3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia
Phương pháp này sử dụng để trao đổi với các chuyên gia có kinh nghiệm về lĩnh vực liên quan đến đề tài làm cơ sở tham khảo cho các định hướng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo. Kết quả từ phương pháp này giúp tích lũy kinh nghiệm thực tiễn và phát triển cơ sở lý luận theo đúng hướng nghiên cứu.
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
Khi thực hiện đề tài, có rất nhiều thông tin cần thu thập để tham khảo, làm cơ sở cho tính toán, thiết kế. Vì vậy, nghiên cứu các tài liệu và công trình nghiên cứu đã thực hiện là một việc cần thiết. Điều đó giúp người nghiên cứu củng cố các cơ sở lý
tiên tiến phù hợp của nước ngoài và nắm vững công nghệ để triển khai vào điều kiện Việt Nam để chế tạo ra sản phẩm phục vụ nâng cao hiệu suất cho bếp mặt trời.
2.3.3. Phương pháp tính toán, thiết kế
Đây là phương pháp không thể thiếu đối với các nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật. Đây là cơ sở cho chế tạo, khảo nghiệm. Phương pháp giúp, nghiên cứu và chọn lọc ra phương án và đưa ra bản thiết kế phù hợp cho việc chế tạo sản phẩm.
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Tiến hành khảo nghiệm để đánh giá các thông số kỹ thuật, làm cơ sở thiết kế cải tiến, chế tạo thỏa mãn các mục tiêu đề ra.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH THỪA THIÊN HUẾ THỪA THIÊN HUẾ
Khí hậu ở Thừa Thiên Huế mang tính chất chuyển tiếp từ á xích đới lên nội chí tuyến gió mùa, không có mùa đông và mùa khô rõ rệt. Thời tiết chỉ lạnh khi gió mùa Đông Bắc tràn về và khô khi có ảnh hưởng của gió Lào. Thời tiết lạnh là thời kỳ ẩm vì mùa mưa ở đây lệch về Thu Đông. Sang mùa hạ tuy thời tiết khô nhưng thỉnh thoảng vẫn có mưa rào hoặc mưa giông.
(Nguồn: Trung tâm khí tượng thủy văn)
Hình 3.1. Đồ thị so sánh nhiệt độ trong các tháng của Huế
Do nằm trong vành đai nhiệt đới gió mùa nên Thừa Thiên Huế có lượng bức xạ hàng năm khá lớn, đạt 70 - 85 Kcal/cm². Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm là 25ºC; cao nhất là tháng 8 (28,5ºC); thấp nhất là tháng 1 và 12 (20,3ºC). Lượng mưa trung bình năm tại Thừa Thiên Huế là 3249 mm, độ ẩm trung bình 87,6%. Số lượng bão ở Thừa Thiên Huế khá nhiều, thường bắt đầu từ tháng 6, nhiều nhất là vào tháng 9, 10
Thừa Thiên Huế là một ngoại lệ về khí hậu so với Bắc và Nam. Nơi đây khí hậu khắc nghiệt và có sự khác nhau giữa các vùng trong tỉnh. Vùng duyên hải, đồng bằng của tỉnh có hai mùa rõ rệt: mùa khô từ tháng 3 đến tháng 8, trời nóng oi bức, có khi lên tới 39,9ºC. Từ tháng 8 đến tháng 1 ở Huế là mùa mưa, bão lụt nhiệt độ thường là 19,7ºC, có khi lạnh nhất 8,8ºC. Vào mùa này thường có những đợt mưa suốt ngày, có khi kéo dài cả tuần lễ. Vùng núi mưa nhiều, khí hậu mát, nhiệt độ thấp nhất 9ºC, cao nhất 29ºC [9].
Những đặc trưng khí hậu của Thừa Thiên Huế .
+ Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình hằng năm vào khoảng 250C ở vùng đồng bằng, lên vùng núi có thấp hơn, khoảng 22- 230C ở độ cao 500m.Tổng nhiệt độ hằng năm vào khoảng 9000- 92000C ở đồng bằng, giảm xuống 8300 – 85000C ở độ cao 500m.
