PHÂN TÍCH EXERGY TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI

BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH EXERGY TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI MÔN HỌC : NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GVHD : PGS-TS NGUYỄN THẾ BẢO HV : NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN MSHV : 2070339 Tp.Hồ Chí Minh – 2021 2 MỤC LỤC PHẦN 1 – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................ 3 1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY ........................ 3 1.2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................................... 3 1.2.2. Exergy ................................................................................................................................. 5 1.2.3. Phương pháp phân tích exergy ................................................................................... 7 1.2.4. Exergy và sự phát triển bền vững ............................................................................. 10 1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI........................................................................ 15 1.2.1. Các góc mặt trời ............................................................................................................. 17 1.2.2. Bức xạ mặt trời ............................................................................................................... 20 1.2.3. Bộ thu năng lượng mặt trời ........................................................................................ 21 1.2.4. Bộ thu ống chân không ................................................................................................ 26 PHẦN 2 – TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHÔNG .............................................. 30 2.1 TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I ........................................ 31 2.2 PHÂN TÍCH EXERGY THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II ............................................. 33 2.3 NHẬN XÉT KẾT QUẢ ............................................................................................................. 33 2.4 BÀI TÍNH THAM KHẢO .......................................................................................................... 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................... 40

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH EXERGY TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI MƠN HỌC : NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GVHD : PGS-TS NGUYỄN THẾ BẢO HV : NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN MSHV : 2070339 Tp.Hồ Chí Minh – 2021 MỤC LỤC PHẦN – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY 1.2.1 Đặt vấn đề 1.2.2 Exergy 1.2.3 Phương pháp phân tích exergy 1.2.4 Exergy phát triển bền vững 10 1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 15 1.2.1 Các góc mặt trời 17 1.2.2 Bức xạ mặt trời 20 1.2.3 Bộ thu lượng mặt trời 21 1.2.4 Bộ thu