1. 2M ục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
4.2 Xylanh lực
Do yêu cầu giải nhiệt trong quá trình làm mát nên xylanh lực được chế tạo bằng nhôm hợp kim và được gia công các cánh tản nhiệt phân bố dọc theo chiều dài thân đểđảm bảo khảnăng thoát nhiệt tốt.
Trên xylanh lực, ngoài kích thước Ø70 dùng để lắp ráp với hộp truyền động còn một kích thước cần gia công đạt độ chính xác cao là đường kính trong của xylanh Ø65.
Hình 4.5 – Xylanh lực
4.3 C m piston lực và thanh truyền
Piston lực được chế tạo bằng thép C4η trên có các rãnh được gia công để lắp xéc –măng kín khí.
Thanh truyền piston lực phải được gia công chính xác lỗ Ø8 [9] sau này sẽ lắp
đ ng tâm với thanh truyền piston dịch chuyển.
Hình 4.6 – Cụm piston lực và thanh truyền
4.4 C m piston dịch chuyển và thanh truyền
Piston dịch chuyển được cải tiến để tích hợp bộ h i nhiệt bên trong làm cho kết cấu xylanh giãn nở đơn giản và dễ chế tạo hơn. Trên nắp piston dịch chuyển
được gia công các lỗ tạo đường dịch chuyển của không khí giữa hai xylanh.
Thanh truyền piston dịch chuyển được lắp đ ng tâm với thanh truyền piston lực và nối với thanh ngang của bộ truyền hình thoi.
Hình 4.7 – Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền
Hình 4.8 – Xylanh giãn nở
4.6 C m gối đ tr c và lăn
Gối đỡ được gắn vào nắp trước của hộp truyền động. Hai đầu gối được gia công với dung sai H8 [9] để lắp vòng ngoài lăn.
lăn sử dụng là loại đỡ chặn một dãy (ví dụ SKF 61900), đường kính vòng trong, vòng ngoài và bề rộng như hình 4.11.
Trục bánh răng được gia công với dung sai kθ [9] để lắp với vòng trong lăn.
Hình 4.9 – Gối đỡ trục
Hình 4.11 – lăn
4.7 B truyền hình thoi
Cặp bánh răng truyền động là loại răng thẳng có mô đun m = 1, chiều dày
vành răng = 10 mm, giữa có lỗ và rãnh then kích thước theo tài liệu [9].
Kích thước của các chi tiết trong bộ truyền hình thoi được xác định trong
chương 3.
Hình 4.12 –Bánh răng truyền động
Hình 4.14 – Thanh ngang
Hình 4.15 –Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling
1. Hộp truyền động 14. Bánh răng truỔền động
2. Xylanh lực 15. Gối đỡ trục
3. Thanh truyền piston lực 16. lăn
4. Thanh truyền piston dịch chuyển 17. Trục bánh răng
5. Nắp piston dịch chuyển 18. Nắp sau hộp truyền động
6. Bộ h i nhiệt 19. Piston lực
7. Piston dịch chuyển 20. Xéc - măng
8. Lông đền 21. Thanh nối
9. Bu lông M5 22. Nắp dưới hộp truyền động
10. Xylanh giãn nở 23. Bu lông lục giác M4 x 8
11. Thanh ngang piston lực 24. Bu lông lục giác M4 x 10
12. Thanh ngang piston dịch chuyển 2η. Lông đền phe
Ch ng 5
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
G NG PARABOL H I TỤ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
5.1 Tính toán thông số cho biên d ng g ng parabol
Theo [5], vật liệu chế tạo gương parabol phải có hệ số phản xạ ánh sáng cao, thích hợp nhất là nhựa metal acrylate (phản xạ 95 % ánh sáng), tuy nhiên lại khó
tìm và giá thành đắt. Do đó, có thể chế tạo gương parabol bằng vật liệu sau:
- Vật liệu chế tạo gương[10]: tấm nhôm hoặc inox
- Tiêu cự: f = 450 mm
- Hệ số phản xạ ánh sáng của vật liệu làm gương [10]: R = 0,8
- Cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất [2]: E = 1000 W/m2
Dựa vào các quá trình nhiệt động trong chu trình lý thuyết động cơ Stirling được trình bày trong cơ sở lý thuyết của luận văn,ta xác định được nhiệt lượng cần cung cấp cho môi chất công tác trong bu ng giãn nở trong một chu trình quay của
động cơ bao g m nhiệt lượng cung cấp trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2 – 3 và quá trình giãn nở đẳng nhiệt 3 – 4. Do đó, nhiệt lượng cần cung cấp cho môi chất công tác trong thời gian một giây là:
QE = (Q23 + Q34).n (5.1)
Kích thước ảnh tại tiêu cự của gương parabol được xác định theo công thức:
d = Df
b = 0,0093 . f ≈ 10-2. f (5.2)
Từđó suy rađược tiết diện của ảnh Ft.
