Nghiên cứu, tính toán và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố về kết cấu và thời tiết đến hiệu suất của bộ thu nhiệt mặt trời kiểu hội tụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MINH KHANG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ VỀ KẾT CẤU VÀ THỜI TIẾT ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA BỘ THU NHIỆT MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ Chuyên ngành : VẬT LÝ KỸ THUÂT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Vật lý kỹ thuật NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐẶNG ĐÌNH THỐNG Hà Nội – Năm2012 Mục lục Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mụ bảng Danh mục hình vẽ đồ thị 10 MỞ ĐẦU 13 Chương TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Nguồn lượng mặt trời 15 1.1.1 Mặt trời 15 1.1.2 Bản chất nguồn NLMT 16 1.1.3 NLMT vũ trụ- Hằng số mặt trời 16 1.2 Đặc điểm nguồn NLMT 17 1.2.1 Sự chuyển động hệ Mặt Trời- trái đất 17 1.2.2 Tính không ổn định nguồn NLMT 18 1.2.3 Ảnh hưởng lớp khí 22 1.2.4 Các thành phần BXMT mặt đất 23 1.3 Ước tính cường độ xạ 24 1.4 Ưu nhược điểm nguồn NLMT 24 1.4.1 Các ưu việt nguồn NLMT 25 1.4.2 Các khó khăn khai thác, ứng dụng NLMT 26 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI 2.1 Tổng quan công nghệ lượng mặt trời 27 2.2 Công nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính 27 2.2.1 Hiệu ứng nhà kính 27 2.2.2 Công nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính 28 2.2.2.1 Hệ thống sấy khô 28 2.2.2.2 Hệ thống đun nước nóng 29 2.2.2.3 Hệ thống chưng cất nước 32 2.2.2.4 Bếp mặt trời ứng dụng hiệu ứng nhà kính 35 2.3 Công nghệ nhiệt tập trung NLMT 36 2.3.1 Hiệu ứng hội tụ 36 2.3.1.1 Hiệu ứng phản xạ hội tụ ánh sáng 36 2.3.1.2 Gương phản xạ 37 2.3.2 Công nghệ nhiệt điện tập trung NLMT 2.3.2.1 Công nghệ nhiệt điện mặt trời tháp lượng 38 39 2.3.2.2 Công nghệ nhiệt điện mặt trời phản xạ Fresnell tuyến tính 41 tập trung 2.3.2.3 Công nghệ nhiệt điện mặt trời máng parabôn 43 2.3.2.4 Công nghệ đĩa parabôn 46 2.3.2.5 Đánh giá tình hình phát triển công nghệ nhiệt điện 48 mặt trời tập trung 2.3.3 Giới hạn nghiên cứu 50 CHƯƠNG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẬP TRUNG KIỂU MÁNG PARABÔN 3.1 Máng hội tụ parabôn : cấu tạo hoạt động 51 3.2 Định hướng thu hiệu chỉnh góc tới 54 3.2.1 Định hướng thu 54 3.2.2 Hiệu chỉnh góc tới 56 3.3 Tính hiệu suất thu 57 3.3.1 Các trình nhiệt xảy ống hấp thụ 57 3.3.2 Hiệu suất thu 58 3.3.2.1 Tính hiệu suất quang 59 3.3.2.2 Tính hiêụ suất nhiệt 60 3.3.3 Đánh giá hiệu suât 66 CHƯƠNG LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT VÀ CÁC THÔNG SỐ BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ MÁNG PARABÔN 4.1 Các giới hạn 67 4.2 Lập chương trình tính toán 67 4.2.1 Thuật toán 67 4.2.2 Lưu đồ thuật toán 69 4.2.3 Chương trình lập trình 78 4.3 Kết chạy thử 81 4.3.1 Khảo sát theo cường độ xạ mặt trời 82 4.3.2 Khảo sát theo thay đổi độ mở 85 4.3.3 Khảo sát theo thay đổi chiều dài 88 4.3.4 Khảo sát theo thay đổi tiêu cự 89 4.3.5 Khảo sát theo thay đổi đồng thời độ dài độ mở 91 4.3.6 Khảo sát khoảng thời gian độ 94 4.4 Nhận xét 96 KẾT LUẬN 98 Tài liệu tham khảo 99 Phụ lục 102 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đề tài luận văn cao học : ‘Nghiên cứu, tính