ống chân không 26 PHẦN – TÍNH TỐN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHÔNG 30 2.1 TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I 31 2.2 PHÂN TÍCH EXERGY THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II 33 2.3 NHẬN XÉT KẾT QUẢ 33 2.4 BÀI TÍNH THAM KHẢO 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHẦN – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY 1.2.1 Đặt vấn đề Đánh giá hiệu sử dụng lượng theo định luật nhiệt động I Định luật nhiệt động lực học thể nguyên tắc bảo tồn lượng Năng lượng không tạo không bị phá hủy, theo đó, tổng lượng hệ kín ln bảo tồn, khơng đổi thay đổi từ dạng sang dạng khác Hình 1: Sự bảo toàn lượng theo định luật nhiệt động I Đối với hệ hở, lượng đầu khác lượng đầu vào chứng tỏ nội hệ thay đổi Hình Từ đưa đến khái niệm hiệu suất nhiệt hệ thống này, tức khả sử dụng hiệu lượng hệ: 𝜂= 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 Tuy nhiên, ta thấy định luật nhiệt động I mang tính định lượng mà chưa thể chất lượng hay nói cách khác mức độ sử dụng nguồn lượng khảo sát Ta lấy ví dụ cụ thể để hiểu rõ vấn đề Hình Khảo sát bình đun nước siêu tốc có cơng suất 1kW, mặt số lượng, tổng lượng đầu vào tổng lượng đầu 1kW điện hoàn toàn biến thành 1kW nhiệt làm cho nước sơi, hiệu suất nhiệt bình 100% Tuy nhiên, theo chiều hướng ngược lại, ta dùng 1kW nước sôi để biến ngược lại thành 1kW điện ban đầu Rõ ràng, mặt chất lượng, 1kW điện ban đầu có giá trị cao hơn, ta dùng điện để chạy thiết bị sử dụng điện máy quạt, bếp điện, tủ lạnh, tivi…, đó, nước sơi để pha trà, nấu mì gói… Từ ví dụ này, ta thấy tổng lượng hệ thống không thay đổi, khả sử dụng bị giảm Việc đánh giá chất lượng lượng đưa ta đến khái niệm exergy (hay availability) 1.2.2 Exergy Exergy hệ A: lượng cơng lý thuyết lớn nhận cho hệ A biến đổi từ trạng thái khảo sát đến trạng thái chết (Dead state) Dead state – trạng thái chết: trạng thái cân nhiệt với môi trường xung quang hệ khảo sát Phân loại exergy: - Exergy vật lý (Physical exergy) - Exergy hóa học (Chemical exergy) - Exergy động (Kinetic exergy) - Exergy (Potential exergy) - Exergy nhiệt (bao gồm vật lý hóa học) Hình 4: Bốn loại exergy nhiên liệu Hình 5: Exergy nước Hình 6: Viên đạn bay với tốc độ cao có khả sát thương lớn 1.2.3 Phương pháp phân tích exergy Trở lại hình vẽ trên, lúc lượng đầu vào lượng đầu phân thành hai phần: exergy anergy Hình Exergy phần lượng sử dụng được, anergy phần lượng vơ ích Lúc này, hiệu sử dụng lượng đánh giá hiệu suất nhiệt động II 𝜂 = 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 Exergy  Q(1  Anergy  Q( To ) Th To ) Th  To      Qu Tu    To      Qs  Ts  Ở đầu ra, phần exergy bị sụt giảm lượng gọi irreversibility Irreversibility: lượng tổn thất exergy ~ lượng exergy bị phá hủy tồn tính khơng thuận nghịch hệ thống khảo sát I = Ex1 – Ex2 Hình 8: Sự khơng thuận nghịch q trình Ví dụ vài yếu tố không thuận nghịch gây nên tổn thất exergy:  Ma sát (trong chuyển động)  Nhiệt trở (trong truyền nhiệt)  Điện trở (trong thiết bị điện)  Tổn thất áp suất (môi chất chuyển