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 TỐN 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 khơng 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 Cơng nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính 28 2.2.2.1 Hệ thống sấy khơ 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 Cơng 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 cơng 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 TỐN HIỆU SUẤT VÀ CÁC THƠNG SỐ BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ MÁNG PARABÔN 4.1 Các giới hạn 67 4.2 Lập chương trình tính tốn 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 tốn đánh giá ảnh hưởng số yếu tố kết cấu thời tiết đến hiệu suất thu nhiệt mặt trời kiểu hội tụ’ cơng trình nghiên cứu tơi, 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 cơng 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 – Mơi trường khơng khí bao quanh b : beam - trực xạ c : cover - Ống thuỷ tinh bao quanh : convection - đối lưu d : diffuse -Nhiễu xạ e : external – bên ngồi khơng 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 parabơn 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 parabơn 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 parabơn 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 cơng 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 Ngun lý hiệu ứng nhà kính Hình 2 Một thiết bị sấy nơng sản Hình Cấu tạo collecctor Hình Sơ đồ cấu tạo bình nước nóng dạng ống chân khơng 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 cơng 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 cơng nghệ máng parabơn 10 20 Hồng Dương Hùng (2007), Nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị lượng Mặt Trời hộ gia đình vùng nơng thơn, miền núi thành phố Đà Nẵng, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đà Nẵng 21 Trần Công Minh (2007), Khí hậu khí tượng đại cương, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội 22 PGS.TS Đặng Đình thống Lê Danh Liên (2006), sở lượng tái tạo, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 101 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 khơng khí khơ 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 CO 390 ppmv Hiđrô 0,55 ppmv Neon 18,18 ppmv Khơng khí ẩm thường có thơng 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 Ơn đới (mùa đơng) 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 khơng 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