Giáo trình nguyên lý kỹ thuật năng lượng mặt trời (bản dịch lưu hành nội bộ, xuất bản lần thứ nhất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY ĐIỆN VÀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÀ NỘI - 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất lần thứ nhất) Tác giả: D YOGI GOSWAMI, FRANK KREITH, JAN F KREIDER Biên dịch từ tiếng Anh: Bộ môn Thủy điện & Năng lượng tái tạo HÀ NỘI – 2017 LỜI NÓI ĐẦU Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo sinh viên hệ đại học chuyên ngành "Năng lượng tái tạo" Trường Đại học Thủy lợi c ngành liên quan, giảng viên Bộ môn Thủy điện Năng lượng tái tạo tiến hành Biên dịch sách từ tiếng Anh: D Yogi Goswami, Frank Kreith, Jan F Kreider (2000) Principles of Solar Engineering Chúng xin chân thành cảm ơn hợp tác, giúp đỡ, động viên từ quan liên quan, đồng nghiệp, bạn bè gia đình trình thực biên dịch Bản dịch xuất lần nên không tránh khỏi sai sót, kính mong nhận phản hồi ý kiến đóng góp xây dựng đọc giả Các ý kiến xin gửi về: Bộ môn Thủy điện Năng lượng tái tạo; Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Hà Nội; Chúng xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý giá quý đọc giả để sách hoàn thiện Bộ môn Thủy điện Năng lượng tái tạo MỤC LỤC Chương Giới thiệu chuyển đổi lượng mặt trời Chương Cơ sở xạ mặt trời .12 2.1 Tính chất vật lý mặt trời truyền tải lượng 12 2.2 Cơ sở xạ nhiệt .13 2.2.1 Bức xạ vật đen tuyệt đối .14 2.2.2 Bảng hàm xạ 15 2.2.3 Cường độ xạ hệ số hình dạng 18 2.2.4 Truyền Bức xạ qua Môi trường 21 2.3 Mối quan hệ hình học mặt trời trái đất 21 2.3.1 Thời gian góc mặt trời 28 2.3.2 Sơ đồ quỹ đạo mặt trời .37 2.3.3 Thước đo Bóng- Góc .38 2.4 Bức xạ mặt trời 41 2.4.1 Bức xạ mặt trời trái đất 43 2.5 Ước tính xạ mặt trời trái đất 45 2.5.1 Sự suy giảm Khí Bức xạ mặt trời 48 2.5.2 Bức xạ mặt trời vào ngày quang đãng .48 2.5.3 Bức xạ mặt trời lên mặt phẳng nghiêng 50 2.5.4 Mơ hình Ước tính Bức xạ Mặt trời Hàng tháng 54 2.6 Mơ hình dựa vào xạ mặt trời lên bề mặt ngang đo thời gian dài 59 2.6.1 Bức xạ mặt trời hàng tháng lên bề mặt nghiêng 59 2.6.2 Vòng quay mặt trời hay xạ mặt trời khuyếch tán dị hướng 63 2.6.3 Bức xạ mặt trời hàng ngày lên bề mặt nghiêng 64 2.6.4 Bức xạ mặt trời hàng lên bề mặt nghiêng .65 2.7 Đo lường xạ mặt trời 67 2.7.1 Tthiết bị đo lường xạ mặt trời nắng 67 2.7.2 Thiết bị dò cho thiết bị đo xạ mặt trời 71 2.7.3 Đo lường khoảng thời gian chiếu nắng 71 2.7.4 Đo lượng xạ mặt trời theo phổ 73 2.7.5 Đo lường phổ dải rộng .74 2.7.6 Dữ liệu xạ mặt trời 76 2.8 Lập đồ xạ mặt trời sử dụng liệu từ vệ tinh 76 2.8.1 Ước tính nguồn mặt trời từ liệu vệ tinh 78 Chương Các phương pháp thu biến đổi nhiệt mặt trời 83 3.1 Các tính chất xạ đặc tính loại vật 84 3.1.1 Các bề mặt chọn lọc 87 i 3.1.2 Các bề mặt phản xạ 87 3.1.3 Các vật liệu suốt 89 3.2 Các thu dạng phẳng 92 3.2.1 Các thu loại chẩt lỏng 92 3.2.2 Bộ thu loại khí 93 3.2.3 Các lớp kính .94 3.2.4 Sự cân lượng thu dạng phẳng .96 3.2.5 Phân tích nhiệt hấp thụ-bộ thu dạng phẳng 103 3.2.6 Nhân tố hiệu suất thu 106 3.2.7 Nhân tố khử nhiệt thu 108 3.2.8 Các hiệu ứng chuyển tiếp 112 3.2.9 Sự phân tích nhiệt thu dạng phẳng để làm mát không khí 115 3.3 Các thu lượng mặt trời hình ống 118 3.3.1 Các thu hình ống rút chân khơng 118 3.3.2 Phân tích nhiệt thu hình ống 120 3.4 Kiểm tra thử nghiệm thu 121 3.4.1 Các tiêu chuẩn kiểm tra thu nhiệt mặt trời 125 3.5 Các thu nhiệt mặt trời tập trung 126 3.5.1 Các giới hạn nhiệt động lực học trình tập trung 127 3.5.2 Các giới hạn quang tập trung 131 3.5.3 Sự chấp nhận xạ khuyếch tán 132 3.5.4 Các sơ đồ vẽ tia 132 3.5.5 Các loại tập trung 136 3.5.6 Các tập trung cố định 136 3.6 Bộ tập trung với khay hình parabol (PTC) 137 3.6.1 Phân tích quang học PTC 138 3.6.2 Các hiệu ứng tới khơng vng góc 145 3.6.3 Khả hoạt động nhiệt thu PTC .145 3.7 Các tập trung nhiệt mặt trời cong hai chiều 146 3.7.1 A Các tập trung hình parabol 146 3.7.2 Các tập trung hình cầu 150 3.7.3 Bộ tập trung hình parabol kép .154 3.7.4 Phân tích quang thu CPC 154 3.7.5 Khả hoạt động nhiệt thu CPC 158 3.8 Bộ thu có nhận trung tâm .161 3.8.1 Hệ thống kính định nhật 162 3.8.2 Bộ nhận 163 3.8.3 Bản thiết kế hệ thống gương 165 3.9 Các phản xạ Fresnel thấu kính 169 ii Chương Lưu trữ vận chuyển lượng nhiệt 181 4.1 Lưu trữ nhiệt (TES) 181 4.2 Các loại lưu trữ nhiệt 184 4.2.1 Lưu nhiệt cảm biến 184 4.2.2 Lưu nhiệt ẩn 186 4.2.3 Lưu lượng nhiệt hoá 186 4.3 Thiết kế hệ thống lưu trữ 188 4.3.1 Lựa chọn chất liệu 188 4.3.2 Thiết kế bình chứa 189 4.3.3 Thiết kế trao đổi nhiệt 190 4.4 Hệ thống phụ truyền lượng .194 4.4.1 Hệ thống ống dẫn .194 4.4.2 Giảm áp suất .194 4.4.2 Các trao đổi nhiệt 202 Chương Hệ thống làm nóng sử dụng lượng mặt trời 217 5.1 Các phép tính tải nhiệt nước nóng tồ nhà: 217 5.1.1 Tính tốn lượng nhiệt tiêu hao: .219 5.1.4 Phương pháp tính tải nhiệt nước nóng dùng cơng nghiệp: 227 5.2.2 Hệ thống dịng lưu thơng cưỡng bức: .232 5.2.3 Hệ thống cung cấp nhiệt qui trình cơng nghiệp 234 5.3.Hệ thống làm nóng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng: 234 5.3.1 Kết cấu hệ thống nhiệt lượng mặt trời chủ động 235 5.3.2 Hướng thu ánh nắng mặt trời: 237 5.3.3 Tỷ lệ dòng chất lỏng: .237 5.3.4 Bình chứa nhiệt: 238 5.3.5 Các phận khí khác: 240 5.3.6 Các thiết bị điều khiển hệ thống chất lỏng: 240 5.3.7 Các thiết bị tải hệ thống làm nóng lượng mặt trời dùng chất lỏng: 241 5.4 Hệ thống làm nóng khơng khí lượng mặt trời .244 5.4.1 Kết cấu hệ thống làm nóng: 244 5.4.2 Thiết kế thu ánh nắng mặt trời: 246 5.4.3 Tỷ lệ dòng chất lỏng: .246 Chương Quá trình làm lạnh hút ẩm sử dụng lượng mặt trời 247 6.1 Qúa trình làm mát làm lạnh khơng gian sử dụng lượng mặt trời .247 6.1.1 Các yêu cầu làm lạnh nhà 249 6.1.2 Chu trình nén 253 6.1.3 Điều hoà khơng khí hấp thụ .257 6.1.4 Phương trình Cân khối lượng 263 6.1.5 Hệ thống làm lạnh amoniac-nước 266 iii 6.2 Hút ẩm lượng mặt trời 272 6.2.1 Hệ thống làm mát sử dụng chất khử nước rắn 273 6.2.2 Hệ thống làm lạnh sử dụng chất làm lạnh lỏng 275 Chương Các biện pháp thụ động để đốt nóng, làm mát chiếu sáng tự nhiên 284 7.1 Giới thiệu: .284 7.1.1 Khái niệm “hệ thống thụ động” 284 7.1.2 Các ứng dụng nay: 284 7.1.3 Cơ sử kinh tế hệ thống thụ động: 285 7.2 Hệ thống làm nóng thụ động: 285 7.2.1 Các kiểu hệ thống làm nóng thụ động: 285 7.2.4 Cấp độ thứ nhất: Các qui tắc bản: 290 7.2.5 Cấp độ thứ hai: Phương pháp LCR 292 7.2.6 Cấp độ thứ ba: Cơng thức tính SLR 293 7.3 Hệ thống làm mát không gian thụ động 295 7.3.1 Kiểm soát lượng mặt trời đầu vào: 295 7.3.3 Làm mát phương pháp bay hơi: 298 7.3.4 Hệ thống làm mát ban đêm: 298 7.3.5 Làm mát tiếp cách tiếp xúc với mặt đất (hoặc làm nóng) .300 7.4 Các sở cho việc chiếu sáng tự nhiên: .304 7.4.1 Tính kinh tế chiếu sáng tự nhiên: 304 7.4.2 Các sở cho thiết kế chiếu sáng tự nhiên: 306 7.4.3 Các phương pháp thiết kế: .308 7.4.4 Phương pháp lumen chiếu sáng bên: .308 7.4.5 Phương pháp tính lumen cho ánh sáng bầu trời: .314 Chương Năng lượng nhiệt từ mặt trời nhiệt trình 326 8.1 Lịch sử phát triển .326 8.2 Nhiệt q trình cơng nghiệp sử dụng lượng mặt trời 329 8.3 Những ví dụ hệ thống SIPH 333 8.3.1 SIPH cho ngành công nghiệp dệt may .337 8.3.2 Hệ thống SIPH cho trình chế biến sữa 339 8.4 Hoạt động lâu dài hệ thống SIPH .341 8.4.1 Hệ số cường độ lượng mặt trời giới hạn X 341 8.4.2 Khả sử dụng .342 8.4.3 Tính tốn mẫu 344 8.4.4 Khoảng thời gian thu (∆tc) 345 8.4.5 Vận hành hệ thống thu có lưu thời gian dài 346 8.5 Chương trình mơ hình máy tính TRNSYS 350 8.6 Nhiệt .350 8.6.1 Chu trình nước 350 iv 8.6.2 Các thiết bị nhà máy điện nước 359 8.6.3 Lựa chọn dòng sinh công 361 8.7 Các ví dụ nhà máy nhiệt điện chu trình nước dùng lượng mặt trời .363 8.7.1 Nhà máy điện dùng mặt thu lõm hình parabol 363 8.7.2 Hệ thống thu trung tâm 364 8.7.3 Các hệ thống chảo hình parabol .368 8.8 Chu trình Stirling .370 8.8.1 Nhiệt động học chu trình Stirling 372 8.8.2 Pittông truyền động luân chuyển 375 8.8.3 Các động dùng pittông tự hay động học 377 8.8.4 Những ví dụ hệ thống phát điện Stirling lượng mặt trời 377 8.8.5 Những thành tựu gần phát triển chu trình nhiệt điện từ lượng mặt trời .381 8.9 Chưng cất nước muối dùng lượng mặt trời 386 8.10 Hồ lượng mặt trời phi đối lưu .392 8.10.1 Lời giới thiệu 392 8.10.2 Các tiêu chuẩn ổn định hồ mặt trời 394 8.10.3 Hoạt động nhiệt hồ mặt trời .395 Chương Quang điện 400 9.1 Chất bán dẫn 400 9.1.1 Lớp chuyển tiếp p-n 403 9.1.2 Hiệu ứng quang điện 404 9.2 Phân tích pin quang điện 408 9.2.1Hiệu suất pin mặt trời 413 9.2.2 Pin mặt trời nhiều lớp chuyển tiếp 414 9.2.3Thiết kế hệ thống quang điện .415 9.3 Sản xuất pin mặt trời 419 9.3.1 Pin đơn tinh thể đa tinh thể 419 9.3.2 Silicon vơ định hình chế tạo màng mỏng nhiều lớp chuyển tiếp 424 9.4 Thiết kế lắp đặt quang điện xa 424 9.4.1 Ước tính tải định thời tải .425 9.4.2 Ước tính xạ mặt trời dùng 427 9.4.3 Điều chỉnh kích thước hệ thống PV 427 Chương 10 Ứng dụng quang hóa mặt trời .435 10.1 Phản ứng quang xúc tác 435 10.2 Phản ứng khử độc dùng quang phân mặt trời 439 10.3 Lò phản ứng mặt trời .439 10.3.1 Lò phản ứng tập trung 440 10.3.2 Lị phản ứng khơng tập trung 441 10.3.3 Lò phản ứng kim loại phẳng 442 v 10.3.4 Lò phản ứng dạng ống 443 10.3.5 Bể mặt trời nông .443 10.3.6 Màng trượt 446 10.5 Chiếu sáng có ích 452 10.6 Phát triển chất xúc tác 453 10.7 Phương pháp thiết kế hệ thống 454 10.7.1 Nghiên cứu xử lý phịng thí nghiệm .455 10.7.2 Kiểu hoạt động thiết bị xử lý 455 10.7.4 Diện tích lị phản ứng .456 10.7.5 Tuổi thọ chất xúc tác 459 10.8 Khử độc khí dùng quang xúc tác 459 10.8.1 Lị phản ứng quang hóa 459 10.9 Các ứng dụng thương mại/công nghiệp .460 10.10 Khử trùng nước khơng khí dùng mặt trời .463 10.11 Tổng kết .463 Chương 11 Thu lượng mặt trời qua sinh khối 465 Giới thiệu .465 11.1 Nguyên liệu sinh khối 465 11.1.1 Vật chất thải 465 11.1.2 Cây lượng 467 11.1.3 Đặc tính quan trọng sinh khối 468 11.2 Tính tốn nhiệt động lượng sinh khối 475 11.2.1 Cân khối lượng 475 11.2.2 Cân lượng 478 11.2.3 Hiệu suất nhiệt động .483 11.3 Chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu dạng khí 484 11.3.1 Phân hủy yếm khí 484 11.3.2 Khí hóa nhiệt 486 11.4 Nhiên liệu lỏng từ sinh khối 489 11.4.1 Lên men ethanol .489 11.4.2 Tổng hợp Metan phương pháp hóa học 491 11.4.3 Dầu nhiệt phân .492 11.4.4 Dầu thực vật 493 11.5 Chuyển đổi sinh khối thành điện 495 11.5.1 Năng lượng nước 495 11.5.2 Chu trình tuabin khí 497 11.5.3 Chu trình pin nhiên liệu 498 11.6 Đánh giá kinh tế 501 11.6.1 Nhiên liệu dạng khí 501 vi N Qs = ln ∏ X ini (12.26) i =1 Trong đó: ni lượng (số nguyên hay số nguyên) hệ số Công thức tương đương với công thức sau: Qs = ( a′ + n1 ln X ) + ( a2′ + n2 ln X ) + = A + n1 ln X + n2 ln X + (12.27) Có thể xác định hệ số ni phương pháp tính qui hồi sử dụng liệu gắn Qs vào Xi Mặc dù cơng thức logarit có số hệ số giới hạn có độ qui hồi khơng xác cơng thức tính theo đa thức hệ số ni cung cấp thơng tin thêm Nếu lấy vi phân phương trình (12.27) ta có: dQs = n1 dX dX + n2 + X1 X2 (12.28) Các hệ số Qs thay đổi thay đổi đơn vị biến số đọc lập Xi Vì vậy, hệ số vị trí thay đổi liệu đầu vào lại có tác động lớn Bài tốn 12.6: Một hàm sản xuất hệ thống sưởi sử dụng lượng mặt trời Chicago có dạng sau:   A 1/3  S 1/20   = Qs L 0,08 + ln  c       L   L     (12.29) Trong Ac diện tích thu nhận ánh sáng, L nhu cầu lượng hàng năm tính theo đơn vị 100 GJ S diện tích khối dự trữ Hãy tính lượng cung cấp Qs tăng lên tăng 1% kích cỡ khối dự trữ diện tích thu nhận ánh sáng tải lượng không đổi Đáp án: Giải phương trình (12.29) ta có: 1 23   Qs = L  0,8 + ln Ac + ln S − ln L  20 60   Nếu Ac hay S thay đổi sử dụng phép vi phân, ta có: = dQs L dAc L dS + Ac 20 S Vì tăng 1% diện tích thu nhận ánh sáng Ac (dAc/Ac = 0,01) = dQs 100.000 MJ ×= 0,01 333MJ Diện tích khối nhiệt tăng lên 1% ta có: dQ= s 100.000 × 0,01 = 50 MJ 20 527 Trong tốn này, tăng diện tích thu nhận ánh sáng lên đơn vị tăng khả cung cấp lượng lên lần so với khả cung cấp lượng tăng đơn vị diện tích khối nhiệt 12.5.3 Hàm số luỹ thừa: Hàm số lập nên từ tích luỹ thùa liệu đầu vào: N Qs = υo ∏ X iυi (12.30) i =1 Tương tự trên, tính vi phép phân tích qui hồi liệu đặc trưng Các số hàm sản xuất luỹ thừa tương tự với số biểu thức logarit số thể % thay đổi kết 1% thay đổi liệu nhập vào Có thể dễ dàng tính được: dQs dX i = ∑υi Qs Xi i =1 (12.31) Ngoài ra, tổng vi thể suất sinh lợi theo qui mô hệ thống lượng mặt trời Suất sinh lợi theo qui mô thay đổi kết Qs thay đổi đơn vị liệu đầu vào Xi Nếu N ∑ vi lớn suất sinh lợi theo qui mơ tăng lên, nhỏ giảm xuống i=1 cân Hàm sản xuất số: Thay tính hàm sản xuất thực nghiệm có cơng thức đóng phương pháp qui nạp sử dụng liệu làm hàm sản xuất dạng bảng Hàm dạng bảng khó tính tốn tay sử dụng máy tính để tính phép tính tối ưu Tuy nhiên khơng thể xác định trực tiếp suất sinh lợi theo phạm vi từ hàm sản xuất dạng bảng 12.5.2 Phương pháp luận tối ưu hố kinh tế 12.5.2.1 Phân tích phi phí biên: Kích cỡ tối ưu hệ thống lượng mặt trời phải giảm tới mức tối thiểu chi phí hàng năm lượng lượng mặt trời kết hợp lượng bổ sung Tổng chi phí hàng năm tính theo cơng thức: CT=Cy(Qs)+Ca(Qa) (12.32) Trong Ca(Qa) chi phí lượng khơng phải lượng mặt trời Cy(Qy) chi phí lượng mặt trời niên hố (phương trình (12.14)) Cả hai giá trị phụ thuộc vào lượng lượng cung cấp đựơc Điều luôn với hệ thống lượng mặt trời nguồn lượng khơng phải từ mặt trời Hình 12.3 minh hoạ đường cong tổng chi phí Các điều kiện sau lập đường cong chi phí chung: Chi phí lượng khơng phải từ mặt trời cao và/hoặc vị trí hệ số tải cao hệ số ánh nắng cao (đường cong 1); hệ thống lớn tối ưu hố Chi phí lượng kết hợp trung bình bản, lượng ánh nắng, nhu cầu (đường cong 2) 528 Chi phí lượng từ lượng mặt trời thấp và/ vị trí có hệ só tải hệ số ánh nắng thấp (đường cong 3); khơng có hệ thống lượng mặt trời tối ưu hố Cuối phần đề cập đến vấn đề giá lượng khơng phải từ mặt trời Hình 12.3: Các đường cong thể tổng chi phí hàng năm hệ thống sử dụng kết hợp lượng mặt trời lượng từ mặt trời M giá trị nhỏ Đường cong thể giá trị biên nhỏ Các biên giá trị lượng lượng mặt tròi lớn nhỏ cung cấp ứng dụng cụ thể (M3 giá trị diện tích thu nhận ánh sáng hay hệ thống thời điểm trưa) Lượng lượng mặt trời cung cấp Qs Tổng chi phí hàng năm hệ thống lượng sử dụng kết hợp lượng mặt trời lượng từ mặt trời Giá trị chi phí lượng khơng phải từ lượng mặt trời Ca(Qa) phương trình (12.32) chi phí nhiên liệu suốt thời gian sử dụng hệ thống niên hóa Chi phí khơng phí cho năm riêng lẻ suốt vòng đời hệ thống mà tổng chi phí vịng đời tính theo đơn vị đơla niên hoá hệ số thu hồi vốn CRF ( i ' , t ) Chi phí tính theo cơng thức giá trị thứ tư (phi lượng mặt trời) phương trình tính chi phí lượng mặt trời hàng năm niên hoá (phương trình 12.14) Trong phân tích nay, thường coi lượng Ce phương trình (12.14) chi phí lượng dự phịng tính theo giá trị đồng đơla năm giai đoạn phân tích Trong hầu hết phân tích kinh tế, lượng nhiên liệu mà lượng mặt trời thay giá trị tăng lên hàng năm chênh lệch giá nhiên liệu Tối ưu hố chi phí tính theo cơng thức sau: QT=Qs+Qa (12.33) 529 Trong QT tổng nhu cầu lượng hàng năm, Qs phần tải lượng mặt trời, Qa phần tải lượng phi mặt trời Có thể mở rộng phương trình (12.32) nhân tử Lagơrang λ: = CT C y ( Qs ) + Ca ( Qa ) + λ ( QT − Qs − Qa ) (13.34) Cần phải tìm điểm ổn định phương trình (12.34) điểm mà dCT = = dCT dC y dQs dQs + dCa = dQa + λ ( −dQa − dQ s) dQa (13.35) Do vi phân dQs dQa khơng giới hạn mà vi phân = , ta có: dC y dCa = = λ dQs dQa (13.36) Phương trình (12.36) cho thấy chi phí hàng năm nhỏ điểm mà chi phí lượng biên Điều có nghĩa nên tiếp tục đầu tư vào hệ thống lượng mặt trời điểm mà đồng đơla cuối đầu tư vào tạo khoản tiết kiệm lượng phi mặt trời trị giá $1 Hình 12.4 minh hoạ phân tích dạng biểu đồ Tại điểm mà đường cong tổng chi phí cho lượng mặt trời lượng từ mặt trời có độ dốc chi phí biên với chi phí hệ thống lượng tối ưu.* (*Nếu có nguồn ngân sách mức giới hạn khơng đạt tiêu chi phí biên Trong trường hợp nên sử dụng toàn khoản ngân sách) Tại điểm A B hình 12.4 nguồn lượng mặt trời có chi phí thấp nguồn lượng khơng phải từ mặt trời Vì điểm A B người chủ hệ thống lượng mặt trời tiết kiệm lượng mặt trời lượng phi mặt trời so với sử dụng hoàn toàn lượng từ mặt trời Tại điểm M tiết kiệm nhiều chi phí Nếu mục tiêu sách kinh tế giảm thiếu mức sử dụng lượng phi mặt trời trả khoản tổng chi phí lượng hàng năm điểm thiết kế phải điểm B hình 12.4 Trong sách này, điểm M điểm có chi phí thấp thể trạng thái tiêu dùng ổn định hầu hết kinh tế phát triển điểm M coi điểm tối ưu Trong hình 12.4a, đường cong mặt trời không cắt hay không tiếp xúc với đường cong phi mặt trời khơng có khuyến khích việc sử dụng lượng mặt trời 530 Hình 12.4: Xác định kích cỡ hệ thống lượng mặt trời tối ưu: (a) tổng chi phí lượng hàng năm lượng mặt trời lượng khơng phải mặt trời; (b) đường cong chi phí biên cho lượng mặt trời lượng từ mặt trời thể kích cỡ tối ưu hệ thống giao điểm với đường cong chi phí biên Bài tốn 12.7 Một gia đình St, Joseph, MS có nhu cầu lượng hàng năm để sưởi ấm 70GJ Các mơ mơ hình máy tính cho ngơi nhà cho thấy hàm chi phí hàng năm cho hệ thống lượng mặt trời là: Cy=400-20Qs+0,4 Qs2 (20Ac>50m2) Nếu chi phí hàng năm hệ thống lượng mặt trời m2 $10, xác định kích cỡ tối ưu thu nhận ánh sáng Biết tổng nhu cầu lượng hàng năm 650GJ chi phí cho nguồng lượng phi mặt trời ca $8/GJ Đáp án: Hàm sản xuất lượng mặt trời Cy là: = C y c= 10 Ac y Ac Chú ý rằng: chi phí hàng năm cy = 10 dựa chi phí ban đầu ($150/m2) nhân tử hàng năm (0,0667) (phương trình 12.14) Áp dụng phương trình (12.44) (12.45) để tính hàm chi phí lượng phi mặt trời: = Ca ca ( QT − Qs ) ( = 650 − 35 Ac ) Tổng hàm chi phí CT là: CT = Cy + Ca = 10 Ac – 280 Ac + 5200 (12.53) Vi phân phương trình (12.53) cho giá trị vi phân = để xác định diện tích tối ưu dCT 280 = = 10 − dAc Ac ,opt 533 Giải biểu thức Ac,opt Ac ,opt = 196m Từ phương trình (12.52) ta tính lượng mặt trời tạo được: = Qs 35 = 196 490GJ Giá trị thể phần tải fs = fs 490 = 0, 75 % 650 Hình 12.5 minh hoạ đường cong tổng chi phí tốn với điểm có chi phí thấp Sẽ quan trọng xác định hàm chi phí hàm sản xuất sử dụng hai toán cho hệ thống cụ thể nhà cụ thể vị trí cụ thể Khơng thể sử dụng hàm sản xuất hệ thống xác định để phân tích hệ thống khác Vì khơng có tiên nghiệm hay phương pháp lý thuyết để tính tốn hàm sản xuất kỹ thuật nên hàm rút từ nghiên cứu mô đặc điểm nhiệt hệ thống mô tả chương đến chương 534 Hình 12.5 Các đường cong chi phí cho hệ thống lượng mặt trời sử dụng tốn Tổng chi phí tổng đường cong lượng mặt trời đường cong nhiên liệu 12.5.2.3 Các số kinh tế khác: Mặc dù vạch phương pháp thích hợp để lựa chọn kết cấu hệ thống lượng mặt trời tối ưu số trường hợp sử dụng số kinh tế Thwongf sử dụng phương pháp thời gian thu hồi vốn phương pháp tiếp cận thu nhập vốn đầu tư Tính tốn phương pháp dễ dàng thường hay sử dụng tính đơn giản hố chúng Tuy nhiên, số thường khơng đầy đủ khơng xác hai ngun nhân sau Thứ nhất, thời gian thu hồi vốn không đựoc xem thời gian giá trị đồng tiền Thứ hai, phương pháp phép đo lường đại lượng dịng tiền mà chúng 535 khơng thể tính khoản đơla cho chi phí hay lợi nhuận Ngồi ra, phương pháp thu hồi vốn khơng tính đến dịng tiền khơng nằm khoảng thời gian thu hồi vốn đưa cách nhìn phiến diện chuỗi thời gian tồn dòng tiền Do khoản đầu tư vào hệ thống lượng mặt trời khơng địi hỏi số năm cụ thể để toán nên khoản đầu tư dài hạn Không phải lúc khoản đầu tư ngắn hạn với tỷ lệ tiền lãi hấp dẫn Vì vậy, cần khoản tiền lãi lớn với tỷ lệ chiết khấu lớn để đầu tư vào hệ thống lượng mặt trời Hiệu thường không lớn khoản bù trừ tác động lạm phát lên thị trường đầu tư Nếu ngwời chủ hệ thống lượng mặt trời bán hệ thống trước thời gian chấp, phải chịu thua lỗ chưa thực hoá gian sử dụng hệ thống Đây chách nhìn khơng tồn diện tồ nhà có hệ thống lượng mặt trời có giá cao thị trường mà người chủ dễ dàng để thu hồi khoản vốn đầu tư trả dần Phương pháp tính chi phí lợi nhuận xác định lợi nhuận hệ thống lượng mặt trời khoảng thời gian ngắn thời gian chấp Các khoản toán hàng năm cho hệ thống lượng mặt trời thể lượng đơla khơng đổi (tuy nhiên, tín dụng thuế giảm xuống suốt vòng đời hệ thống) khoản toán cho nhiên liệu thể khoản đôla tăng lên liên tục thời gian lạm phát Do đến cuối vòng đời hệ thống, giá trị tính đơla lượng nhiên liệu tiết kiệm lớn nên năm đầu hệ thống lượng mặt trời khơng có hiệu chi phí Bù vào khoản thuế hệ thống lượng mặt trời lại giảm xuốngvà giảm nhiều năm đầu khoản toán tiền lãi chấp lớn Bài toán sau minh hoạ cho dòng tiềnhàng năm phương pháp tính lọi nhuận tiền mặt cho hệ thống lượng mặt trời Bài tốn 12.9: Hãy tính dịng tiền hàng năm cho hệ thống sưởi dùng lượng mặt trời khu dân cư hệ thống cung cấp trung bình 100 GJ/năm Chi phí ban đầu hệ thống $ 6500 người chủ khơng phải trả khoản thuế tài sản chịu giỏ thuế liên bang 25% Tỷ lệ lãi suất chấp im 10% vòng 15 năm khơng tính chi phí bảo trì bảo hiểm Chi phí nhiên liệu $5/GJ dự kiến tăng 12%/năm Hãy tính đồng đơla khơng phải đồng đơla cố định, so sánh chi phí hàng năm hệ thống lượng mặt trời hệ thống phi lượng mặt trời với công suất 100GJ/năm Đáp án: Sẽ lập bảng dòng tiền Khoản toán chấp hàng năm là: CRF (10%, 15 năm) x 6500 = $854,58 Chi phí cung cấp nhiên liêu cho cơng suất tồn tải năm 100 GJ x $5/Gj = $ 500/năm Tổng tăng lên 12%/năm Bảng 12.3liệt kê dòng tiền 10 năm chấp Qua bảng ta thấy người chủ khơng có khoản lợi nhuận xác thực (khoản tiết kiệm lượng từ mặt trời so với lượng mặt trời) năm thứ nhiên liệu tăng lên bù vào chi phí cố định hệ thống lượng hàng năm Trong vòng 1, năm không hiệu mặt kinh tế hệ thống lượng mặt trời bị loại bỏ nhiên liệu tăng lên Có thể thực phép tính để tính dịng tiền người chủ tính theo đồng đơla hành Nếu khơng đơn giản hố phép tính khơng thể thực phép tính dạng phân tích tổng quát để xác định ngưỡng sinh lợi hay thời gian toán 536 Nên ý khoản tiết kiệm từ chi phí nhiên liệu cách sử dụng hệ thống lượng mặt trời loại tiền lãi chịu thuế khoản đầu tư (hệ thống lượng mặt trời) Giá trị khoản tiết kiệm gấp hai lần giá trị tính đơla có từ việc đầu tư vào hệ thống lượng thông thường phải chịu khoản thuế thu hồi vốn (tối đa 50% Mỹ) Bảng 12.3 Dịng tiền hàng năm tốn trêna Chi phí lượng mặt trời hàng năm CRF x Cs,tot (1) Chi phí Thanh tốn Tín dụng lượng hệ mặt Chi phí nhiên liệu vốn trời thuế Vốn cịn Lãi suất cho hệ thống khơng imTincPk lại Pk imPk [(1)-(3)] [(1)-(5)] sử dụng lượng mặt trờib (2) (3) (4) (5) (6) 854,58 6500,00 650,00 204,58 162,50 692,08 500,00 854,58 6295,42 629,54 255,04 157,39 697,19 560,00 854,58 6070,38 607,04 247,54 151,76 702,82 627,20 854,58 5822,84 582,28 272,30 145,57 709,01 702,46 854,58 5550,54 555,05 239,53 138,76 715,82 786,76 854,58 5251,01 525,10 329,48 131,28 723,30 881,17 854,58 4921,53 492,15 362,43 123,04 731,54 989,91 854,58 4559,10 455,91 398,67 113,98 740,60 1105,34 854,58 4160,43 416,04 428,54 104,01 750,57 1237,98 854,58 3721,89 372,19 482,39 93,05 761,53 1386,54 a Tính theo đồng đơla hành, đồng đôla cố định Cột thể chi phí việc cung cấpphần tải lượng mặt trời (100GJ/năm) từ nguồn lượng mặt trời Khơng thể tổng chi phí việc làm nóng cho tồ nhà b Tóm lại, số kinh tế thời gian toán, lãi đầu tư hay ngưỡng sinh lợi số khơng đầy đủ xác để lựa chọn hệt thống lượng mặt trời tối ưu Các số phương pháp thu hút mặt trực giác tính đơn giản hố 12.5.2.4 Chi lượng từ mặt trời – Các phương pháp định giá lợi ích: Chi phí lượng thông thường để cung cấp phần nhu cầu lượng mà sử dụng lượng mặt trời không mang lại hiệu kinh tế chi phí với chi phí hệ thống lượng mặt trời Các ích lợi sử dụng lượng khơng phải lượng mặt trời có tác đọng lớn tới khả phát triển tương lai lượng mặt trời Có hai phương pháp định giá sử dụng rộng rãi Mỹ Phương pháp thứ tỷ lệ khối giảm làm cho chi phí (trên sở lượng đơn vị) giảm xuống với tỷ lệ tiêu 537 thụ lượng tăng lên Một phần nguyên nhân để sở cung cấp điện sử dụng tỷ lệ hệ số tải máy phát điện cao tiền lãi sở tăng lên đầu tư vốn cố định Phương pháp thứ hai chủ yếu có sở điện sử dụng tỷ lệ nhu cầu mức đỉnh điểm Tỷ lệ tỷ lệ giảm khối với chi phí bổ sung liên quan đến nhu cầu tháng cao điểm Thông thường, phần tỷ lệ nhu cầu hàng năm thời gian đỉnh điểm (50-70%) tính hố đơn tiêu thụ nhỏ tháng định không sử dụng lượng dịch vụ (utility based energy) Phần gọi nhu cầu hoá đơn khác với nhu cầu thực tế Một sở sử dụng tỷ lệ nhu cầu người sử dụng lượng thời gian đỉnh điểm đựơc cung cấp lượng thông qua công suất bổ sung cho thời gian cao điểm người phải toán khoản đầu tư vốn cho cơng suất phụ Các sở điện thường có khoản đầu tư vốn lớn họ sử dụng phương pháp định giá nhu cầu số vùng Mỹ để thu hồi vốn đầu tư Đối với hệ thống lượng mặt trời nhà lớn nhỏ sử dụng điện làm nguồn lượng dự phịng kiểu kết cấu tỷ lệ tạo nên khác biệt khoản đầu tư vào hệ thống lượng mặt trời hay đầu tư vào hệ thống lượng thông thường (để giảm nhu cầu thời gian đỉnh điểm) mà hai hệ thống có chi phí Bài tốn sau minh hoạ cân đối Bài tốn 12.10: Người chủ tồ nhà có nhu cầu sưởi ấm đỉnh điểm tháng 15,8 kW (54000 Btu/giờ) tổng nhu cầu 5600 kWh (19 x106Btu) mong muốn giảm hố đơn tiêu thụ Hãy so sánh tính kinh tế hệ thống lượng mặt trời có khả cung cấp ½ nhu cầu lượng sưởi ấm đỉnh điểm tháng 50$/tháng ( bao gồm khoản toán dần hệ thống lượng mặt trời, khoản thuế chi phí bảo trì) với hệ thống bảo tồn lượng(có lớp cách nhiệt điều khiển ) mà hệ thống giảm 1/3 mức tiêu hao nhiệt nhà Biết khoản tốn hệ thống bảo tồn lượng với khoản toán chấp lượng mặt trời, 50$/tháng Nhà cung cấp điện sử dụng phương pháp định giá theo nhu cầu thời gian đỉnh điểm mà chi phí nhu cầu thời gian đỉnh điểm 2,7 $/ tháng chi phí lượng 0,008$/kWh Đáp án : Chi phí lượng mặt trời tháng la: Chi phí nhu cầu = 15,8 x 2,7$ =42,66$ Chi phí điện = 5600 × 0, 008$ = 22, 4$ Chi phí chấp lượng mặt trời = 50$ Tổng chi phí hệ thống lượng mặt trời = 115,06$ Chi phí hệ thống bảo toàn lượng tháng 2là Chi phí nhu cầu = ( × 15,8) × 2, 7$ = 28, 44$ Chi phí điện = ( × 5600) × 0, 008$ = 29,87$ 538 Chi phí chấp bổ xung = 50$ Tổng chi phí hệ thống bảo tồn lượng = 108,3$ Trong tốn trên, vào tháng 2, chi phí hệ thống bảo tồn lượng chi phí lượng mặt trời sở có hệ thống bảo toàn lượng mua nhiều điện hệ thống lượng mặt trời Một phân tích kinh tế đầy đủ địi hỏi phải tính phép tốn xác định tổng chi phí cho năm.Ngồi ra, phải phân tích phương pháp cắt giảm cao điểm Như tập, so sánh tính kinh tế hệ thống bảo tồn lượng hệ thống lượng mặt trời với điện bổ xung định giá dựa vào sở khối giảm dần thay tính theo sở nhu cầu thời gian đỉnh điểm(xem ví dụ trước) Bài tốn cho thấy nhìn chung hệ thống lượng mặt trời có khả giảm mức tiêu thụ khơng thể giảm nhu cầu Chi phí mức tiêu thụ nhu cầu giảm xuống xác định quy mô hướng đầu tư Các phương pháp định giá khác xem xét.Ví dụ nguyên nhân để cân nhu cầu ban ngày đỉnh điểm sở định giá lượng “thung lũng” chi phí thấp so với lượng đỉnh điểm Có thể sử dụng phương pháp định giá theo thời gian ngày Điều dẫn đến việc phân bố lại tải ban ngày mạng lưới tiêu thụ để cân nhu cầu đỉnh điểm để sử dụng công suất tạo hệ số tải cao Phải công nhận hệ thống lượng mặt trời thay lượng có chi phí thấp có sẵn sở điện sử dụng phương pháp theo thời gian ban ngày Nếu không sử dụng lượng mặt trời hệ thống dự trữ đơn giản khoản đầu tư khoản đầu tư cho hệ thống lượng mặt trời hệ thống dự trữ lượng ngồi dự trữ để sử dụng thời gian cao điểm Vì vậy, xác định hiệu chi phí hệ thống lượng mặt trời so với tỷ lệ lượng ngồi thời gian cao điểm khơng phải so với tỷ lệ thời gian cao điểm Tóm tắt phương pháp luận việc tối ưu hố: Có thể tổng hợp phương pháp luận xác định kích cỡ tối ưu mô tả chương theo bước sau để đảm bảo xác định kích cỡ phù hợp cho hệ thống lượng mặt trời tối ưu chi phí Các bước sau: Lập hàng sản xuất kỹ thuật để giới hạn kích cỡ quan phận hệ thống lượng mặt trời Tính chi phí hàng năm cho kết cấu sử dụng phân tích dịng tiền chiết khấu Tính lượng cung cấp Qs hàm sản xuất biện pháp mơ hình hố hay sử dụng liệu thực nghiệm (xem chương đến chương 8) trời Thiết lập hàm sản xuất kỹ thuật cho lượng bổ sung khơng phải lượng mặt TÍnh tốn chi phí biên từ hàm sản xuất lượng mặt trời lượng mặt trời Phần tải nguồn lượng lượng mặt trời cung cấp khác khac tổng nhu cầu phần lượng mặt trời tối ưu Có thể tính chi phí biên số lượng đại số Bài tập: 539 12.1 Nếu chi phí phụ ban đầu hệ thống lượng mặt trời 5000$ Tính khoản tốn hàng năm tỷ lệ lãi suất 8% thời hạn chấp 15 năm 12.2 Một hệ thống lượng mặt trời hồ China, CA cung cấp lượng lượng hàng năm bảng Nếu chi phí hệ thống lượng mặt 195$/m2 tốn vịng 25 năm với tỷ lệ lãi suất 10%, so sánh đường cong tổng chi phí xác định hệ thống tối ưu chi phí Dầu nguồn nhiên liệu dự phịng có giá 7$/GJ, giá nhiên liệu tăng 8%/năm Diện tích thu nhận ánh sáng Năng lượng cung cấp (m2) (GJ) 100 336 150 444 200 531 250 612 300 673 400 791 500 856 600 915 (không ánh nắng) _ Tổng nhu cầu lượng hàng năm 1000GJ/năm 12.3 Tính giá trị khoản tốn 1000$ năm 2010 tỷ lệ chiết khấu 7% 12.4 Tính giá trị theo đồng đơla khoản toán 1000$ tập 12.3 tỷ lệ lạm phát 4%/năm 12.5 Tính lập bảng dòng tiền hàng năm liên quan đến hệ thống lượng mặt trời khoảng thời gian xuyên suốt 10 năm chi phí lượng mặt trời ban đầu 6000$ nếu: Tỷ lệ lãi suất = 9% Chi phí điện = 30$/năm tăng 10%/năm Thuế tài sản = Gói thuế thu nhập = 32% Chi phí bảo trì = ½%/ năm Giá phế thải = 50% chi phí ban đầu Nếu hệ thống lượng mặt trời tiết kiệm 550$/năm so với hệ thống nhiên liệu thơng thường (tăng 10%/năm), hệ thống có mang lại hiệu chi phí khơng? Hãy tính theo giá trị đồng đôla hành 540 12.6 Hệ số thu hồi vốn dựa khoản toán hàng tháng hàng năm khác Tính % chênh lệch cho khoản vay có lãi suất 8% vòng 20 năm 12.7 Lập hàm sản xuất dạng logarit cho hệ thống tập 12.10 Sử dụng phương pháp qui nạp hay phương pháp điểm biểu đồ bán logarit (plot on semi-log graph paper) 12.8 Hàm sản xuất hệ thống sưởi sử dụng nước Qs =12Ac0,6GJ/năm Chi phí hàng năm cho hệ thống lượng mặt trời 20$/mc2/ năm Nếu lượng thông thường có giá 9$/GJ nhu cầu lượng hàng năm 140 GJ, tính chi phí tối ưu cho diện tích thu nhận ánh sáng 12.9 Trong tốn 12.10 sở điện sử dụng tỷ lệ giảm khối thay sử dụng tỷ lệ nhu cầu cho biết tỷ lệ giảm khối sau 0-200 kWh 7,41$ 200-1000 kWh 0,03117$/ kWh 1000 kWh 0,02130$/ kWh cho biết tháng 2, hệ thống lượng mặt trời hay hệ thống lượng thông thường rẻ hơn? 541 ... LỢI NGUYÊN LÝ KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (Bản dịch Lưu hành nội bộ, xuất lần thứ nhất) Tác giả: D YOGI GOSWAMI, FRANK KREITH, JAN F KREIDER Biên dịch từ tiếng Anh: Bộ môn Thủy điện & Năng lượng. .. lượng mặt trời 377 8.8.5 Những thành tựu gần phát triển chu trình nhiệt điện từ lượng mặt trời .381 8.9 Chưng cất nước muối dùng lượng mặt trời 386 8.10 Hồ lượng mặt trời phi đối lưu. .. lý mặt trời truyền tải lượng Bản chất việc sản sinh lượng từ mặt trời câu hỏi chưa trả lời thỏa đáng Phép đo phổ xác nhận có mặt gần tất thành phần biết mặt trời Tuy nhiên, 80 phần trăm mặt trời