DỤNG NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI
3.1. Khái quát về năng lượng mặt trời
và cơ sở lý thuyết tính tốn thiết bị nhiệt mặt trời
3.1.1. Khái quát về năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngơi sao này. Dịng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu (ước tính vào khoảng 5 tỷ năm nữa). Năng lượng bức xạ
điện từ của mặt trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trơi qua, mặt trời
giải phóng ra khơng gian xung quanh khoảng 3,827.1026 Jun.
Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các q
trình khí tượng học và duy trì sự sống trên trái đất. Ngay ngồi khí quyển của trái đất, cứ một mét vng diện tích thẳng góc với ánh nắng mặt trời, chúng ta thu được dòng
năng lượng khoảng 1.400 Jun trong một giây.
Trong hoạt động thực tiễn của cuộc sống, con người đã biết sử dụng năng lượng mặt trời vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: làm muối, sấy khô nông sản, sản xuất điện năng, chưng cất nước, đun nấu, chạy động cơ nhiệt….Nhưng tổng nguồn năng lượng mặt trời mà con người đã tận dụng được còn rất nhỏ so với những nguồn năng lượng khác mà con người đang sử dụng. Trong khi đó năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng lớn và là nguồn năng lượng sạch, có sẵn trong tự nhiên, con người đang
ngày càng tìm mọi phương thức thu và sử dụng nguồn năng lượng này.
Trước sự khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường sống do việc sử dụng các dạng năng lượng như hiện nay, năng lượng mặt trời đã là mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Ngày nay ở những nước như Mỹ, Nhật, Pháp, Đức… người ta đã, đang và sẽ tiến hành nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời một cách tích cực. Đây cũng là một dự án chiến lược, khả thi trong kế hoạch tìm nguồn năng lượng mới của con người.
Việt Nam là một nước nhiệt đới có lượng nắng quanh năm rất lớn (trên 2000 giờ/năm), nên việc sử dụng năng lượng mặt trời vào sản xuất, sinh hoạt là nhu cầu tất yếu và có nhiều triển vọng. Đặc biệt là ở vùng sâu, hải đảo nơi phát triển hệ thống điện
lưới khó khăn, nguồn năng lượng mặt trời lại dồi dào, việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời vào việc chạy máy phát điện, bơm nước…là một hướng đi phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới. Hiện tại việc nghiên cứu và ứng dụng năng
lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu với những thành tựu khiêm tốn. Trong tương lai, năng
lượng mặt trời ở Việt nam sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời.
Vấn đề đặt ra là ứng dụng những thiết bị phù hợp để thu năng lượng mặt trời và sử dụng năng lượng đó vào những việc tương ứng một cách hiệu quả. Sau đây sẽ giới thiệu một số thiết bị nhiệt mặt trời có thể sử dụng cho động cơ Stirrling.
3.1.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết bị nhiệt mặt trời
Khác với pin mặt trời, thiết bị nhiệt mặt trời nhận bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ năng lượng dưới dạng nhiệt năng. Thiết bị nhiệt mặt trời có rất nhiều loại khác nhau. Sau đây sẽ giới thiệu sơ bộ cơ sở lý thuyết tính tốn những thiết bị nhiệt mặt trời có thể ứng dụng để cấp nhiệt cho động cơ Stirling.
3.1.2.1. Lý thuyết về bộ thu kiểu lồng kính
Hầu hết các bộ thu năng lượng mặt trời (NLMT) đơn giản đều sử dụng kính làm vật liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính chất quang học ưu việt của nó.
a) Hiệu ứng lồng kính:
Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ của mặt trời phía
dưới một tấm kính hoặc một lớp khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NOx. Có thể biểu diễn hiện tượng hiệu ứng lồng kính như H. 3.1.
Tấm kính hoặc lớp khí có độ trong đơn sắc (Dλ) giảm dần khi bước sóng (λ)
tăng. Cịn bước sóng lớn nhất λmax có được khi năng suất bức xạ đạt cực đại (Eλmax), λmax là bước sóng mang nhiều năng lượng nhất có đặc điểm giảm theo định luật Wien
(λ = 2,9.10-3/T).
Bức xạ mặt trời, phát ra từ nguồn nhiệt độ cao khoảng T0 = 5762K, có năng
lượng tập trung xung quanh dải sóng có λomax = 0,5µm, sẽ xun qua kính hồn tồn, vì
D(λomax) ≈ 1. Bức xạ thứ cấp, phát ra từ vật thu có nhiệt độ khá thấp, trong khoảng nhiệt độ khá thấp T ≤ 400K, có năng lượng tập trung xung quanh dải sóng λmax =
8µm, hầu như khơng xun qua kính, vì D(λmax) ≈ 0, và bị phản xạ lại mặt thu. Hiệu số
năng lượng (vào - ra) > 0, được tích luỹ phía dưới tấm kính, làm nhiệt độ tại đó tăng
b) Mô tả chung về bộ thu kiểu lồng kính:
Bộ thu kiểu lồng kính dùng để gia nhiệt cho chất lỏng hoặc chất khí, được mơ tả trên H. 3.2.
Năng lượng bức xạ mặt trời chiếu đến bộ thu sau khi truyền qua 2 lớp kính 1 và 3 thì được hấp thụ bởi tấm hấp thụ sơn màu đen 2, lượng nhiệt được hấp thụ sẽ truyền cho môi chất chứa trong ống dẫn 5. Bộ thu được bọc bởi lớp bảo vệ 6 và lớp cách nhiệt
4 để giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
Trên H. 3.2 mô tả một bộ thu kiểu lồng kính gồm 2 lớp kính dùng để gia nhiệt cho môi chất là chất lỏng với bề mặt hấp thụ dạng ống - tấm cánh. Còn loại bộ thu để gia nhiệt cho môi chất là khơng khí, về cơ bản có cấu tạo giống như loại bộ thu gia nhiệt trên, nhưng các ống dẫn chất lỏng được thay thế bằng ống dẫn khơng khí có kích