động đường ống, thiết bị) … Hình 9: Ma sát Hình 10: Quả banh ném xuống nảy lên dần dừng lại ma sát truyền nhiệt với bề mặt tiếp xúc Như vậy, với phương pháp phân tích exergy ta có nhìn tổng quan, xác định việc sử dụng lượng có hiệu khơng, từ xác định chỗ cần cải tiến, nâng cao kĩ thuật để tối ưu hóa hiệu 1.2.4 Exergy phát triển bền vững Các nguồn lượng có tầm ảnh hưởng quan trọng tới sinh tồn phát triển xã hội Vì thế, việc sử dụng lượng phải hợp lý hiệu để tạo tiền đề cho phát triển bền vững người Các phương pháp phân tích exergy ngày thể quạn trọng chúng hữu ích việc cải thiện hiệu suất Các môi liên hệ exergy với lượng mơi trường chứng tỏ exergy có liên quan trực tiếp đến phát triển bền vững Khi phân tích exergy, ta quan tâm đến tổn thất exergy, chỗ cần phải cải tiến để giảm lãng phí lượng Tuy nhiên hệ thống, việc giảm tổn thất exergy chỗ làm tăng exergy chỗ khác Cho nên, ta phải có nhìn tổng thể, xem xét quy mơ hệ thống để có giải pháp hợp lý Trong kỹ thuật, sơ đồ lưu lượng thường sử dụng để mơ tả dịng lượng exergy qua q trình Hình 11: Dịng lượng eexergy nồi 10 Hình 32 1.2.4 Bộ thu ống chân không Ống chân không làm từ hai ống kính suốt, phần hút hết khơng khí tạo mơi trường chân khơng hoàn toàn để loại bỏ trao đổi nhiệt đối lưu dẫn nhiệt Vì ống chân khơng có nhiệt độ làm việc cao hiệu suất làm việc lên tới 72% Để trì độ chân khơng hai ống kính người ta sử dụng chất thu khí barium Khi chế tạo ống chân khơng chất thu khí đưa vào nhiệt độ cao hình thành lớp phủ barium đáy ống Lớp barium hấp thụ khí CO, CO2, N2, O2, H2O H2 ống chân không bảo quản vận hành, giúp trì độ chân khơng ống Lớp barium chất thị cho tình trạng ống chân không Lớp barium màu bạc chuyển sang màu trắng chân không Điều dễ dàng nhận biết ống cịn làm việc tốt hay khơng 26 Hình 33 Hình 34 Để tính nhiệt lượng hữu ích thu, ta vào tính toán thành phần sau Dự tính nhiệt lượng trung bình vào ống (q, W/ống) Tính phần đây, để kết η1 η2 , so sánh kết chọn q để kết 𝜂 = 𝑄 𝐴𝑎 𝐼 27 𝑡̅ − 𝑡 𝜂 = 𝜂 +𝑎 𝐼 (𝑡̅ − 𝑡 ) +𝑏 𝐼 Tính cân lượng thu: 𝑄 𝑡̅ − 𝑡 𝜂 = =𝜂 +𝑎 𝐴𝑎 𝐼 𝐼 (𝑡̅ − 𝑡 ) +𝑏 𝐼 Trong đó: Aa – diện tích nhận xạ thu G – cường độ xạ mặt trời 𝑡̅ = 𝑡 𝑡 = + 𝑡 𝑞 +𝑡 𝐶𝑝 𝑚 - nhiệt độ trung bình thu - nhiệt độ nước khỏi thu η0 = 0.536, a = 0.824, b = 0.0069 Từ nhiệt độ nước vào tra thông số vật lý nước đường bão hòa Hệ số Reynolds phụ thuộc vào đường kính ống a0, a1, n hệ số quan hệ thứ 1, thứ thứ 3;  - góc nghiêng ống so với trục đứng; L – chiều dài nhận nhiệt ống; Pr – hệ số :Prandtl; Nud – hệ số Nuselt ( dựa vào đường kính ống); Grd – hệ số Grashof (dựa đường kính ống); 28 Grd* - hệ số Grashof phụ ( dựa đường kính ống); n – hệ số giãn nở nhiệt nước Qw – nhiệt lượng trung bình vào ống ( theo diện tích hấp thu) Kn – độ dẫn nhiệt nước;; ϑ – độ nhớt động học; Năng lượng hữu ích Qu: Qu_bộ thu = qw.Ntube.As-tube Trong đó: As-tube – diện tích nhận xạ ống Ntube – số lượng ống 29 PHẦN – TÍNH TỐN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHƠNG Trong báo cáo này, ta lấy thơng tin xạ mặt trời Tp.HCM để tính Xét thu ống chân khơng