- NGUYỄN MINH KHANG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ VỀ KẾT CẤU VÀ THỜI TIẾT ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA BỘ THU NHIỆT MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ Chuyên ngành : VẬT LÝ KỸ THUÂT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Vật lý kỹ thuật NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐẶNG ĐÌNH THỐNG Hà Nội – Năm2012 2Mục lục Trang Trang phụ bìa 1 Lời cam đoan 5 Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 6 Danh mụ các bảng 9 Danh mục các hình vẽ đồ thị 10 MỞ ĐẦU 13 Chương 1. - TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. - Nguồn năng lượng mặt trời 15 1.1.1. - Mặt trời 15 1.1.2. - NLMT ngoài vũ trụ- Hằng số mặt trời 16 1.2. - Sự chuyển động của hệ Mặt Trời- trái đất 17 1.2.2. - CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI 2.1. - Tổng quan về công nghệ năng lượng mặt trời 27 2.2. - Công nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính 27 2.2.1. - Công nghệ nhiệt mặt trời áp dụng hiệu ứng nhà kính . - Bếp mặt trời ứng dụng hiệu ứng nhà kính 35 2.3. - Công nghệ nhiệt tập trung NLMT 2.3.1. - Công nghệ nhiệt điện tập trung NLMT 38 2.3.2.1. - Công nghệ nhiệt điện mặt trời tháp năng lượng 39 2.3.2.2. - Công nghệ nhiệt điện mặt trời phản xạ Fresnell tuyến tính tập trung 41 2.3.2.3. - Công nghệ nhiệt điện mặt trời máng parabôn 43 2.3.2.4. - Công nghệ đĩa parabôn 46 2.3.2.5. - Đánh giá tình hình phát triển của công nghệ nhiệt điện mặt trời tập trung 48 2.3.3. - BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẬP TRUNG KIỂU MÁNG PARABÔN 3.1. - Định hướng bộ thu và hiệu chỉnh góc tới 54 3.2.1. - Định hướng bộ thu 54 3.2.2. - Tính hiệu suất bộ thu 57 3.3.1. - Hiệu suất bộ thu . - Tính hiệu suất quang 59 3.3.2.2. - LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT VÀ CÁC THÔNG SỐ BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU HỘI TỤ MÁNG PARABÔN 4.1. - Khảo sát theo cường độ bức xạ mặt trời 82 4.3.2. - Nhận xét 96 KẾT LUẬN 98 Tài liệu tham khảo 99 Phụ lục 102 5LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đề tài luận văn cao học : ‘Nghiên cứu, tính toán và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố về kết cấu và thời tiết đến hiệu suất bộ thu nhiệt mặt trời kiểu hội tụ’ là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Đình Thống. - Hà Nội, ngày 15 tháng 3 năm 2012 Tác giả Nguyễn Minh Khang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các chữ viết tắt : BXMT : Bức Xạ Mặt Trời NLMT : Năng Lượng Mặt Trời CĐBX : Cường Độ Bức Xạ CNMT : Công nghệ Nhiệt điện Mặt trời Tập trung NHI : Nhiệt Hữu Ích NLBXT : năng lượng bức xạ mặt trời tới PFTT : Phản xạ Fresnell Tuyến tính Tập trung a : ambient – Môi trường không khí bao quanh b : beam - trực xạ c : cover - Ống thuỷ tinh bao quanh con : convection - đối lưu d : diffuse -Nhiễu xạ e : external – bên ngoài không gian ev : evacute – phần chân không vành khuyên i : in – bên trong f : flow fluit - Chất lỏng dẫn nhiệt fu : usefull - hữu ích Nu : Hệ số Nussel O : on – Trên bề mặt ngang o : out – bên ngoài p : pipe - Ống hấp thụ Pr : hệ số Prandlt Re : Hệ số Reynol S : sun - mặt trời s : section cross - cắt ngang 7Các ký hiệu : A : Diện tích hiệu dụng mặt mở b : Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất C : Tỉ lệ tập trung Cp : Nhiệt dung riêng D : Đường kính d : Đường kính trái đất g : gia tốc trọng trường h : Độ cao máng parabôn heff : Hệ số truyền nhiệt hiệu dụng I : Cường độ bức xạ K(θ. - Hệ số hiệu chỉnh góc tới k : Độ dẫn nhiệt L : Chiều dài bộ thu kiểu máng parabôn m : Lưu lượng khối của chất lỏng dẫn nhiệt n : Ngày trong năm Q : Tổng năng lượng nhiệt q : sai phân nhiệt S : Thông lượng ánh sáng tới bề mặt ống hấp thụ T : Nhiệt độ W : Độ mở của máng parabôn α : Góc độ cao mặt trời Hệ số hấp thụ của ống hấp thụ β : Góc