toán đánh giá ảnh hưởng số yếu tố kết cấu thời tiết đến hiệu suất thu nhiệt mặt trời kiểu hội tụ’ công trình nghiên cứu tôi, có hướng dẫn PGS.TS Đặng Đình Thống Các số liệu luận văn sử dụng trung thực, có nguồn trích dẫn ghi phần tài liệu tham khảo Kết luận văn trung thực, chưa công bố công trình nghiên cứu trước Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2012 Tác giả Nguyễn Minh Khang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các chữ viết tắt : BXMT : Bức Xạ Mặt Trời NLMT : Năng Lượng Mặt Trời CĐBX : Cường Độ Bức Xạ CNMT : Công nghệ Nhiệt điện Mặt trời Tập trung NHI : Nhiệt Hữu Ích NLBXT : lượng xạ mặt trời tới PFTT : Phản xạ Fresnell Tuyến tính Tập trung a : ambient – Môi trường không khí bao quanh b : beam - trực xạ c : cover - Ống thuỷ tinh bao quanh : convection - đối lưu d : diffuse -Nhiễu xạ e : external – bên không gian ev : evacute – phần chân không vành khuyên i : in – bên f : flow fluit - Chất lỏng dẫn nhiệt fu : usefull - hữu ích Nu : Hệ số Nussel O : on – Trên bề mặt ngang o : out – bên p : pipe - Ống hấp thụ Pr : hệ số Prandlt Re : Hệ số Reynol S : sun - mặt trời s : section cross - cắt ngang Các ký hiệu : A : Diện tích hiệu dụng mặt mở b : Khoảng cách mặt trời trái đất C : Tỉ lệ tập trung Cp : Nhiệt dung riêng D : Đường kính d : Đường kính trái đất g : gia tốc trọng trường h : Độ cao máng parabôn heff : Hệ số truyền nhiệt hiệu dụng I : Cường độ xạ K(θ) : Hệ số hiệu chỉnh góc tới k : Độ dẫn nhiệt L : Chiều dài thu kiểu máng parabôn m : Lưu lượng khối chất lỏng dẫn nhiệt n : Ngày năm Q : Tổng lượng nhiệt q : sai phân nhiệt S : Thông lượng ánh sáng tới bề mặt ống hấp thụ T : Nhiệt độ W : Độ mở máng parabôn α : Góc độ cao mặt trời Hệ số hấp thụ ống hấp thụ β : Góc mặt phẳng quan sát mặt nằm ngang ε : Hệ số xạ nhiệt φ : Vĩ độ Φr : Góc mở thu máng parabôn γ : Góc phương vị Thừa số chặn ρ : Hệ số phản xạ gương parabôn Khối lượng riêng η : Hiệu suất nhiệt thu kiểu máng parabôn η0 : Hiệu suất quang thu kiểu máng parabôn μ : Độ nhớt động lực học τ : Hệ số truyền qua ống huỷ tinh τb : Hệ số truyền qua khí ν : Độ nhớt động học ω : Góc mặt trời ωs : Góc mặt trời lặn δ: Góc lệch δz : Góc tán sắc Г : Góc quay định vị thu theo mặt trời DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng thể số thông số nhiệt độ bếp mặt trời trình sử dụng Bảng 2 Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu máng parabôn Bảng So sánh số đặc điểm công nghệ nhiệt điện mặt trời tập trung Bảng Tỉ lệ sử dụng nhiệt điện mặt trời tổng số nguồn điện nước giới tương lai Bảng 4.1 Một số giá trị ban đầu dùng để khảo sát Bảng 4.2 Sự thay đổi hiệu suất theo độ dài độ mở máng parabôn Bảng 4.3 Sự biến thiên nhiệt độ đầu trung bình chất lỏng dẫn nhiệt chiều dài độ mở thay đổi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Mối liên hệ trái đất mặt trời Hình Phân bố lượng phổ xạ mặt trời giới hạn khí Hình Vị trí trái đất quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời năm Hình Các góc tương quan tia sáng tới mặt phẳng quan sát Hình Tương tác BXMT với khí Hình Nguyên lý hiệu ứng nhà kính Hình 2 Một thiết bị sấy nông sản Hình Cấu tạo collecctor Hình Sơ đồ cấu tạo bình nước nóng dạng ống chân không Hình Thiết bị đun nước nóng ARISTON dạng dãy ống (trái) dạng (phải) ban thị trường Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất nước Hình Hệ thống chưng cất nước từ nước biển lắp Bình Đại, Bến Tre gồm modul, modul có diện tích đón nắng 4m2 Hình Sơ đồ bếp mặt trời Hình Nguyên lý phản xạ ánh sáng Hình 10 Sơ đồ khối tổng quan c công nghệ nhiệt điện mặt trời Hình 11 Nhà máy nhiệt điện mặt trời PS10 Hình 2.12 Tháp tập trung ánh sáng nhà máy điện Hình 13 Sơ đồ nguyên lý phản xạ Fresnel tuyến tính tập trung Hình 2.14 Hệ thống gương nhà máy nhiệt điện Hình 15 Sơ đồ khối nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng công nghệ máng parabôn 10 PHỤ LỤC Bảng Thành phần nguyên tố mặt trời (theoNASA) Nguyên tố Tỉ lệ Nguyên tố Tỉ lện Hiđrô 73,46% Lưu huỳnh 0,12% Hêli 24,85% Neon 0,12% Ôxy 0,77% Nitơ 0,09% Cacbon 0,29% Silic 0,07% Sắt 0,16% Magiê 0,05% Bảng Thành phần khí (theo NASA) Thành phần phần trăm không khí khô theo thể tích theo Tỉ lệ ppmv: phần triệu Chất khíthể tích Chất khí Tỉ lệ Nitơ 78,084% Hêli 5,24 ppmv Ôxy 20,946% Mêtan 1,745 ppmv Agon 0,9340% Krypton 1,14 ppmv CO2 390 ppmv Hiđrô 0,55 ppmv Neon 18,18 ppmv Không khí ẩm thường có thông thường thêm nước khoảng 1% Bảng Hệ số phản xạ BXMT bề mặt [21] Bề mặt nhận xạ ρ (%) Bề mặt nhận xạ ρ (%) Đất đen 5-15 Cánh đồng 20-25 Đất xám ướt 1-20 Rừng thường xanh 10-20 Đất sét 20-30 Rừng to 15-20 Đất cát khô 25-45 Rừng kim 10-15 102 Mặt ruộng khoai tây 15-25 Mặt nước 70-85 Đồng lúa 15-25 Mặt tuyết rơi 80-95 Bảng Hệ số hấp thụ BXMT bề mặt có màu sắc khác (theo http://www.engineeringtoolbox.com/) Màu bề mặt Hệ số hấp thụ Trắng mịn 0,25 – 0,40 Xám đến xám tối 0,40-0,50 Màu xanh cây, đỏ nâu 0,50 – 0,70 Màu xanh sẫm với màu xanh 0,70 – 0,80 Màu xanh tối sang màu đen 0,80 – 0,90 Bảng Hệ số kinh nghiệm r0, r1, r tùy theo vùng khí hậu [1] Vùng khí hậu r0 r1 rk Nhiệt đới 0,95 0,98 1,02 Ôn đới (mùa hè) 0,97 0,98 1,02 Hàn đới (mùa hè) 0,99 0,99 1,01 Ôn đới (mùa đông) 1,03 1,01 1,00 Bảng Bảng tính chất số vật liệu dùng làm phủ suốt [20] Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm Kính Ổn định, bền nặng, dễ vỡ Hệ số truyền qua cao Đắt Nhẹ Độ bền tuỳ theo cấu Dễ làm sử dụng trúc giá Tấm nhựa Tiện dụng 103 Hệ số truyền qua cao Kính tổng hợp Nhẹ Hệ số truyền qua thấp Dễ làm sử dụng không sẵn có Tính cách nhiệt tốt Có thể đắt Bảng Bảng kết kiểm tra thành phần nước trước sau chưng cất báo cáo Robert Foster Mẫu 13% Nước lượng chưng nước (13%) 16% Nước chưng cất nước vào cất (16%) vào Can xi 340 1.5 371 [...]... quan về nguồn năng lượng mặt trời Chương 2 Trình bày hiện trạng cũng như các nghiên cứu, phát triển công nghệ nhiệt mặt trời và các ứng dụng để sản xuất nhiệt và điện Chương 3 Tập trung nghiên cứu về công nghệ nhiệt điện mặt trời máng parabôn, nghiên cứu sự phụ thu c hiệu suất thu năng lượng mặt trời phụ thu c vào kích thước hình dạng hình học của máng thu, vào các tính chất nhiệt của vật liệu làm bộ thu, ... thu, vào bản chất chất tải nhiệt cũng như vào bức xạ mặt trời và môi trường xung quanh Chương 4 Đây là chương quan trọng nhất của luận văn Trong chương này, tác giả xây dựng thu t toán, chương trình phần mềm nhằm nghiên cứu các ảnh hưởng của bức xạ mặt trời, hình dạng kích thước bộ thu cũng như các tính chất nhiệt của vật liệu làm bộ thu và chất tải nhiệt lên hiệu suất của bộ thu Từ đó, đưa ra những kết. .. thay đổi đồng thời của độ mở và độ dài Hình 4.15 Quá trình qúa độ của hiệu suất bộ thu khi mặt trời mới mọc Hình 4.16 Sự tăng đột biến của hiệu suất vào buổi chiều Hình 4.17 So sánh giữa NHI và NLBXT vào buổi chiều Hình 4.18 Sơ đồ biểu diễn hiệu suất nhiệt tức thời từ lúc mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn của bộ thu máng parabôn 12 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng, trong... b Vị trí của mặt trời trên bầu trời Vị trí của mặt trời trên bầu trời luôn thay đổi, phụ thu c vào không gian (vị trí quan sát), và thời gian Vì vậy, để thu n tiện cho quá trình nghiên cứu và tính toán, thì một số góc hình học đã được định nghĩa nhằm xác định vị trí của mặt trời trên bầu trời Như trong hình 1.4 thể hiện quan hệ hình học giữa một mặt phẳng định hướng bất kỳ trên mặt đất và tia BXMT truyền... mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm 1.2.2 Tính không ổn định của nguồn NLMT BXMT tới trên Mặt Đất phụ thu c vào hai yếu tố : góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm quan sát và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển, hay nói cách khác là phụ thu c vào vị trí của mặt trời so với mặt quan sát 18 a Một số khái niệm - Hệ số khối khí AM : là tỉ số. .. 1,27.104km ) Nhiệt độ bề mặt mặt trời khoảng 5778K Nhiệt độ tại tâm mặt trời khoảng 15.106K , với thành phần hoá học, chủ yếu là nguyên tố Hidrô và Hêli (tương ứng với 73,46% và 24,85% tổng khối lượng mặt trời) (nguồn NASA) Ngoài ra, do trái đất ở cách xa mặt trời, và mặt trời lớn hơn rất nhiều trái đất, nên có thể coi rằng, các tia sáng từ mặt trời đến trái đất là song song nhau, và chúng ta nhìn mặt trời. .. (1.2) ε hệ số phát xạ của vật, do mặt trời có thể coi là vật đen tuyệt đối nên coi ε =1 σ = 5,67.10-8W/m2K4 là hằng số Stefan – Bolzman TS = 5778K , nhiệt độ tại bề mặt mặt trời Thay số ta tính được Isc = 1364 W/m2 Giá trị này không chịu ảnh hưởng của khí quyển, mà chỉ phụ thu c vào khoảng cách giữa trái đất và mặt trời nên được gọi là hằng số mặt trời Hằng số mặt trời là năng lượng bức xạ đo được... tổng của trực xạ vá tán xạ trên một bề mặt - Cường độ bức xạ (W/m2) : Là cường độ năng lượng BXMT đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ BXMT cũng bao gồm CĐBX trực xạ, CĐBX tán xạ - Giờ mặt trời : Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với qui ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát b Vị trí của. .. tiền, tiết kiệm Hình 2.8 Sơ đồ bếp mặt trời 35 Bảng 2.1 Bảng thể hiện một số thông số về nhiệt độ của bếp trong quá trình sử dụng Ngày Thông số kỹ thu t [20] Kết quả đo 5/6/2008 Nhiệt độ không khí trong bếp Ghi chú 670C Nhiệt độ của sản phẩm nấu 1020C Kho cá Nhiệt độ của sản phẩm nấu 970C Nấu cơm Nhiệt độ của sản phẩm nấu 950C Nước sôi Nhiệt độ của sản phẩm nấu 1010C Hầm gà Tuy nhiên bếp mặt trời vẫn... trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với tia BXMT 1.2 ĐẶC ĐIỂM NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.2.1 Sự chuyển động của hệ mặt trời- trái đất Trái đất quay quanh mặt trời theo một quỹ đạo elip và mặt trời nằm trên một trong những tiêu điểm của quỹ đạo này (Hình 1.3 ) Trên hình 1.3 biểu diễn vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời trong một năm Vào