Cường độ bức xạ cần thiết phải cung cấp cho bu ng giãn nởtrong thời gian một giây Etđược tính theo công thức (5.3):
Et= QE
Ft (5.3)
Với giá trị Et , E, R, Ft ta xác định được tiết diện hứng nắng của gương cầu parabol F theo công thức (5.4):
Fh = Ft . 1 +
Et E - 1
R (5.4)
Từ đó tính được đường kính của gương parabol cần thiết là 1354 mm. Để bù lại sai số do chế tạo, ta chọn đường kính gương parabol là 1η00 mm.
Do biên dạng parabol của gương khó có thể chế tạo chính xác nên ta có thể sử
dụng biên dạng gần đúng của gương bao g m 8 đoạn thẳng nối tiếp nhau (hình 5.1). Dựa vào đường kính gương vừa tìm được ta chia đều thành 8 phần bằng nhau và thế vào phương trình parabol y = x
2 4f , ta có bảng kích thước thiết kế: Bán kính x Chiều sâu y 0 0.00 0.00 1 93.75 4.88 2 187.50 19.53 3 281.25 43.95 4 375.00 78.13 5 468.75 122.07 6 562.50 175.78 7 656.25 239.26 8 750.00 312.50
5.2 Tính toán thông số ch t o g ng parabol
Hình 5.2 – Một phần biên d ng cung parabol
Hình 5.3 – Biên d ng khai triển cung parabol
Xét một phần cung parabol hình nón cụt (hình 5.2) với các kích thước tọa độ
(Xi , Yi) và (Xi+1 , Yi+1) được xác định theo bảng kích thước thiết kế. Chiều dài cung parabol Li+1được xác định theo công thức (5.5):
Li+1 = Xi+1-Xi 2+ Yi+1-Yi 2 (5.5)
Biên dạng khai triển cung parabol trên là một hình vành khăn (hình η.3) với bán kính lớn Ri+1được xác định theo công thức (5.6):
Ri+1 = Ri + Li+1 (5.6) Ri+1 Ri (Xi+1, Yi+1) (Xi, Yi) X Y
Và góc chắn cung của cung tròn lớn có bán kính Ri+1được tính theo công thức (5.7):
�i+1 = 2×π×Xi+1
Ri+1 (rad) (5.7)
Sau khi xác định được kích thước bán kính và góc chắn cung ta dễ dàng chế
tạo được hình vành khăn theo hình η.3 để tạo thành cung parabol trên hình 5.2.
5.3 K t qu tính toán trên MATLAB Bán kính X(i) mm Chiều sâu Y(i) mm Chiều dài cung parabol R(i) mm
Chiều dài cung tròn khai triển CV(i) mm Góc chắn cung tròn GOC(i) đ 0 0 0 0 0 0 1 93,75 4,88 93,88 589,00 359,51 2 187,50 19,53 188,76 1178,10 357,59 3 281,25 43,95 285.64 1767,10 354,47 4 375,00 78,13 385.43 2356,20 350,26 5 468,75 122,07 488.97 2945,20 345,12 6 562,50 175,78 597.01 3534,30 339,19 7 656,25 239,26 710.23 4123,30 332,64 8 750,00 312,50 829.20 4712,40 325,62 5.4 Kích th c ch t o g ng parabol
Ch ng 6
THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ
6.1 Khung đ g ng cầu parabol
Hình 6.1 –Khung đỡgương parabol
6.3 Chơn vƠ đ g ng
Hình 6.5 –Chân đế
Hình 6.6 –Sơ đ lắp ráp hệ thống
1. Khung đỡ gương 7. Bu lông M30 x 70
2. Ảương parabol 8. Đai ốc M30 x 70
3. Đếgương 9. Bu lông khóa M12
4. Chân đế 10. Bu lông khóa M10
η. Động cơ Stirling 11. Ảiá đỡđộng cơ
Ch ng 7
KẾT LUẬN 7.1 K t qu đ t đ c của đề tài
Kết quả nghiên cứu mà đề tài đạt được là mô hình hệ thống phát điện dùng
năng lượng mặt trời sử dụng động cơ Stirling kiểu beta với thông số tại trang 37 và 38 của luận văn cho công suất Li = 22,82 W và hiệu suất nhiệt = 21,87 %. So với thiết kế trong tài liệu [2] thì động cơ Stirling theo thiết kế của đề tài có kích thước nhỏ gọn hơn rất nhiều lần (600 cm3 so với 208 dm3).
Bộ phận truyền động của động cơ sử dụng cơ cấu hình thoi với kết cấu đơn
giản hơn, dễ chế tạo hơn và làm việc êm hơn so với kiểu truyền động dùng trục khuỷu thông thường.
Để cung cấp năng lượng cho động cơ Stirling trên hoạt động cần bộ phận hấp thụ năng lượng mặt trời dùng gương cầu parabol đường kính 1500 mm, chế tạo bằng tấm nhôm hoặc inox.
Quá trình tính toán các thông sốcho động cơ Stirling và gương parabol hội tụ năng lượng mặt trời được thực hiện trên chương trình MATLAB. Nhờchương trình
tính toán này ta có thể dễdàng tính được công suất động cơ theo kích thước của các
xylanh và các kích thước của bộ truyền.
7.2 Những t n t i và ki n nghị để hoàn thi n đề tài
Do hoạt động nhờ ngu n nhiệt từ năng lượng mặt trời nên công suất của mô hình thiết kế chưa được cao. Tuy nhiên, đề tài cũng đã đưa ra được một hướng nghiên cứu mới để tận dụng ngu n năng lượng sạch và vô tận từ mặt trời. Để nâng cao công suất cho động cơ Stirling ta có thể dùng các biện pháp:
- Tăng đường kính xylanh động cơ.
- Cải tiến cơ cấu truyền động hình thoi để tăng chiều dài hành trình cho piston.
- Cải tiến bộ phận làm mát động cơ dùng nước giải nhiệt cho xylanh nén.
- Làm kín các xylanh để giảm hao phí môi chất công tác.
Do chuyển động quay của trái đất nên vị trí tương đối của trái đất so với mặt trời luôn thay đ i theo thời gian nên để đảm bảo tận dụng tối đa ngu n năng lượng bức xạ từ mặt trời cần phải thiết kế thêm hệ thống định hướng tự động để đảm bảo cho mặt hứng nắng của gương parabol luôn xoaythẳng góc với hướng chiếu của tia nắng.
TÀI LIỆU THAM KH O TIẾNG VIỆT
1. Bùi Hải, Trần ThếSơn, Bài tập Nhiệt động, truyền nhiệt và kỹ thuật l nh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005.
2. Hoàng Dương Hùng, Phan Quý Trà, Phan Quang Xưng, Nghiên cứu động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2005.
3. Lê Xuân Hòa, Kỹ thuật nhiệt, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM, 2004.
4. Nguyễn Bốn, Hoàng Dương Hùng, Ảiáo trình chuỔên đề Năng lượng mặt trời,
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2004.
5. Nguyễn Chí Ngôn, Cao Hoàng Long, Lưu Trọng Hiếu, Một gi i pháp ứng dụng
năng lượng mặt trời, Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Cần Thơ, 2011.
6. Nguyễn Lưu Thịnh, Phân tích đặc điểm cấu t o và nguyên lý ho t động của động
cơ Stirling, Trường Đại học Thủy sản, 2005.
7. Nguyễn Thế Hùng, MATLAB căn b n và ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm kỹ
thuật TP. HCM, 2006.
8. Tập thể tác giả, MATLAB ứng dụng trong kỹ thuật, Khoa Xây dựng và Cơ học
ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. HCM, 2010.
9. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục, 2004.
TIẾNG N C NGOÀI
10. A.R. El Ouederni, M. Ben Salah, F. Askri, M. Ben Nasrallah, F. Aloui,
Experimental study of a parabolic solar concentrator,Revue des Energies
Renouvelables Vol. 12 N°3, 2009, 395 – 404.
12. Halit Karabulut, Hüseyin Serdar Yücesu, Can Çınar, Fatih Aksoy, An
eồperimental studỔ on the development of a β-type Stirling engine for low and
moderate temperature heat sources,Applied Energy 86,2009, 68–73.
13. John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook 3rd
Edition, Phlogiston Press, 2006.
14. John R. Fanchi, Energy in The 21st century, World Scientific, 2005.
15. Koichi Hirata, Schmidt theory for Stirling engines, National Maritime Research Institute (Japan), 2000.
16. Maier Christoph, Gil Arnaud, Aguilera Rafael, Shuang Li, Yu Xue, Stirling
Engine, University of Gavle, 2007.
17. Yong Tao, Denisse Aranda, Kevin LaMott, Stephen Wood, Solar Stirling
Engine for Remote Power and Disaster Relief – Final Report, Florida International
University, 2010.
18. Siegfried Herzog, Analysis of the symmetric Rhombic Drive, Penn State University, 2005.
PHỤ LỤC 1
Ch ng trình MATLAB tính toán thông số b truyền hình thoi
clear all; clc;
disp('CHUONG TRINH TINH THONG SO BO TRUYEN RHOMBIC') L=input('Nhap chieu dai thanh noi L (mm) : ');
R=input('Nhap ban kinh quay R (mm) : ');
a=input('Nhap duong kinh banh rang a (mm) : '); theta=0:0.01:(4*pi); e=sqrt((L^2-R^2)^2/(2*(L^2+R^2))) %#ok<*NOPTS> l=sqrt((L+R)^2-e^2)-sqrt((L-R)^2-e^2) Xpmax=sqrt((L+R)^2-e^2) Xdmax=-sqrt((L-R)^2-e^2) Xp=R*cos(theta)+sqrt(L^2-(e-R*sin(theta)).^2); Xd=R*cos(theta)-sqrt(L^2-(e-R*sin(theta)).^2); TiSo=(e+R)/L Y=a-2*e %--- figure plot(theta,Xp,'r') hold on plot(theta,Xd,'b--')
title('DO THI BIEU DIEN GOC LECH PHA GIUA 2 PISTON') legend('Xp','Xd')
xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)') ylabel('Vi tri dau piston (mm)')
Ch ng trình MATLAB tính toán công suất đ ng c Stirling vƠ thông số g ng cầu parabol
% CHUONG TRINH TINH CONG SUAT DONG CO STIRLING clear all;
clc;
disp('CHUONG TRINH TINH CONG SUAT DONG CO STIRLING') d=input('Nhap duong kinh xylanh dong co d (mm) : ');
d=d/1000;
P0=input('Nhap ap suat tang ap cho dong co P0 (bar) : '); P0=(P0+1)*10^5; l=rhombic1(0.05,0.02); theta0=0; theta=0:0.01:(2*pi); phi=pi/2; Tc=30+273; Te=300+273; Tr=(Te+Tc)/2; Cv=720; % J/kg.do R=287; Vse=(pi*d^2*l)/4; Vsc=(pi*d^2*l)/4; Vde=(pi*d^2*0.02)/4; Vdc=0; Vb=(Vse+Vsc)/2-sqrt((Vse^2+Vsc^2)/4-Vse*Vsc*cos(phi)/2); Ve0=Vse*(1-cos(theta0))/2+Vde; Vc0=Vse*(1-cos(theta0))/2+Vsc*(1-cos(theta0-phi))/2+Vdc-Vb; Vr=(pi*(d-0.006)^2*0.05)/4; V0=Ve0+Vr+Vc0; Ve=Vse*(1-cos(theta))/2+Vde;
Vc=Vse*(1-cos(theta))/2+Vsc*(1-cos(theta-phi))/2+Vdc-Vb; V=Ve+Vr+Vc; m=P0*Ve0/(R*Te)+P0*Vr/(R*Tr)+P0*Vc0/(R*Tc); t=Tc/Te; v=Vsc/Vse; Xde=Vde/Vse; Xdc=Vdc/Vse; Xr=Vr/Vse; alpha=atan(v*sin(phi)/(t+cos(phi)+1)); Xb=Vb/Vse; S=t+2*t*Xde+(4*t*Xr/(1+t))+v+2*Xdc+1-2*Xb; B=sqrt(t^2+2*(t-1)*v*cos(phi)+v^2-2*t+1); c=B/S; disp('---') %--- Ap suat, Cong suat --- Pmean=(2*m*R*Tc)/(Vse*sqrt(S^2-B^2)); P=Pmean*((1-(c*cos(theta-alpha))).\sqrt(1-c^2)); Wi=Pmean*Vse*pi*c*(1-t)*sin(alpha)/(1+sqrt(1-c^2)); n=1000/60;
Li=Wi*n;
fprintf('Cong suat trung binh cua dong co Li (W) : %7.2f \n',Li) %#ok<*CTPCT,*LTARG>
%--- Nhiet luong vao - ra --- Vmax=max(V);
Vmin=min(V); Q23=Cv*(Te-Tc)*m;
Q34=R*Te*log(Vmax/Vmin)*m;
Qin=(Q23+Q34)*n; % nhiet luong can cung cap trong 1 giay
f=450; % chon tieu cu guong parabol (mm) R1=0.8; % he so phan xa cua vat lieu lam guong
Ft=pi*(f/100000)^2/4; % dien tich anh hoi tu tai tieu diem guong parabol Et=Qin/Ft; % cuong do dong nhiet cung cap
k=Et/E; % he so tap trung buc xa cua guong parabol Fh=Ft*(k-1+R1)/R1; % tiet dien guong parabol
Dparabol=2*sqrt(Fh/pi)*1000; % duong kinh guong parabol (mm) fprintf('Duong kinh guong parabol (mm) : %7.2f \n',Dparabol) fprintf('Tieu cu guong parabol (mm) : %7.2f \n',f)
Q12=R*Tc*log(Vmax/Vmin)*m; Q41=Cv*(Te-Tc)*m;
Qout=(Q12+Q41)*n;
lamda=205; % he so dan nhiet cua nhom (W/m.do) R2=log((d+0.008)/d)/(2*pi*lamda);
Tf2=Tc-Qout*R2/l; tf2=Tf2-273;
fprintf('Nhiet do khong khi lam mat (do C) : %7.2f \n',tf2) e=((Qin-Qout)/Qin)*100;
fprintf('Hieu suat nhiet cua dong co : %7.2f \n',e) %--- figure
plot(theta,P) grid
title('AP SUAT TUC THOI CUA DONG CO P (Pa)') xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)')
ylabel('Ap suat (Pa)')
%--- figure
grid
title('THE TICH TUC THOI CUA MOI CHAT CONG TAC V (m3)') xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)')
ylabel('The tich (m3)') %--- figure plot(theta,Ve,'r') hold on plot(theta,Vc,'b--')
title('DO THI BIEN THIEN THE TICH MOI CHAT CONG TAC') legend('Ve','Vc')
xlabel('Goc quay cua truc dong co (rad)') ylabel('The tich (m3)')
grid
%--- figure
plot(V,P,'r')
title('DO THI P - V THUC TE')
xlabel('The tich tuc thoi cua dong co (m3)') ylabel('Ap suat tuc thoi cua dong co (Pa)') grid
%--- figure
plot(V,P,'r')
axis([2e-4,6.5e-4,0,3e5])
title('DO THI P - V LY THUYET VA THUC TE') xlabel('The tich tuc thoi cua dong co (m3)')
ylabel('Ap suat tuc thoi cua dong co (Pa)') grid
%--- function l=rhombic1(L,R)
e=sqrt((L^2-R^2)^2/(2*(L^2+R^2))); l=sqrt((L+R)^2-e^2)-sqrt((L-R)^2-e^2);
%---