị sấy cho các sản phẩm đặc biệt hoặc cần thời gian sấy dài thì người ta có thêm nguồn năng lượng phụ để đề phòng những lúc trời không nắng hoặc vào ban đêm Tuỳ theo phương thức chuyển động của dòng khí sấy trong thiết bị và cấu tạo của thiết bị mà có thể phân

chia thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời ra nhiều loại khác nhau

2.1.2 Các loại thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng trên thế giới

tắc sấy đối lưu Về nguyên lý chúng giống như những thiết bị sấy đối lưu thông thường, điểm khác biệt ở đây là tác nhân sấy được đốt nóng bằng năng lượng mặt trời tại collector

Tuỳ theo phương thức chuyển động của dòng khí sấy trong thiết bị mà

có thể chia thiết bị sấy năng lượng mặt trời thành 2 loại: thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên và thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức

2.1.2.1 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên:

Trong thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên, dòng khí chuyển động nhờ sự chênh lệch về khối lượng riêng giữa không khí nóng và không khí lạnh Không khí khi bị đốt nóng có khối lượng riêng giảm đi nên có

xu hướng bay lên trên tạo thành dòng khí lưu động tự nhiên

Thiết bị kiểu này có cấu tạo đơn giản do không cần quạt gió, chi phí chế tạo thấp nhưng tốc độ dòng khí nhỏ, phụ thuộc vào điều kiện môi trường và không điều chỉnh được

Theo cấu tạo có thể phân thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên thành các nhóm sau:

- Sân phơi có mái che trong suốt:

Đây là phương pháp phơi nắng tự nhiên cải tiến Sản phẩm được trải trên nền cứng và bên trên che kín bằng vật liệu trong suốt (kính, nhựa hoặc nilon trong) (hình 2.2) Chính tấm che này tạo ra hiệu ứng lồng kính làm tăng nhiệt

độ của không khí bên trong đồng thời vật liệu sấy hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và nóng lên Dòng không khí chuyển động trên bề mặt sản phẩm sẽ vận chuyển hơi ẩm bay ra từ vật liệu sấy Tốc độ chuyển động của dòng khí phụ thuộc vào tốc độ gió và độ chênh lệch nhiệt độ giữa không khí bên trong

và bên ngoài tấm che

Hình 2.2 Sân phơi có mái che trong suốt.

Phương pháp này có tốc độ sấy nhanh hơn so với phơi nắng tự nhiên do nhiệt độ khí sấy cao hơn Mái che có tác dụng tạo ra hiệu ứng nhà kính đồng thời bảo vệ sản phẩm tránh mưa đột ngột, tránh nhiễm bẩn do bụi và côn trùng phá hoại do đó hạn chế thất thoát sản phẩm Tuy nhiên, ở sân phơi có mái che thì tốc độ sấy chậm, thời gian sấy không giảm nhiều so với phơi nắng

tự nhiên

- Thiết bị sấy dạng hộp và dạng lều:

Thiết bị loại này có hình dạng trông giống như một chiếc hộp hoặc chiếc lều trong đó sản phẩm sấy được trải trên một tấm sàn có lỗ thoáng (lưới kim loại, phên tre nứa, ) và đặt cách mặt đất một khoảng nhất định (Hình 2.3).Tấm che trong suốt bên trên được làm bằng nhựa đối với dạng lều và

Tấm che

Vật liệu sấy

Nền cứng (sân)

trực tiếp đốt nóng sản phẩm Không khí chuyển động xuyên qua lớp sản phẩm

từ dưới đáy lên phía trên nhờ đối lưu tự nhiên

So với sân phơi cải tiến thì thiết bị này có thể bảo vệ sản phẩm tránh mưa và côn trùng tốt hơn nhờ tấm sàn nằm cao hơn mặt đất song đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn đồng thời cho năng suất thấp

Hình 2.3 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời dạng lều (a) và dạng hộp (b).

- Thiết bị sấy NLMT đối lưu tự nhiên kiểu tunnel:

Thiết bị này có cấu tạo như một chiếc giàn trên đó chia làm 3 phần với 2

bộ thu nhiệt (collector) kiểu tấm phẳng đặt 2 đầu và phần sấy nằm giữa (hình 2.4)

Collector

Phần sấy

Ống khói

Hình 2.4 Thiết bị sấy năng lượng MT đối lưu tự nhiên kiểu tunnel.

Không khí được đốt nóng tại collector thứ nhất sẽ chuyển động dọc theo giàn sấy, khi qua phần sấy không khí nóng truyền nhiệt cho vật liệu nên nhiệt độ giảm đi, khi đó bộ thu nhiệt thứ hai sẽ bổ xung năng lượng làm cho nhiệt độ dòng khí tăng lên tăng cường khả năng lưu động Hơn nữa ống khói đặt ở cuối đường ra cũng có tác dụng làm tăng tốc độ dòng khí Nhiệt độ sấy cực đại chịu ảnh hưởng bởi tỷ lệ giữa diện tích của phần thu nhiệt và phần sấy

- Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên kiểu buồng :

Trong thiết bị này sản phẩm được trải trên các khay đặt trong buồng sấy nằm riêng rẽ so với bộ phận thu nhiệt (hình 2.5) Không khí được đốt nóng tại

bộ thu nhiệt sẽ chuyển động lên trên qua các khay chứa vật liệu sấy nhờ đối lưu tự nhiên Bộ thu nhiệt kiểu tấm phẳng được đặt nghiêng để tạo thuận lợi cho dòng khí chuyển động lên phía trên Ống khói cùng với quạt thông gió ở trên buồng sấy có tác dụng tăng cường tốc độ dòng khí

Sản phẩm Quạt thông gió

Bức xạ mặt trời Tấm che trong suốt Tấm hấp thụ

Không khí ra

Hình 2.5 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên kiểu buồng.

Thiết bị này thích hợp với một số sản phẩm cần phải tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời để giữ màu sắc hoặc hương vị, song đòi hỏi chi phí đầu tư cao do cấu tạo phức tạp và năng suất thấp do số lượng khay chứa vật liệu bị hạn chế bởi sức cản dòng khí

- Thiết bị sấy năng lượng mặt trời kiểu nhà kính:

Thiết bị được kết cấu giống như một căn nhà với mái và tường làm bằng kính hoặc nhựa trong suốt

Sản phẩm sấy được trải trực tiếp trên nền hoặc đặt trên các khay và trực tiếp hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời Không khí bên trong nhà kính được đốt nóng nhờ năng lượng mặt trời sẽ chuyển động lên phía trên nhờ đối lưu tự nhiên Dòng không khí chuyển động dọc theo bề mặt sản phẩm sẽ hút hơi ẩm

từ vật sấy và thải ra ngoài

Hình 2.6 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời kiểu nhà kính.

Kích thước thiết bị phải đủ lớn để có thể đi lại bên trong khi chất tải và

dỡ tải Kết cấu của thiết bị phải thuận tiện cho việc lắp ráp và tháo rời để bảo quản thiết bị khi thời tiết không thuận lợi

Thiết bị này có thể bảo vệ sản phẩm tránh mưa và súc vật phá hoại, nâng cao chất lượng sản phẩm do không bị nhiễm bụi bẩn và có thể giữ màu sản phẩm Tuy nhiên giá thành đầu tư lớn và tốc độ vận chuyển ẩm phụ thuộc vào điều kiện môi trường Khi độ ẩm tương đối của không khí ngoài môi trường cao, tốc độ hút ẩm giảm, thời gian sấy kéo dài sẽ dễ gây thối hỏng sản phẩm

2.1.2.2 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức

Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức là dùng quạt để tạo ra dòng khí chuyển động trong thiết bị Quạt quay nhờ môtơ điện, nguồn điện cung cấp cho quạt có thể lấy từ điện lưới, máy phát

Hơi ẩm

sản phẩm

bức, tốc độ dòng khí sấy không phụ thuộc vào điều kiện môi trường và có thể điều chỉnh được Có thể tạo ra áp suất lớn để thổi qua lớp sản phẩm tương đối dày, điều này cho phép tăng công suất của thiết bị Nhưng thiết bị này đòi hỏi năng lượng điện cung cấp cho quạt nên tăng chi phí cho quá trình sấy đồng thời tăng chi phí chế tạo Sau đây là một số loại thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức:

- Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức kiểu tunnel:

Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức kiểu tunnel có cấu tạo giống như một "đường hầm" (hình 2.7), trên đó chia làm hai phần: phần thu nhiệt và phần sấy liền nhau nên không cần ống dẫn khí Toàn bộ thiết bị được đặt trên các trụ đỡ bằng bê tông hoặc bằng gạch xây cao 50 – 60 cm

để đảm bảo vệ sinh

Kh

Hình 2.7 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức kiểu tunnel.

Không khí được đốt nóng nhờ năng lượng bức xạ mặt trời tại phần thu nhiệt sẽ được quạt đẩy chuyển động dọc theo giàn sấy Sản phẩm sấy được đốt nóng nhờ nhiệt năng từ dòng không khí nóng đồng thời nhờ năng lượng

bức xạ mặt trời trực tiếp nên nhiệt độ sấy tương đối đồng đều Tác nhân sấy chuyển động trên bề mặt vật liệu sấy nên sức cản nhỏ Thiết bị này rất thích hợp để sấy các loại rau quả

- Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức kiểu silo:

Cấu tạo chính của thiết bị gồm một silo để chứa vật liệu sấy, một bộ góp nhiệt kiểu panen như trên hình 2.8 Bộ góp nhiệt được chế tạo từ các tấm plastic và gỗ Panen hấp thụ là tấm plastic màu đen, phủ một lá trong suốt Một quạt hút không khí nóng từ bộ góp nhiệt vào silo Thiết bị này thường dùng để sấy các sản phẩm dạng hạt như thóc, ngô, đỗ, cà phê, …

T Thùng làm Bộ góp nhiệt ghép vào tường

Hình 2.8 Thiết bị sấy năng lượng mặt trời đối lưu cưỡng bức kiểu silo.

Một kiểu khác của thiết bị sấy kiểu silo là dùng các bộ góp nhiệt lắp ráp vào tường bên của silo Bộ góp nhiệt làm bằng tấm kim loại mỏng có múi, tấm kim loại này được phủ bằng tấm nhựa PVC ( hình 2.9 )

Việc làm khô hạt trong điều kiện thời tiết thuận lợi có thể được thực

hiện chỉ bằng năng lượng mặt trời thuần tuý qua các bộ góp nhiệt hoặc kết hợp với nguồn năng lượng khác qua các bộ làm nóng không khí thông thường Khi làm khô hạt trong các silo có dùng bộ góp nhiệt và các bộ làm nóng không khí thông thường, mức độ tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch là khoảng 20-30%

Các thiết bị trên chủ yếu dùng làm khô một khối lượng hạt tương đối lớn trong các cơ sở sản xuất, các nhà máy và trang trại

- Thiết bị sấy năng lượng mặt trời với bộ thu nhiệt gắn vào mái nhà:

Trong hệ thống thiết bị này, bộ thu nhiệt được tạo thành một thể thống nhất với mái của phòng sấy trong đó có kênh dẫn không khí, hai quạt F1 và F2 dùng để hút không khí nóng và không khí vào làm mát (Hình 2.10)

Không khí nóng Khí thải

F1

Hình 2.10 Hệ thống sấy năng lượng MT với bộ thu nhiệt gắn vào mái nhà.

Khi hệ thống hoạt động, quạt F1 chạy để hút không khí nóng từ bộ thu nhiệt đẩy vào phòng sấy và thải ra ngoài Khi không sấy, nhiệt độ tấm hấp thụ của bộ thu có thể vượt quá 1000C Trong trường hợp đó quạt F2 phải được cho chạy để làm mát

Năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông lâm nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm,…nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm Ngoài sấy các loại nông sản, năng lượng mặt trời còn được dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ Đối với gỗ thường phải sấy trong thời gian dài có thể đến 20 ngày và nhiệt độ sấy không cao, do vậy sử dụng năng lượng mặt trời để sấy gỗ rất thích hợp và chúng ta có thể tiết kiệm được một phần năng lượng

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống sấy gỗ kiểu hầm.

1 Thiết bị trao đổi nhiệt 2 Gỗ đã xếp lên xe 3 Cửa cấp không khí

4 Cửa vào sữa chữa mô tơ quạt 5 Quạt gió hai chiều 6 Xe gòng

7 Lớp cách nhiệt 8 Cửa thoát ẩm 9 Đà gỗ

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA COLLECTOR TRONG HỆ THỐNG SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo của collector trong hệ thống sấy năng lượng MT

Collector trong hệ thống sấy năng lượng mặt trời thuộc collector dòng trên Nguyên lý cấu tạo của collector hay còn gọi là bộ đốt nóng không khí

bao gồm tấm kính đậy, tấm hấp thụ, kênh dẫn khí và đáy cách nhiệt mô tả như hình 2.12.

Hình 2.12 Cấu tạo của collector.

Tấm che được làm bằng thuỷ tinh hay bằng vật liệu trong suốt khác Nhiệm vụ cơ bản của các tấm che là tạo ra hiệu ứng lồng kính để làm giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của colletor ra ngoài môi trường, đồng thời góp phần hạn chế tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu Các tấm che này phải có độ trong suốt cao để cho các tia bức xạ xuyên qua ở mức tối đa Tuỳ theo mức nhiệt độ làm việc của collector mà người ta chọn số lượng các tấm phủ N Khi nhiệt độ làm việc càng cao thì N càng lớn, giá trị phổ biến của N là từ 1 đến 2 Trong một vài trường hợp có thể người ta không cần dùng đến tấm che

Bề mặt hấp thụ là bề mặt nhận năng lượng mặt trời để truyền lại cho môi chất làm việc (không khí hoặc chất lỏng) Thông thường bề mặt này được sơn mầu đen Để gia tăng khả năng hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề mặt hấp thụ người ta có thể dùng các loại sơn chuyên dụng để tạo nên bề mặt hấp thụ chọn lọc

Lớp cách nhiệt

Lớp cách nhiệt đặt ở mặt dưới của collector để giảm tổn thất nhiệt theo hướng đáy của collector, ngoài ra có thể bố trí thêm các lớp cách nhiệt phụ ở các cạnh bên của collector.

Tóm lại, collector trong hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ nhưng lại có một vai trò rất quan trọng trong việc làm nóng không khí phục vụ cho quá trình sấy sản phẩm của hệ thống

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của collector trong hệ thống sấy NLMT

2.2.2.1 Nguyên lý chung

Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng là mặt phẳng Mặt phẳng này được bôi đen, đồng thời là mặt hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng bức xạ Các lớp che trong suốt cho bức xạ mặt trời đi qua dễ dàng song lại cản bức xạ hồng ngoại phát ra từ mặt bôi đen, do đó có tác dụng như một bẫy nhiệt Nhờ bố trí các nắp trong suốt mà nhiệt độ cân bằng có thể lên tới 90 ÷

100oC Nhìn chung collector phẳng có nhiệt độ không cao nhưng rất dễ chế tạo và giá thành rẻ, sử dụng dễ dàng, làm việc được cả trong điều kiện bức xạ trực tiếp hay khuếch tán

2.2.2.2 Các quá trình chuyển hoá quang nhiệt

Các quá trình chuyển hoá quang nhiệt dựa trên một trong hai nguyên lý là: Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính và nguyên lý hội tụ bức xạ Trong hệ thông sấy năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính Quá trình xảy ra như sau:

Bộ phận thu nhiệt có cấu tạo như một chiếc hộp (hình 2.16) gồm tấm che làm bằng vật liệu trong suốt như kính hoặc vật liệu tổng hợp PVC (màng mỏng polyetilen hoặc nhựa cứng), mặt đáy được làm bằng vật liệu hấp thụ