1353 W/m2 1000 W/m
2.4. Cân bằng nhiệt và nhiệt đĩ cân bằng của vỊt thu bức xạ mƯt trớ
Nhiệt độ cõn bằng τ của vật thu bức xạ mặt trời là nhiệt độ ổn định trờn bề mặt vật, khi cú sự cõn bằng giữa cụng suất bức xạ vật hấp thụ được và cụng suất nhiệt phỏt từ vật ra mụi trường.
Nhiệt độ cõn bằng chớnh là nhiệt độ lớn nhất mà vật cú thể đạt tới sau thời gian thu bức xạ mặt trời đó lõu, khi ∆U của vật = 0.
Nhiệt độ cõn bằng τ của vật thu bức xạ mặt trời là nhiệt độ ổn định trờn bề mặt vật, khi cú sự cõn bằng giữa cụng suất bức xạ vật hấp thụ dược và cụng suất nhiệt phỏt từ vật ra mụi trường.
Ta sẽ lập cụng thức tớnh nhiệt độ cõn bằng T của vật V cú diện tớch xung quanh F, hệ số hấp thụ A, hệ số bức xạ ε đặt trong chõn khụng cỏch mặt trời một khoảng r cú diện tớch hứng nắng Ft, là hỡnh chiếu của F lờn mặt phẳng vuụng gúc tia nắng, hay chớnh là diện tớch “cỏi búng” của V. Phương trỡnh cõn bằng nhiệt cho V cú dạng: Cụng suất do V hấp thụ = Cụng suất phỏt bức xạ từ V.
Hay: A.Et.Ft = E.F → A.σ0.T04(D/2r)2.Ft = ε.σ0.T04 F . Suy ra:
T(r, Ft, F, A, ε) = 4 1 2 1 0 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ F AF r D T t ε , [K] Ft MẶT TRỜI D, To T, F, A, ε r Ft(τ) F, V, A, C, ρ, ε t(τ) E(τ) tf α MT Hỡnh 2.15. Xỏc định T và t (τ)
Nếu V là vật xỏm, cú A = ε, thỡ T(r, Ft, F) = 4 1 2 1 0 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ F F r D T t , [K] Nếu V là vật xỏm hỡnh cầu, cú Ft/F=1/4, thỡ T(r) = r D T0 2 1 , [K]
Nếu vật V cú thụng số (ρ, C, ε, A, F, V) đặt trong khớ quyển nhiệt độ tf, toả nhiệt phức hợp hệ số α, thỡ phương trỡnh cõn bằng nhiệt trong thời gian dτ cho V la ỡ:
δQA = dU + δQα hay A.En.sin(ω.τ).Ft(τ).dτ = ρ.V.C.dt + α.F.(t - tf) .dτ cú dạng (τ)sin(ωτ) ρ ρ α τ t m F VC AE VC F t d dt + =
Khi biết luật thay đổi diện tớch thu năng Ft(τ), cú thể giải phương trỡnh vi phõn với điều kiện đầu t(τ = 0) = tf để tỡm hàm biến đổi t(τ) của nhiệt độ vật theo thời gian.
2.5. Đo c−ớng đĩ bức xạ mƯt trới.
Ngoài ph−ơng pháp xác định c−ớng đĩ bức xạ mƯt trới tại mĩt điểm bÍt kỳ dựa trên vị trí địa lý (đĩ cao mƯt trới trới) nh− trên, trong thực tế ng−ới ta đã chế tạo các dụng cụ đo c−ớng đĩ bức xạ mƯt trới (pyrheliometer, actinometer - đo bức trực xạ, và pyranometer, Solarimeter- đo tưng xạ ).
Trực xạ kế - Pyrheliometer
NhỊt xạ kế - Pyranometer
Chương 3: THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.1. Tưng quan về thiết bị sử dụng năng l−ợng mƯt trới
Năng l−ợng mƯt trới là nguơn năng l−ợng mà con ng−ới biết sử dụng từ rÍt sớm, nh−ng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuÍt và trên quy mô rĩng thì mới chỉ thực sự vào cuỉi thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ị những n−ớc nhiều năng l−ợng mƯt trới, những vùng sa mạc. Từ sau các cuĩc khủng hoảng năng l−ợng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng đ−ợc đƯc biệt quan tâm. Các n−ớc công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phư biến hiện nay bao gơm các lĩnh vực chủ yếu sau:
Pin mƯt trới
Pin mƯt trới là ph−ơng pháp sản xuÍt điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đưi quang điện. Pin mƯt trới cờ −u điểm là gụn nhẹ cờ thể lắp bÍt kỳ ị đâu cờ ánh sáng mƯt trới, đƯc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng NLMT d−ới dạng này đ−ợc phát triển với tỉc đĩ rÍt nhanh, nhÍt là ị các n−ớc phát triển. Ngày nay con ng−ới đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dèn nguơn năng l−ợng truyền thỉng.
Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mƯt trới còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/WP, nên ị những n−ớc đang phát triển pin mƯt trới hiện mới chỉ cờ khả năng duy nhÍt là cung cÍp năng l−ợng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đ−ớng điện quỉc gia ch−a cờ.
ị Việt Nam, với sự hỡ trợ của mĩt sỉ tư chức quỉc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mƯt trới cờ công suÍt khác nhau phục vụ nhu cèu sinh hoạt và văn hoá của các địa ph−ơng vùng sâu, vùng xa, nhÍt là đơng bằng
sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mƯt trới vĨn đang còn là mờn hàng xa xỉ đỉi với các n−ớc nghèo nh− chúng ta.
Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng l−ợng mƯt trới
Điện năng còn cờ thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt đĩ cao bằng mĩt hệ thỉng g−ơng phản chiếu và hĩi tụ để gia nhiệt cho môi chÍt làm việc truyền đĩng cho máy phát điện.
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT cờ các loại hệ thỉng bĩ thu chủ yếu sau đây: Hệ thỉng dùng parabol trụ để tỊp trung tia bức xạ mƯt trới vào mĩt ỉng môi chÍt đƯt dục theo đ−ớng hĩi tụ của bĩ thu, nhiệt đĩ cờ thể đạt tới 400oC.
Hệ thỉng nhỊn nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các g−ơng phản xạ cờ định vị theo ph−ơng mƯt trới để tỊp trung NLMT đến bĩ thu đƯt trên đỉnh tháp cao, nhiệt đĩ cờ thể đạt tới trên 1500oC.
Hệ thỉng sử dụng g−ơng parabol tròn xoay định vị theo ph−ơng mƯt trới để tỊp trung NLMT vào mĩt bĩ thu đƯt ị tiêu điểm của g−ơng, nhiệt đĩ cờ thể đạt trên 1500oC.
Hiện nay ng−ới ta còn dùng năng l−ợng mƯt trới để phát điện theo kiểu “ tháp năng l−ợng mƯt trới - Solar power tower “. Australia đang tiến hành dự án xây dựng mĩt tháp năng l−ợng mƯt trới cao 1km với 32 tuỉc bin khí cờ tưng công suÍt 200 MW. Dự tính rằng đến năm 2006 tháp năng l−ợng mƯt trới này sẽ cung cÍp điện mỡi năm 650GWh cho 200.000 hĩ gia đình ị miền tây
Hình 3.2. Nhà máy điện mƯt trới
nam New South Wales - Australia, và sẽ giảm đ−ợc 700.000 tÍn khí gây hiệu ứng nhà kính trong mỡi năm.
Thiết bị sÍy khô dùng năng l−ợng mƯt trới
Hiện nay NLMT đ−ợc ứng dụng khá phư biến trong lĩnh nông nghiệp để sÍy các sản phỈm nh− ngũ cỉc, thực phỈm ... nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chÍt l−ợng sản phỈm. Ngoài mục đích để sÍy các loại nông sản, NLMT còn đ−ợc dùng để sÍy các loại vỊt liệu nh− gỡ.
Bếp nÍu dùng năng l−ợng mƯt trới
Bếp năng l−ợng mƯt trới đ−ợc ứng dụng rÍt rĩng rãi ị các n−ớc nhiều NLMT nh− các n−ớc ị Châu Phi.
ị Việt Nam việc bếp năng l−ợng mƯt trới cũng đã đ−ợc sử dụng khá phư biến. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng l−ợng mới - Đại hục Đà Nẵng đã phỉi hợp với các tư chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30 000 USD) đ−a bếp năng l−ợng mƯt trới - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ị các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rÍt tỉt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hĩ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đ−a 750 BTL vào sử dụng ị các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ị các khu ng− dân ven biển để hụ cờ thể nÍu n−ớc, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT .
Hình 3. 4. Thiết bị sÍy NLMT
Thiết bị ch−ng cÍt n−ớc dùng NLMT
Thiết bị ch−ng cÍt n−ớc th−ớng cờ 2 loại: loại nắp kính phẳng cờ chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuưi thụ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic cờ chi phí rẻ hơn nh−ng hiệu quả ch−ng cÍt kém hơn.
ị Việt Nam đã cờ đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị ch−ng cÍt n−ớc NLMT dùng để ch−ng cÍt n−ớc ngụt từ n−ớc biển và cung cÍp n−ớc sạch dùng cho sinh hoạt ị những vùng cờ nguơn n−ớc ô nhiễm với thiết bị ch−ng cÍt n−ớc NLMT cờ g−ơng phản xạ đạt đ−ợc hiệu suÍt cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Tr−ớng Đại hục Bách khoa Đà Nẵng.
Đĩng cơ Stirling chạy bằng NLMT
ứng dụng NLMT để chạy các đĩng cơ nhiệt - đĩng cơ Stirling ngày càng đ−ợc nghiên cứu và ứng dụng rĩng rãi dùng để bơm n−ớc sinh hoạt hay t−ới cây ị các nông trại. ị Việt Nam đĩng cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã đ−ợc nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế. Nh− đĩng cơ Stirling, bơm n−ớc dùng năng l−ợng mƯt trới.
Hình 3.6. Thiết bị ch−ng cÍt n−ớc dùng NLMT
Thiết bị đun n−ớc nờng bằng NLMT
ứng dụng đơn giản, phư biến và hiệu quả nhÍt hiện nay của NLMT là dùng để đun n−ớc nờng. Các hệ thỉng n−ớc nờng dùng NLMT đã đ−ợc dùng rĩng rãi ị nhiều n−ớc trên thế giới.
ị Việt Nam hệ thỉng cung cÍp n−ớc nờng bằng NLMT đã và đang đ−ợc ứng dụng rĩng rãi ị Hà Nĩi, Thành phỉ HCM và Đà Nẵng (hình 1.2). Các hệ thỉng này đã tiết kiệm cho ng−ới sử dụng mĩt l−ợng đáng kể về năng l−ợng, gờp phèn rÍt lớn trong việc thực hiện ch−ơng trình tiết kiệm năng l−ợng của n−ớc ta và bảo vệ môi tr−ớng chung của nhân loại.
Hình 3.9 Hệ thỉng cung cÍp n−ớc nờng dùng NLMT
Hệ thỉng cung cÍp n−ớc nờng dùng NLMT hiện nay ị Việt nam cũng nh− trên thế giới chủ yếu dùng bĩ thu cỉ định kiểu tÍm phẳng hoƯc dãy ỉng cờ cánh nhỊn nhiệt, với nhiệt đĩ n−ớc sử dụng 60oC thì hiệu suÍt của bĩ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ị nhiệt đĩ cao hơn thì hiệu suÍt còn thÍp.
Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT
Trong sỉ những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hÍp dĨn nhÍt vì nơi nào khí hỊu nờng nhÍt thì nơi đờ cờ nhu cèu về làm lạnh lớn nhÍt, đƯc biệt là ị những vùng xa xôi héo lánh thuĩc các n−ớc đang phát triển không cờ l−ới điện quỉc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhỊp trung bình của ng−ới dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đưi NLMT thành điện năng nhớ pin mƯt trới (photovoltaic) là thuỊn tiện nhÍt, nh−ng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mƯt trới còn quá cao. Ngoài ra các hệ thỉng lạnh còn đ−ợc sử dụng NLMT d−ới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hÍp thụ, loại
thiết bị này ngày càng đ−ợc ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thỉng này vĨn ch−a đ−ợc th−ơng mại hờa và sử dụng rĩng rãi vì giá thành còn rÍt cao và hơn nữa các bĩ thu dùng trong các hệ thỉng này chủ yếu là bĩ thu phẳng với hiệu suÍt còn thÍp (d−ới 45%) nên diện tích lắp đƯt bĩ thu cèn rÍt lớn ch−a phù hợp với yêu cèu thực tế. ị Việt Nam cũng đã cờ mĩt sỉ nhà khoa hục nghiên cứu tỉi −u hoá bĩ thu năng l−ợng mƯt trới kiểu hĩp phẳng mõng cỉ định cờ g−ơng phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuỊt lạnh, với loại bĩ thu này cờ thể tạo đ−ợc nhiệt đĩ cao để cÍp nhiệt cho máy lạnh hÍp thụ, nh−ng diện tích mƯt bằng cèn lắp đƯt hệ thỉng cèn phải rĩng.
3.2 . H−ớng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng l−ợng mƯt trới
Trong thới đại khoa hục kỹ thuỊt phát triển, nhu cèu về năng l−ợng ngày càng tăng. Trong khi đờ các nguơn nhiên liệu dự trữ nh− than đá, dèu mõ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì cờ hạn khiến cho nhân loại đứng tr−ớc nguy cơ thiếu hụt năng l−ợng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguơn năng l−ợng mới nh− năng l−ợng hạt nhân, năng l−ợng địa nhiệt, năng l−ợng giờ và năng l−ợng mƯt trới là mĩt trong những h−ớng quan trụng trong kế hoạch phát triển năng l−ợng, không những đỉi với những n−ớc phát triển mà ngay cả với những n−ớc đang phát triển.
Năng l−ợng mƯt trới (NLMT)- nguơn năng l−ợng sạch và tiềm tàng nhÍt - đang đ−ợc loài ng−ới thực sự đƯc biệt quan tâm. Do đờ việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng l−ợng mƯt trới và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vÍn đề cờ tính thới sự.
Việt Nam là n−ớc cờ tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ đĩ 8” Bắc đến Hình 3.11 Hệ thỉng lạnh hÍp thụ dùng NLMT
sỉ tưng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đờ việc sử dụng NLMT ị n−ớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng l−ợng mƯt trới ị Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thỉng cung cÍp điện dùng pin mƯt trới, hệ thỉng nÍu cơm cờ g−ơng phản xạ và đƯc biệt là hệ thỉng cung cÍp n−ớc nờng kiểu tÍm phẳng hay kiểu ỉng cờ cánh nhỊn nhiệt. Nh−ng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu suÍt còn thÍp nên ch−a đ−ợc ng−ới dân sử dụng rĩng rãi. Hơn nữa, do đƯc điểm phân tán và sự phụ thuĩc vào các mùa trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cèn n−ớc nờng nh−ng NLMT ít, còn mùa hè không cèn n−ớc nờng thì nhiều NLMT do đờ các thiết bị sử dụng NLMT ch−a cờ tính thuyết phục. Sự mâu thuĨn đờ đòi hõi chúng ta cèn chuyển h−ớng nghiên cứu dùng NLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn nh−: ch−ng cÍt n−ớc dùng NLMT, dùng NLMT chạy các đĩng cơ nhiệt (đĩng cơ Stirling), nghiên cứu hệ thỉng điều hòa không khí dùng NLMT... Hệ thỉng lạnh hÍp thụ sử dụng NLMT là mĩt đề tài hÍp dĨn cờ tính thới sự đã và đang đ−ợc nhiều nhà khoa hục trong và ngoài n−ớc nghiên cứu, nh−ng vÍn đề sử dụng bĩ thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhÍt thì vĨn còn là mĩt đề tài cèn phải nghiên cứu, vì với các bĩ thu kiểu tÍm phẳng hiện nay nếu sử dụng ị nhiệt đĩ cao 80 ữ 100oC thì hiệu suÍt rÍt thÍp (<45%) do đờ cèn cờ mĩt mƯt bằng rÍt lớn để lắp đƯt bĩ thu cho mĩt hệ thỉng điều hòa không khí bình th−ớng.
VÍn đề sử dụng NLMT đã đ−ợc các nhà khoa hục trên thế giới và trong n−ớc quan tâm. MƯc dù tiềm năng của NLMT rÍt lớn, nh−ng tỷ trụng năng l−ợng đ−ợc sản xuÍt từ NLMT trong tưng năng l−ợng tiêu thụ của thế giới vĨn còn khiêm tỉn. Nguyên nhân chính ch−a thể th−ơng mại hờa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT là do còn tơn tại mĩt sỉ hạn chế lớn ch−a đ−ợc giải quyết :
- Giá thành thiết bị còn cao: vì hèu hết các n−ớc đang phát triển và kém phát triển là những n−ớc cờ tiềm năng rÍt lớn về NLMT nh−ng để nghiên cứu và ứng dụng NLMT lại đòi hõi vỉn đèu t− rÍt lớn, nhÍt là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cèn chi phí quá cao so với thu nhỊp của ng−ới dân ị các n−ớc nghèo.
- Hiệu suÍt thiết bị còn thÍp: nhÍt là các bĩ thu năng l−ợng mƯt trới dùng để