giữa mặt phẳng quan sát và mặt nằm ngang ε : Hệ số bức xạ nhiệt φ : Vĩ độ Φr : Góc mở bộ thu máng parabôn 8γ : Góc phương vị Thừa số chặn ρ : Hệ số phản xạ của gương parabôn Khối lượng riêng η : Hiệu suất nhiệt bộ thu kiểu máng parabôn η0 : Hiệu suất quang bộ thu kiểu máng parabôn µ : Độ nhớt động lực học τ : Hệ số truyền qua của ống huỷ tinh τb : Hệ số truyền qua của khí quyển ν : Độ nhớt động học ω : Góc giờ mặt trời ωs : Góc giờ mặt trời lặn δ: Góc lệch δz : Góc tán sắc Г : Góc quay định vị bộ thu theo mặt trời 9DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. - Bảng thể hiện một số thông số về nhiệt độ của bếp mặt trời trong quá trình sử dụng Bảng 2. - Một số nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu máng parabôn Bảng 2. - So sánh một số đặc điểm chính của công nghệ nhiệt điện mặt trời tập trung Bảng 2. - Tỉ lệ sử dụng nhiệt điện mặt trời trong tổng số nguồn điện của các nước trên thế giới trong tương lai Bảng 4.1. - Sự thay đổi của hiệu suất theo độ dài và độ mở của máng parabôn Bảng 4.3 Sự biến thiên nhiệt độ đầu ra trung bình của chất lỏng dẫn nhiệt khi chiều dài và độ mở thay đổi 10DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. - Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời Hình 1. - Phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển Hình 1. - Vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời trong một năm Hình 1. - Sơ đồ bếp mặt trời Hình 2. - Sơ đồ khối tổng quan c ủa công nghệ nhiệt điện mặt trời Hình 2. - Nhà máy nhiệt điện mặt trời PS10 Hình 2.12. - Sơ đồ nguyên lý của bộ phản xạ Fresnel tuyến tính tập trung Hình 2.14. - Sơ đồ khối của một nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng công nghệ máng parabôn 11Hình 2.16. - Sơ đồ nguyên lý bộ thu kiểu đĩa parabôn Hình 2.18. - Nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng đĩa parabôn ở California có công suất 300MW Hình 3. - Một bộ thu kiểu máng parabôn Hình 3. - Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu máng parabôn Hình 3.5. - Sơ đồ mô tả sự định vị theo mặt trời của máng parabôn Hình 3.6. - Hiệu suất bộ thu phụ thuộc theo thời gian trong ngày Hình 4.4. - Sự thay đổi của hiệu suất theo thời gian khi độ mở thay đổi Hình 4. - Sơ đồ biểu thị sự thay đổi của hiệu suất trung bình theo độ mở Hình 4.7. - Sơ đồ biểu thị sự thay đổi của hiệu suất trung bình theo chiều dài L 12Hình 4.10. - Sơ đồ biểu diễn nhiệt độ đầu ra trung bình của chất lỏng dẫn nhiệt trong ngày khi chiều dài L thay đổi Hình 4.11. - Sự thay đổi của hiệu suất trung bình theo tiêu cự f Hình 4.12. - Sự thay đổi của góc mở (a) và thừa số chặn γ (b) theo tiêu cự Hình 4.13. - Sự biến thiên của hiệu suất trung bình ngày theo sự thay đổi đồng thời của độ mở và độ dài Hình 4.14. - Sự biến thiên của nhiệt độ đầu ra trung bình ngày của chất lỏng dẫn nhiệt theo sự thay đổi đồng thời của độ mở và độ dài Hình 4.15. - Quá trình qúa độ của hiệu suất bộ thu khi mặt trời mới mọc Hình 4.16. - Sự tăng đột biến của hiệu suất vào buổi chiều Hình 4.17. - So sánh giữa NHI và NLBXT vào buổi chiều Hình 4.18. - Sơ đồ biểu diễn hiệu suất nhiệt tức thời từ lúc mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn của bộ thu máng parabôn 13LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định. - Đặc biệt việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch đã gây ra ô nhiễm rất nặng nề môi trường sống. - Vì vậy, nhiều nguồn năng lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, trong đó có nguồn năng lượng mặt trời. - Việc tiếp cận để khai thác ứng dụng nguồn năng lượng này không chỉ góp phần cung ứng nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. - Kể từ đầu những năm 60 thế kỷ 19, khi mà kỹ sư, nhà sáng chế Auguste Mouchout người Pháp sử dụng một chiếc nồi kín bằng thuỷ tinh, một chiếc đĩa hình parabôn mài bóng và sức nóng