hình: Hình 35 Lấy số liệu thu theo ví dụ 3.2 trang 155 sách Giáo trình Năng lượng tái tạo & Sự phát triển bền vững ( Nguyễn Thế Bảo) • Dn = 34 mm – đường kính ngồi ống • W n = .Dn = 0,107 m – chu vi ống • L = 1,5 m – chiều dài ống • A = .Dn.L = 0,16 m2 – diện tích nhận nhiệt ống • N = 18 – số ống thu • Nhiệt độ nước vào thiết bị nhiệt độ môi trường: t in = ta = 30.7°C • Nhiệt độ tầng bình chứa: ts1 = 56.01°C, ts2 = 51°C, ts3 = 46.11°C Tính cường độ tổng xạ tới mặt phẳng nghiêng: Hướng nam: 30 γ = 0°,  = 15°,  = 20°, ω = 30° cos = cos.cos(ϕ-).cosω + sinϕ.sin(ϕ-) = 0.785 Rb = cos/cosz = 0,91 – hệ số chuyển đổi trực xạ Thành phần trực xạ tán xạ lúc 10h sáng ngày 21/5 Tp.HCM là: • Ib = 373,63 W/m2 – trực xạ • Id= 304,63 W/m2 – tán xạ • Cường độ tổng xạ tới mặt phẳng nghiêng: 𝐼 =𝐼 𝑅 + + cos  − cos  𝐼 +𝜌 𝐼 2 IT =641,58 W 2.1 TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I • Qs – Lượng xạ đến thu: Qs = A.IT.N = 0.16x641.58x18 = 1847.8 W • Dự tính nhiệt lượng trung bình vào ống q = 57 W/ống • Qu – Lượng nhiệt thu hấp thụ được: Qu = q.N = 57 x 18 = 1026 W • Tra nhiệt độ nước vào tin tính tốn hệ số Reynold: Red = 166.4 Lưu lượng khối lượng qua ống: m = 0.00232kg/s Nhiệt độ nước khỏi ống: t_out = 54.4°C 𝜂 = = 55.5% 𝜂 = 𝜂 +𝑎 ̅ +𝑏 ( ̅ ) = 51.8% η0 = 0.536, a = 0.824, b = 0.0069 Như vậy, hai hiệu suất chọn thực tế có chênh lệch 31 Ta lặp lại tính tốn với q = 55 W • Dự tính nhiệt lượng trung bình vào ống q = 55 W/ống • Qu – Lượng nhiệt thu hấp thụ được: Qu = q.N = 55 x 18 = 990 W • Tra nhiệt độ nước vào tin tính tốn hệ số Reynold: Red = 164 Lưu lượng khối lượng qua ống: m = 0.00229kg/s Nhiệt độ nước khỏi ống: t_out = 54.31°C 𝜂 = = 53.5% ̅ 𝜂 = 𝜂 +𝑎 +𝑏 ( ̅ ) = 51.9% η0 = 0.536, a = 0.824, b = 0.0069 Như vậy, hai hiệu suất chọn thực tế có chênh lệch Ta lặp lại tính tốn với q = 53.4 W • Qu – Lượng nhiệt thu hấp thụ được: Qu = q.N = 53.4 x 18 = 961.2 W • Tra nhiệt độ nước vào tin tính tốn hệ số Reynold: Red = 162 Lưu lượng khối lượng qua ống: m = 0.00226kg/s Nhiệt độ nước khỏi ống: t_out = 54.2°C 𝜂 = = 51.9% 𝜂 = 𝜂 +𝑎 ̅ +𝑏 ( ̅ ) = 51.9% Lúc này, kết giống nhau, giá trị q = 53.4 W hợp lý Qu = 961.2 W 32 • Lượng nhiệt thất • Qloss = Qs – Qu = 1847.8 – 961.2 = 886.6 W Hiệu suất truyền nhiệt thu tính theo định luật nhiệt động I: 1  Qu / Qs = 51.9% 2.2 PHÂN TÍCH EXERGY THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II • Exergy đến collector Exs = Qs.[1-(To/Ts)] = 1847.8 x (1-(303/5672)) =1749 W To = 30 + 273 = 303 K - nhiệt độ môi trường Ts = 5672 K - nhiệt độ bề mặt Mặt Trời (xem giống vật đen tuyệt đối) Tc = 60 + 273 = 333 K - nhiệt độ collector • Exergy hấp thụ collector Exu = Qu.[1-(To/Tc)] = 961.2 x (1 – 303/333) = 86.6 W • Lượng tổn thất exergy Iloss = Exs – Exu = 1662.4 W • Hiệu suất  II  Exu / Exs = 4.95% 2.3 NHẬN XÉT KẾT QUẢ Nhiệt – tới Nhiệt – nhận Tổn thất Hiệu suất Energy Qs = 1847.8 W Qu = 961.2 W Qloss = 886.6 W 51.9% Exergy Exs = 1749 W Exu = 86.6 W Iloss = 1662.4 W 4.95% 33  Theo bảng kết ta thấy, tính theo định luật nhiệt động I hiệu suất cao tính theo exergy lại thấp, loại thu ống chân không thật phù hợp lấy nhiệt để làm nóng nước  Lý hiệu suất exergy thấp xạ MT đến collector phân tán có mật độ dịng nhiệt thấp, nhiệt độ hấp thụ collector (lưu chất tải nhiệt) thấp, muốn tăng exergy cần phải tăng mật độ dịng nhiệt tới collector, ví dụ dùng collector tập trung…  Những yếu tố hệ thống có tính khơng thuận nghịch: nhiệt trở q trình truyền nhiệt xạ từ MT tới collector, (khí quyển, mây, nước bụi, lớp kính collector), nhiệt trở collector, nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu…  Khi đánh giá hiệu lượng trình cần quan tâm số lượng chất lượng lựa chọn nguồn lượng phù hợp với nhu cầu sử dụng 34 2.4 BÀI TÍNH THAM KHẢO Những tính tốn bên tính dựa vào tính hệ thống nhiệt mặt trời Bài tính tổng qt cho ngun hệ thống trình bày cơng thức tính tốn đưa kết Ta tham khảo đưa so sánh 35 36 37 38  Nhận xét: Phần tính tốn tiểu luận tính cho thu ống chân khơng, cịn báo tính cho dạng ống thu tập trung parabol Rõ ràng, nhờ tập trung xạ mặt trời máng parabol nên nhiệt nhận hệ thống lớn Từ đó, hiệu suất exergy tính tốn lớn so với thu ống chân khơng Vì thế, thu dạng máng sử dụng nguồn nước nóng để chạy máy phát điện, thu ống chân khơng dùng để làm nóng nước sinh hoạt 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thế Bảo – Giáo trình Năng Lượng Tái Tạo Sự Phát Triển Bền Vững – NXB Đại học Quốc gia TPHCM xuất 2018 Hồng Đình Tín – Lê Chí Hiệp, Nhiệt Động Lực Học Kỹ Thuật – NXB Đại học Quốc gia TPHCM xuất 2011 Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên – Cơ sở Năng lượng Tái tạo – NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội xuất 2006 Hồng Đình Tín – Bùi Hải, Bài Tập Nhiệt Động Lực Học Kỹ Thuật Truyền Nhiệt – NXB Đại học Quốc gia TPHCM xuất 2012 Lê Kim Dưỡng – Giáo Trình Bài Giảng Nhiệt Động Lực Học Kỹ Thuật – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Narendra Singh, S.C Kaushik, R.D Misra 2000 “Exergetic_analysis_of_a_solar_thermal_power system” Renewable Engergy 19(2000) 135-143 Soteris A Kalogirou, Sotirios Karellas, Viorel Badescu, Konstantinos Braimakis, “Exergy analysis on solar thermal systems: A better understanding of their sustainability” Renewable Energy 85(2016)13281333 IEA - Task38 - Solar Air - Conditionning & Refrigeration, “Exergy Analysis of Solar Cooling Systems”, SHC International Energy Agency 2010 José M_a P Sala Lizarraga, Ana Picallo-Perez ,“Exergy Analysis and Thermoeconomics of Buildings”, Elsevier 2020 10 John Twidell, Tony Weir, “Renewable Energy Resources”, Routledge 2015 40 ... cân nhiệt với môi trường xung quang hệ khảo sát Phân loại exergy: - Exergy vật lý (Physical exergy) - Exergy hóa học (Chemical exergy) - Exergy động (Kinetic exergy) - Exergy (Potential exergy) ... 1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY 1.2.1 Đặt vấn đề 1.2.2 Exergy 1.2.3 Phương pháp phân tích exergy 1.2.4 Exergy phát triển... 10 1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 15 1.2.1 Các góc mặt trời 17 1.2.2 Bức xạ mặt trời 20 1.2.3 Bộ thu lượng mặt trời 21 1.2.4 Bộ thu ống