Bảng 3.1. Đặc trưng cơ chế nhiệt độ tại Thừa Thiên Huế
Đặc trưng (với suất đảm bảo >50%) TT. Huế Nhiệt độ năm.
Nhiệt độ tháng cao nhất.
Nhiệt độ tối cao trung bình tháng thấp nhất. Nhiệt độ tháng thấp nhất.
Nhiệt độ tối thấp trung bình tháng thấp nhất Nhiệt độ tối cao tuyệt đối
Nhiệt độ tối thấp tuyệt đối. Biên độ năm. Biên độ ngày. 25,2 29,2 (VI, VII) 34,3 (VII) 20,1 (I) 17,2 (I) 39,9 8,8 9 – 10 7 – 8
(Nguồn: Trung tâm khí tượng thủy văn)
Những tháng giữa mùa Đông tương đối lạnh. Có 3 tháng (XII, I, II) nhiệt độ giảm xuống dưới 220C ở đồng bằng, dưới 200C từ độ cao 400- 500m trở lên.
Giới hạn tối thấp của nhiệt độ xuống đến 8- 90C ở đồng bằng, 5- 70C và dưới nữa trên các rẻo cao.
Mùa hạ có 3- 4 tháng (từ tháng V- VIII) nhiệt độ trung bình vượt quá 280C, nhiệt độ tối cao trung bình vượt quá 330C và nhiệt độ tối thấp trung bình vượt quá 240C. Tháng nóng nhất là tháng VI và VII có nhiệt độ trung bình lên tới 29 – 29,50C và nhiệt độ tối cao trung bình trên dưới 340C. Nhiệt độ tối cao tuyệt đối đạt mức trên dưới 400C.
Biên độ dao động ngày đêm của nhiệt độ vào khoảng 70C – 80C. Thời kỳ dao động mạnh nhất là các tháng đầu và giữa mùa hạ, biên độ ngày đạt tới 90C – 100C. Thời kỳ dao động ít nhất là các tháng giữa mùa đông, biên độ ngày chỉ vào khoảng 50C – 60C.
+ Lượng mưa.
Lượng mưa hàng năm rất lớn, đạt tới 3249mm. Số ngày mưa cũng nhiều, hằng năm vào khoảng 140 – 150 ngày. Chế độ mưa biến động rất mạnh cả trong mùa mưa
cũng như mùa ít mưa. Trong hai tháng giữa mùa mưa (tháng X, XI ), lượng mưa từng năm cụ thể có thể chênh lệch với giá trị trung bình nhiều năm tới 500 – 600mm, và trong các tháng khác của mùa mưa, chênh lệch tới 100 – 300mm.
Bảng 3.2. Vài đặc trưng của độ ẩm – mây – nắng
Đặc trưng
(với suất đảm bảo >50%)
TT. Huế
Độ ẩm trung bình năm Độ ẩm tháng lớn nhất Độ ẩm tháng nhỏ nhất Độ ẩm tối thấp tuyệt đối Lượng mây năm
Lượng mây tháng lớn nhất Lượng may tháng nhỏ nhất Số giờ nắng toàn năm
Số giờ nắng tháng nhiều nhất Số giờ nắng tháng ít nhất 88 93 (XII) 90 (VII) 15 6,8 7,8 (XII) 5,8 (V) 1500 201 (VI) 81 (VII)
(Nguồn: Trung tâm khí tượng thủy văn)
+ Giờ nắng:
Giờ nắng trung bình toàn năm có chừng 1990 giờ nắng. Thời kỳ ít nắng là những tháng mùa đông, từ tháng XI – III, số giờ nắng thường không quá 100 giờ, tháng ít nắng nhất là tháng XII hay tháng I có chừng 70 – 80 giờ nắng. Thời kỳ nhiều nắng gồm 4 tháng từ tháng V cho đến tháng VIII, số giờ nắng mỗi tháng vượt quá 150 giờ, tháng nhiều nắng nhất là tháng VII hay tháng VIII, số giờ nắng trung bình lên tới 200 giờ.
Tốc độ di chuyển của mặt trời:
Theo kết quả khảo sát tại địa điểm khảo nghiệm trong thời gian tháng 5/2016. Mặt trời di chuyển một góc 100 sau mỗi khoảng thời gian 30 phút.
Từ số liệu cung cấp ở trên, có thể tổng hợp lại một số dữ liệu quan trọng làm cơ sở cho nghiên cứu tính toán như sau:
- Số ngày nắng trong năm: 221 ngày. - Cường độ BXMT: 940W/m2
- Nhiệt độ cao nhất trong năm: 39,90C - Nhiệt độ thấp nhất: 8,80C
- Độ ẩm trung bình: 88%
- Số giờ nắng trong ngày: 6,8 giờ
- Thời gian ấn định xoay bếp năng lượng: 30 phút tương tương 100
3.2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.2.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc 3.2.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều dạng nhưng có thể chia ra hai nhóm theo hai nguyên tắc là hội tụ (bếp parabol) và bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình hộp). Nhìn chung, hai loại bếp đều có nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, có hiệu suất thấp hoặc bất tiện cho người sử dụng.
3.2.1.1. Bếp Parabol:
Bếp parabol sử dụng mặt cầu (chảo thu nhiệt hình parabol được tráng gương) phản chiếu và tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu điểm đó. Để duy trì nhiệt độ, người ta đặt một cái bao giữ nhiệt trong suốt bằng nylon bao quanh nồi chứa.
Ưu điểm của bếp parabol là nấu nhanh và nhiệt độ khá lớn. Bếp có nhược điểm là chế tạo phức tạp, giá thành khá cao. Chảo thu nhiệt cần phải thường xuyên điều chỉnh quay theo hướng mặt trời để thu được nhiều nắng nhất. Bếp chỉ hoạt động tốt khi cường độ bức xạ cao, người sử dụng gặp phải các vấn đề sức khỏe về da và mắt do ánh sáng phản chiếu trực tiếp vào cơ thể.
3.2.1.2. Bếp Hộp:
Bếp hộp hoạt động như một bẫy nhiệt, theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, tích nhiệt từ ánh nắng mặt trời truyền vào vật dụng đun nấu, vật dụng đun nấu được tăng cường và duy trì nhiệt nhờ nhiệt trong môi trường không khí giữ kín trong hộp bếp. - Ưu điểm: bếp có giá thành rẻ, dễ chế tạo và có thể nấu lượng thức ăn lớn. - Nhược điểm: Nhiệt độ không cao và thời gian nấu lâu nên phải thường xuyên điều chỉnh bếp quay theo hướng Mặt Trời.
3.2.1.3. Đề xuất phương án bếp năng lượng mặt trời
Trên cơ sở so sánh ưu và nhược điểm về nguyên lý làm việc của hai loại bếp trên, phương án bếp hộp được lựa chọn để thiết kế cải tiến, chế tạo và khảo nghiệm.
Ở phương án bếp hộp cải tiến này, bếp vẫn hoạt động theo nguyên lý như bếp hộp truyền thống, nghĩa là dạng bẫy nhiệt, hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, bếp sẽ được cải tiến một số điểm nhằm mục đích nâng cao hiệu suất bếp bằng cách kết hợp ưu
điểm của hai loại bếp nêu trên. Thứ nhất, bên cạnh dạng hộp kín giữ nhiệt bên trong do hiệu ứng nhà kính thì đáy bếp được tạo hình parabol tròn xoay nhằm hội tụ tia nắng vào tiêu cự đặt nồi nấu. Thứ hai, bếp sẽ sử dụng hai tấm gương phản xạ có góc nghiêng phù hợp hai bên để tăng cường thêm nhiệt cho hộp bếp nhờ phản chiếu ánh nắng mặt trời. Loại bếp này có ưu điểm là hiệu suất thu nhiệt cao hơn những loại bếp hộp truyền thống. Thích hợp để làm đối tượng cho nghiên cứu về hệ thống điều khiển bếp xoay tự động theo hướng nắng và xem xét khả năng ứng dụng tại Việt Nam.
Bếp nấu hình hộp có nguyên lý cấu tạo như hình 3.2. Hộp bảo vệ được làm bằng gỗ, tiết diện ngang hình vuông. Mặt phản xạ bên trong được làm bằng tôn đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao. Nồi chứa thức ăn là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thu ánh sáng tốt. Dung tích của nồi tuỳ thuộc vào kích thước của bếp và tuỳ thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chín thức ăn. Nồi được đặt vào trục bếp. Tấm kính trong là tấm kính có độ trong suốt cao để có thể cho ánh sáng xuyên qua tốt, có chiều dày 5mm. Tấm kính này có tác dụng tạo thành hộp kín dạng bẫy nhiệt theo nguyên lý hiệu ứng lồng kính và giảm tổn thất nhiệt khi nấu. Gương phản xạ là tấm gương phản xạ ánh sáng, hướng chùm tia sáng phản xạ từ gương vào nồi, phía sau tấm gương có tấm bảo vệ và cũng là nắp đậy của bếp khi không sử dụng. Lớp vật liệu cách nhiệt là các tấm bạc được dán trong thành bếp, nhằm giảm mất mát nhiệt khi nấu. Khung đỡ được làm bằng thép V4, trên hai đầu khung được gắn 2 ổ bi 25 để lắp hai đầu trục bếp.
Hình 3.3. Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp năng lượng mặt trời
3.2.2. Tính toán thiết kế bếp
Các thông số cấu tạo bếp:
Các thông số tính toán của bếp gồm mặt kính nhận nhiệt có đường kính d2, hệ số truyền qua D, gương phản xạ có hệ số phản xạ Rg, mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ Rp, nồi nấu làm bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ , đường kính d1, chiều dày o, khối lượng riêng o, nhiệt dung riêng C, chiều cao h, chứa đầy nước có nhiệt dung riêng Cp , khối lượng riêng n . Do mặt phẳng qũy đạo của mặt trời tại TT Huế nghiêng một góc khoảng 20o so với mặt thắng đứng nên tính toán cho góc tới = 70o. Cường độ bức xạ mặt trời lấy trung bình lúc nấu (11h-12h) ở tỉnh Thừa Thiên Huế là E= 940 W/m2.
Trong khoảng thời gian bếp sẽ thu từ mặt trời 1 lượng nhiệt bằng Q1:
Q1 = .E.sin .F. , [J]. [3.1] Trong đó F = [D.F1 + Rg.D.F1 + Rp.D.F2 + Rp.Rg.D.F2] [3.2] F1 4 2 1 d , F2 = 4 2 2 d - F1 Lượng nhiệt nhận được của bộ thu Q1 dùng để:
- Làm tăng nội năng của nồi U = mo.C.(ts - to) [3.3] - Làm tăng entanpy nước Im = mn.CP(ts - to) [3.4] - Tổn thất ra môi trường xung quanh Q2
Trong đó m = d1.h.o.o + 2.o.o. 4 2 1 d [kg] [3.5] m = 4 2 1 d .h.n [kg], [3.6]
Do nồi có diện tích tiếp xúc nhỏ và có vỏ bọc cách nhiệt bên ngoài nên có thể xem Q2 0.
Vậy ta có phương trình cân bằng nhiệt cho bếp:
Q1 = mo.C.(ts - to) + mn.CP(ts - to) [3.7] .E.sin. F. =(d1.h.o.o + 2.o.o. 4 2 1 d ) C.(ts - to) + 4 2 1 d .h.n CP(ts - to) [3.8] Thay các giá trị : E = 940 W/m2 , = 0,9 , =70o , D = 0,9, Rg =0,9 , Rp = 0,9, o =0,001m, o =7850kg/m3, ts = 100oC, to = 25oC, C = 460 J/kgđộ, n = 1000kg/m3 , Cp = 4200J/kgđộ , d1 = 0,25m, h= 0,2m , tính được m =1,75kg mn=9,8kg => F. = 3884 hay (1,22d22 +0,08) . = 3884 [3.9]
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mặt thu nhiệt và thời gian
Quan hệ giữa đường kính mặt nhận nhiệt d2 và thời gian : d2() được biểu diễn trên hình 3.5. Từ đồ thị mối quan hệ này ta có thể tính được đường kính mặt nhận nhiệt d2 trong thời gian nấu là 1h30’ (5400s) thì d2 = 0,6 m
Căn cứ vào tính toán ở trên, bếp hộp được thiết kế với các thông số như sau : - Hộp bảo vệ (6) bằng gỗ có kích thước 45x46x46 cm, chiều dày của ván làm hộp là 2.5 cm. Vật liệu cách nhiệt bên trong là các tấm túi khí cách nhiệt Aluminum
-Mặt phản xạ (1): có gắn tấm gương để phản xạ ánh nắng Mặt Trời vào nồi nấu. Gồm các thông số cụ thể.
+ Chiều dài: a=0,46 m + Chiều rộng: b= 0,46 m + Chiều cao: H= 0,46 m + Hệ số phản xạ: Rp = 0,9
- Mặt hấp thụ (2): Là một tấm gương đậy kín trên hộp bảo vệ, tạo hiệu ứng lồng kính, giảm thất thoát nhiệt. Bao gồm các thông số
+ Chiều dài: 0,46 m + Chiều rộng:0,46 m
+ Độ dày: 5 mm
- Đáy (7) tiết diện tròn xoay đường kính 0,6 m.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Đườn g kính mặt t h u ( m) Thời gian (s)
- Trục bếp (3) để gá bếp lên khung. Được chế tạo bằng thép tròn với đường kính trục là 25.
- Khung (giá đỡ) (4) được chế tạo bằng các thanh thép V4.
1. Mặt phản xạ 2. Mặt hấp thụ 3. Trục bếp 4. Khung
5. Động cơ 6. Hộp bảo vệ 7. Đáy tiết diện tròn xoay 8. Bảng điều khiển
Hình 3.6. Bếp hộp năng lượng mặt trời hình hộp
3.3. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP
Để mô-men cản của bếp là nhỏ nhất nghĩa là sẽ dùng động cơ có công suất thấp nhất có thể quay bếp thì trục quay của bếp phải đi qua trọng tâm bếp. Bếp được thiết kế quay theo một phương từ hướng Đông sang hướng Tây. Vì vậy, tọa độ trọng tâm của bếp là vị trí trục quay vuông góc mặt phẳng quay. Dựa vào tiết diện mặt cắt ngang của bếp hộp (hình 3.2). trọng tâm của bếp được xác định qua sử dụng công thức [3.10] và [3.11] . Kết quả, tọa độ trọng tâm của bếp nằm tại giao điểm trục đối xứng mặt cắt
1 2 3 4 5 6 7 8
Xc =𝑆𝑦 𝐹 = 𝐹𝑖𝑥𝑖 𝐹𝑖 [3.10] Yc =𝑆𝑥 𝐹 = 𝐹𝑖𝑦𝑖 𝐹𝑖 [3.11]
3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.4.1. Mục đích và yêu cầu 3.4.1. Mục đích và yêu cầu
Theo khảo sát của nhiều nghiên cứu, bếp nấu có hiệu suất tốt nhất khi cứ mỗi 30 phút bếp xoay đúng theo hướng nắng (chùm tia bức xạ đến vuông góc bề mặt hấp thụ). Bảng điều khiển nhằm mục đích điều chỉnh bếp năng lượng mặt trời tự động xoay theo hướng nắng trong thời gian nấu.
Yêu cầu hệ thống điều khiển phải đơn giản nhưng vẫn hoạt động hiệu quả, dễ