mặt trời để tạo ra hơi nước, cấp cho chiếc động cơ hơi nước đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời thì đến nay, công nghệ năng lượng nhiệt mặt trời đã có những bước tiến dài. - Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển. - Một nhược điểm cần được cải thiện của các bộ thu năng lượng mặt trời là hiệu suất biến đổi năng lượng khá thấp, bởi thông số này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. - Vì vậy, luận văn được viết với mục đích bước đầu có thể sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về công nghệ nhiệt điện mặt trời, cũng như nghiên cứu, học tập việc thiết kế, chế tạo các nhà máy nhiệt điện mặt trời ở Việt Nam trong tương lai. - Trình bày tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời Chương 2. - Trình bày hiện trạng cũng như các nghiên cứu, phát triển công nghệ nhiệt mặt trời và các ứng dụng để sản xuất nhiệt và điện. - Tập trung nghiên cứu về công nghệ nhiệt điện mặt trời máng parabôn, nghiên cứu sự phụ thuộc hiệu suất thu năng lượng mặt trời phụ thuộc vào kích thước hình dạng hình học của máng thu, vào các tính chất nhiệt của vật liệu làm bộ thu, vào bản chất chất tải nhiệt cũng như vào bức xạ mặt trời và môi trường xung quanh. - Trong chương này, tác giả xây dựng thuật toán, chương trình phần mềm nhằm nghiên cứu các ảnh hưởng của bức xạ mặt trời, hình dạng kích thước bộ thu cũng như các tính chất nhiệt của vật liệu làm bộ thu và chất tải nhiệt lên hiệu suất của bộ thu. - Từ đó, đưa ra những kết luận, đánh giá hữu ích cho công việc thiết kế, tính toán và chế tạo bộ thu, góp phần phát triển công nghệ nhiệt điện mặt trời ở Việt nam. - NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1.1. - Mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu cực nóng, có đường kính 1,39.106km (lớn hơn nhiều so với đường kính trái đất 1,27.104km. - Nhiệt độ bề mặt mặt trời khoảng 5778K . - Nhiệt độ tại tâm mặt trời khoảng 15.106K , với thành phần hoá học, chủ yếu là nguyên tố Hidrô và Hêli (tương ứng với 73,46% và 24,85% tổng khối lượng mặt trời). - (nguồn NASA) Ngoài ra, do trái đất ở cách xa mặt trời, và mặt trời lớn hơn rất nhiều trái đất, nên có thể coi rằng, các tia sáng từ mặt trời đến trái đất là song song nhau, và chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc 32’. - Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời Với những điều kiện phù hợp như vậy, phản ứng nhiệt hạch luôn luôn xảy ra tại tâm mặt trời: 4 1H 4He + e + γ Chúng ta lấy một ví dụ đơn giản, nếu có 1g (H) thì năng lượng giải phóng ra trong phản ứng trên cỡ 1012J. - Với khối lượng của mặt trời khoảng 2.1030kg, thì lượng năng lượng mà mặt trời sinh ra trong quá trình đốt nóng là 16vô cùng lớn, theo các nhà khoa học thì phải 4 đến 5 tỷ năm nữa mới hết được. - Như vậy, có thể nói rằng, nguồn NLMT là một nguồn năng lượng lớn nhất (gần như vô tận) và sạch nhất hiện nay mà con người có thể biết. - Bản chất nguồn năng lượng mặt trời NLMT truyền tới trái đất dưới dạng sóng điện từ có phổ rất rộng. - Phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển [22] Trên hình 1.2 là phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời (BXMT) ở giới hạn trên của khí quyển. - Phần phổ với bước sóng từ 0,1 đến 4µm bao gồm 99% toàn bộ năng lượng BXMT. - Bức xạ với bước sóng nhỏ hơn hay lớn hơn kể cả những tia rơnghen và sóng vô tuyến điện chỉ chiếm 1% năng lượng còn lại. - Song ở đây bao gồm gần một nửa toàn bộ năng lượng của BXMT (44. - Các tia hồng ngoại chiếm năng lượng trên 48%, còn lại 7% năng lượng là tia cực tím, các tia khác chỉ chiếm dưới 1%. - 1.1.3.NLMT ngoài vũ trụ- Hằng số mặt trời Mật độ dòng năng lượng BXMT tới bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ ở ngay ngoài lớp khí quyển, tính trên 1m2, được tính theo công thức
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt