Bài tập lớn: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG THỨ CẤP Họ và tên: Đặng Hồng Chuyên.. Biện luận về góc nghiêng lắp đặt tối ưu để nhận được lượng bức xạ mặt trời là lớn nhất.. Khoảng thờ
Trang 1Bài tập lớn:
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG THỨ CẤP
Họ và tên: Đặng Hồng Chuyên
Trường: ĐHBK Hà nội
Lớp: Máy & Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50
Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Nguyên An
I Nội dung thực hiện:
Bài 1 Tính và vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi của r; avà theo góc tới 1
thay đổi từ 0900
Cho biết:
Hệ thống chắn gồm 2 lớp kính có chiều dày mỗi lớp là c 6mm
Hệ số suy giảm(do hấp thụ của kính) : Kc 15m 1
Bài 2 Biện luận về góc nghiêng lắp đặt tối ưu để nhận được lượng bức xạ mặt trời là lớn nhất
Cho biết:
Địa điểm lắp đặt: Tùy chọn
Khoảng thời gian sử dụng: Tùy chọn
Số liệu về cường độ bức xạ mặt trời: Tự tìm kiếm
II Thời gian thực hiện:
Ngày giao đầu bài: 17/09/2009 Ngày hoàn thành: …/11 /2009
Trang 2Bài 1 Tính và vẽ đồ thị của r; avà theo góc tới 1 thay đổi từ 0900:
Có:
Số lớp kính chắn là: M2
Chiều dày của lớp kính chắn: c 6mm Hệ số suy giảm: K 15m 1
Chiết suất của kính: n2 1,5
Bài làm:
a) Tính và vẽ đồ thị của r:
Góc tới của tia bức xạ 1 và góc khúc xạ của tia tới 2 khi đi từ môi trường không khí có chiết suất n1 tới kính có chiết suất 1 n2 1,5 có quan hệ như sau:
Sin n
1,5 Arsin(1/1,5.Sin( )) Sin n
Hệ số phản xạ tương ứng của 2 thành phần phân cực là:
I Sin ( 2 1) / Sin ( 2 1); II tg ( 2 1) / tg ( 2 1)
Hệ số truyền bức xạ khi xét riêng khúc xạ - phản xạ ứng với 2 thành phần phân cực
là:
;
1 (2M 1) 1 3 1 (2M 1) 1 3
Do đó hệ số truyền bức xạ khi xét riêng khúc xạ- phản xạ là:
r rI rII
2 2 1 3 1 3 2.(1 3 ).(1 3 )
Ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của các giá trị của rI; rIIvà r theo góc tới 1 thay đổi từ 0900 như sau:
(xây dựng hàm toán mô tả và vẽ đồ thị bằng công cụ MatLab version 7.6.0)
Code xây dựng trong MatLab:
Trang 3Đồ thị biểu diễn:
b) Tính và vẽ đồ thị của a:
Với 2 lớp kính chắn có chiều dày, hệ số suy giảm và chiết suất giống nhau, đặt song song với nhau nên ta có hệ số truyền bức xạ khi xét riêng hấp thụ là:
2 K / Cos 2 K / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin( )) l
a b
I
I
Với: 3 -1 0,18 / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin( 1 ))
c 6mm 6.10 m; K=15m a e
Trang 4Ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của các giá trị của rI; rIIvà r theo góc tới 1 thay đổi từ 0900 như sau:
(xây dựng hàm toán mô tả và vẽ đồ thị bằng công cụ MatLab version 7.6.0)
Code xây dựng trong MatLab:
Đồ thị biểu diễn:
Trang 5b) Tính và vẽ đồ thị của :
Có a. r do vậy tổng hợp toàn bộ 2 đồ thị của a và r vừa vẽ ở trên ta ra được , biểu diễn cả 3 đường cong trên một hệ trục tọa độ với sự thay đổi của góc từ 1
0
0 90 có:
-
Trang 6Bài 2
Ta khảo sát một bộ thu phẳng:
Với địa điểm lắp đặt tại:
Trung tâm quận Hà đông có tọa độ: 20 0 58’00’’N; 105 0 46’21’’E
Khoảng thời gian làm việc:
Trong ngày là từ: 09h00m00s - 15h00m00s
Trong một năm: từ tháng 04(Apr) - 09(Sept)
Bề mặt tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ và độ đen là: p 0,95; P 0,95(bề mặt tấm hấp thụ không chọn lọc)
Lớp kính chắn sử dụng gồm M lớp có chiều dày và hệ số suy giảm là: 2
1
c 6mm; K 15m
Số liệu về cường độ bức xạ mặt trời của địa phương như sau:
Với thành phần trực xạ: Ib 665W / m2; với thành phần tán xạ: Id 230W / m2
Thông số lắp đặt: bề mặt tấm hấp thụ của bộ thu được lắp đặt ở vị trí quay về hướng chính nam(góc phương vị 00), góc dốc tùy biến, và ta sẽ khảo sát đặc tính của tổng lượng bức xạ nhận được trên bề mặt tấm hấp thụ trong toàn bộ khoảng thời gian làm việc ở trên S theo sự thay đổi của góc để tìm ra góc dốc tối ưu khi lắp đặt
Bài làm:
Ta có tổng lượng bức xạ nhận được khi bộ thu làm việc từ ngày thứ n91trong năm (ngày 01/04 - April, 1st) đến ngày làm việc thứ 270trong năm(ngày 30/09 - Sept, 30th) là:
2
1
n 270
n
n 91
, với S là tổng lượng bức xạ mà bề mặt hấp thụ n của bộ thu hấp thụ được của ngày làm việc thứ n trong năm
Trong một ngày với thời gian làm việc từ 9h00 - 15h00 tương ứng với góc thời gian thay đổi từ đến 1 ta có lượng bức xạ nhận được trong một ngày làm việc thứ n 2 là:
2
1
n b b( ,n ) b( ,n ) d d b d r d
S I R ( ) I R (I I ).R ( ) d
2 2
n b b ( ,n ) b( ,n ) d d b d r d
S S I R ( ) I R (I I ).R ( ) d
Góc thời gian được tính qua thời gian biểu kiến LAT qua biểu thức sau:
LAT = Thời gian chuẩn 4.(Kinh độ chuẩn của múi giờ - Kinh độ của địa điểm khảo sát) + gia số hiệu chỉnh thời gian
Ta có thể bỏ qua gia số hiệu chỉnh trên vì sai số do việc bỏ qua này có thể chấp nhận được
Kinh độ của địa điểm khảo sát là 105 0 46’21’’E= 105,7725 0, do đó kinh độ chuẩn
tương ứng là 105 0 E Thay vào và lấy dấu “ - ” trong biểu thức trên do kinh độ của ta là
Trang 7kinh độ đông(East) Ta có lần lượt các giá trị của thời gian biểu kiến lúc bộ thu bắt đầu
và kết thúc quá trình làm việc trong một ngày là:
Thời gian biểu kiến lúc bắt đầu làm việc LATbđ là:
0 bd
LAT 9h00'00'' 4.(105 105,7725)9h00' 3,09' 8h56'54,6''.
Thời gian biểu kiến lúc kết thúc làm việc LATkt là:
0 kt
LAT 15h00'00'' 4.(105 105,7725) 15h00' 3,09' 14h56'54,6''.
Tính giá trị của góc thời gian tương ứng và 1 được thể hiện như trong hình 1 dưới đây:
0 2
0 1
44,739
n 91 45,261
S S I R ( ) I R (I I ).R ( ) d
Để tính giá trị của biểu thức trên ta thực hiện việc tính giá trị của nhiệt lượng bề mặt tấm hấp thụ thu dược trong ngày thứ n là:
44,739
n b b ( ,n ) b( ,n ) d d b d r d 45,261
sau đó thực hiện vòng lặp For để tính tổng các giá trị của S tương ứng từ ngày 91 đến n ngày 270
Trong biểu thức trên ta nhận thấy I ; I là các hằng số đã cho giá trị cụ thể ở trên b d
và R ; R là các tham số đối với , chúng được xác định qua các biểu thức sau: d r
1+Cos 1 Cos
R = ; R
trong đó hệ số kể đến phản xạ của môi trường có thể lấy là
Với ngày khảo sát là ngày thứ n trong năm thì góc vĩ độ mặt trời tương ứng là:
360
23, 45.Sin (284 n)
365
, độc lập với nên trong biểu thức trên đóng vai trò là
tham số
Vì vậy thành phần trực xạ trên mặt phẳng nghiêng là: b( ,n )
Z
Cos R
Cos
Do bộ thu
được lắp quay về hướng chính nam( 00) nên
Z
b( ,n )
Cos Sin Sin( ) Cos Cos Cos( ); Cos Sin Sin Cos Cos Cos
Sin Sin( ) Cos Cos Cos( )
Sin Sin Cos Cos Cos
Trang 8 Tích số truyền hấp thụ tính cho thành phần có hướng được tính như sau:
Có góc khúc xạ của tia bức xạ khi đi vào lớp kính chắn là:
Sin n
1,5 Arsin(1/1,5.Sin( )) Sin n
Hệ số phản xạ tương ứng của 2 thành phần phân cực là:
I Sin ( 2 1) / Sin ( 2 1); II tg ( 2 1) / tg ( 2 1)
Do đó:
;
1 (2M 1) 1 3 1 (2M 1) 1 3
Do đó:
r rI rII
2 2 1 3 1 3 2.(1 3 ).(1 3 )
Với hai lớp kính chắn giống nhau về chiều dày, chiết suất và hệ số suy giảm nên:
2 K / Cos 2 K / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin( )) l
a b
I
I
Với: 3 -1 0,18 / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin( 1 ))
c 6mm 6.10 m; K=15m a e
Có: a. r, với bề mặt tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ là: Có p 0,95 Ta có tích
b( ,n )
1 (1 ) 1 (1 ) .(1 )
, thay các giá trị
của avà rbởi các biểu thức ở trên ta có b ( ,n ) là một hàm của biến với các tham số là ;n;
Tích số truyền hấp thụ tính cho thành phần vô hướng để cho đơn giản ta coi là thành phần có hướng với góc tới của tia bức xạ là 1 600 Lúc đó ta có:
0
2 Arsin(1/1,5.Sin( ))=Arsin(1/1,5.Sin(60))=35,26 1
Hệ số phản xạ tương ứng của 2 thành phần phân cực là:
I
II
Sin (35, 26 60) / Sin (35, 26 60) 0,177;
tg (35, 26 60) / tg (35, 26 60) 1,8.10
Do đó:
3
1 (2M 1) 1 3.0,177 1 (2M 1) 1 3.1,8.10
Do đó:
r rI rII
1 ( ) 0,5.(0,538 0,993) 0, 766
2
Với hai lớp kính chắn giống nhau về chiều dày, chiết suất và hệ số suy giảm nên:
c c 2
2 K / Cos 2.6.10 15 / Cos35,26 l
a b
I
I
Trang 9Với bề mặt tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ là: Có p 0,95 Ta có tích số truyền hấp thụ tính cho thành phần vô hướng là:
d
0,802.0, 766.0,95
0,589
1 (1 ) .(1 ) 1 (1 0,95).0,802.(1 0, 766)
Như vậy tất cả các đại lượng trong biểu thức:
44,739
n b b ( ,n ) b( ,n ) d d b d r d
45,261
trên, ta thực hiện việc tính tích phân trên với biến số là , các thông số còn lại đóng vai
trò là tham số Bằng cách sử dụng công cụ hỗ trợ toán học là MatLab version 7.6.0 ta
xây dựng code và giải như sau:
syms I_b R_b I_r alpha lamda_c % Cac thong so ve bo thu
syms ro_1 ro_2 To_r1 To_r2 To_r To ro To_alphan_b To_alpha_d
syms phi sun_phi beta teta teta_2 omega omega_1 omega_2 % Cac thong so ve lap dat
syms n n1 n2 % Cac thong so ve che do lam viec
syms d_S S_n S_tong result % Cac dai luong tinh toan ve buc xa hap thu duoc
omega_1=45.261*pi/180; % Goc thoi gian bat dau lam viec trong ngay(09h00 =
08h56'55''LAT)
omega_2=-44.739*pi/180; % Goc thoi gian ket thuc lam viec trong ngay(15h00 =
14h56'55''LAT)
phi=20.96*pi/180; %Vi do noi dat bo thu(20o58'00''N= +20,96degree)
n1=91; % Ngay lam viec dau tien trong nam(01/04- Apr, 1st)
n2=270; % Ngay lam viec cuoi cung trong nam(30/09- Sept, 30th)
I_b=665; %Gia tri cuong do buc xa cho theo thanh phan truc xa
I_d=230; %Gia tri cuong do buc xa cho theo thanh phan tan xa
ro=0.6; %He so phan xa cua moi truong xung quanh lay la 0.6
K=15; % He so suy giam cua kinh la K=15m-1
M=2; % So lop kinh chan la M=2
lamda_c=0.006; % Chieu day lop kinh chan la lamda_c=6mm=0.006m
alpha=0.95; % He so hap thu cua be mat tam hap thu
S_tong=0
for n=91:1:270
sun_phi=23.45*sin((284+n)*360/365)*pi/180;
teta=acos(sin(sun_phi)*sin(phi-beta)+cos(sun_phi)*cos(omega)*cos(phi-beta)); R_b=(sin(sun_phi)*sin(phi-beta)+cos(sun_phi)*cos(omega)*cos(phi-beta))
/(sin(phi)*sin(sun_phi)+cos(phi)*cos(sun_phi)*cos(omega));
R_d=0.5*(1+cos(beta));
R_r=ro*0.5*(1-cos(beta));
teta_2=asin(sin(teta)/1.5);
ro_1=(sin(teta_2-teta)/sin(teta_2+teta))^2;
To_r1=(1-ro_1)/(1+3*ro_1);
ro_2=(tan(teta_2-teta)/tan(teta_2+teta))^2;
To_r2=(1-ro_2)/(1+3*ro_2);
To_r=0.5*(To_r1+To_r2);
To_a=exp(-M*lamda_c*K/cos(teta_2));
To= To_r*To_a;
To_alpha_b=(To_a*To_r*alpha)/(1-(1-alpha)*To_a*(1-To_r));
To_alpha_d=0.589;
%d_S=I_b*R_b*To_alpha_b%+(I_d*R_d+(I_b+I_d)*R_r)*To_alpha_d
%S_n=int(teta,omega,omega_1,omega_2)
%S_tong=S_tong+S_n;
end
ezplot(S_tong,[0 pi/2])