Giáo trình phân tích quan hệ giữa đường kính mặt nhận diện và thời gian tính toán của thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời p1 potx

49
Chơng 4: TíNH TOáN THIếT Bị Sử DụNG
năng lợng Mặt trời
4.1. Bếp năng lợng mặt trời
4.1.1. Cấu tạo bếp NLMT
Hình 4.1. Cấu tạo bếp nấu NLMT
1- Hộp ngoài 2 - Mặt phản xạ
3- Nồi 4- Nắp kính trong
5- Gơng phẳng phản xạ
6- Bông thủy tinh 7- Đế đặt nồi

Bếp NLMT đợc thiết kế nh hình
vẽ, hộp ngoài của bếp đợc làm bằng
khung gỗ hình khối hộp chữ nhật bên
ngoài đóng 1 lớp ván ép, phía trong là
mặt nhôm đợc đánh bóng để phản xạ,
biên dạng của mặt phản xạ đợc thiết kế
là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay
(hình 4.1) sao cho nồi nấu có thể nhận
đợc chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gơng phẳng khi
đặt cố định, gơng phản xạ có thể gấp lại khi không dùng, giữa mặt phản xạ và hộp
ngoài là lớp bông thủy tinh cách nhiệt, phía trên bếp có một nắp kính nhằm cách
nhiệt và tạo hiệu ứng lồng kính.
4.1.2. Tính toán thiết kế bếp

Hình 4.2. Kích thớc của bếp
1
2
3
6
7
5
4
70
A
H
a
d2
d1
a
h
A-A
a
A
Giỏo trỡnh phõn tớch quan h gia ng
kớnh mt nhn din v thi gian tớnh toỏn
ca thit b s dng nng lng mt tri


50
Bếp gồm mặt kính nhận nhiệt có đờng kính d

2
, hệ số truyền qua D, gơng
phản xạ có hệ số phản xạ R
g
, mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ R
p
, nồi nấu làm
bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ , đờng kính d
1
, chiều dày
o
, khối lợng
riêng
o
, nhiệt dung riêng C, chiều cao h, chứa đầy nớc có nhiệt dung riêng C
p
,
khối lợng riêng
n
. Do mặt phẳng qũy đạo của mặt trời tại Đà Nẵng và Quảng
Nam nghiêng một góc khoảng 20
o
so với mặt thắng đứng nên tính toán cho góc tới
= 70
o
. Cờng độ bức xạ mặt trời lấy trung bình lúc nấu (11h-12h) ở tỉnh Quảng
Nam là E

= 940W/m
2

.
Trong khoảng thời gian bếp sẽ thu từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q
1
:
Q
1
= .E.sin .F. , [J].
trong đó F = [D.F
1
+ R
g
.D.F
1
+ R
p
.D.F
2
+ R
p
.R
g
.D.F
2
]
F
1

4
2
1

d

, F
2
=
4
2
2
d

- F
1
,

Lợng nhiệt nhận đợc của bộ thu Q
1
dùng để:
- Làm tăng nội năng của nồi U = m
o
.C.(t
s
- t
o
)
- Làm tăng entanpy nớc I
m
= m
n
.C
P

(t
s
- t
o
)
- Tổn thất ra môi trờng xung quanh Q
2
trong đó m = d
1
.h.
o
.
o
+ 2.
o
.
o
.
4
2
1
d

[kg], m =
4
2
1
d

.h.

n
[kg],
Do nồi đợc đặt trên đế có diện tích tiếp xúc nhỏ và có vỏ bọc cách nhiệt
bên ngoài nên có thể xem Q
2
0.
Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bếp:
Q
1
= m
o
.C.(t
s
- t
o
) + m
n
.C
P
(t
s
- t
o
)
Hay: .E.sin. F. =(d
1
.h.
o
.
o

+ 2.
o
.
o
.
4
2
1
d

) C.(t
s
- t
o
) +
4
2
1
d

.h.
n
C
P
(t
s
- t
o
)
Thay các giá trị : E = 940 W/m

2
, = 0,9 , =70
o
, D = 0,9, R
g
=0,9 , R
p
= 0,9,

o
=0,001m,
o
=7850kg/m
3
, t
s
= 100
o
C, t
o
= 25
o
C, C = 460 J/kgđộ,

n
= 1000kg/m
3
, C
p
= 4200J/kgđộ , d

1
= 0,25m, h= 0,2m , tính đợc
m =1,75kg m
n
=9,8kg
=> F. = 3884 hay (1,22d
2
2
+0,08) . = 3884


51
Quan hệ giữa đờng kính mặt nhận nhiệt d
2
và thời gian : d
2
() đợc biểu diễn
trên hình 3.3.
Từ quan hệ này có thể
tính đợc đờng kính
mặt thu theo thời gian
yêu cầu.
Ví dụ:
nếu = 1h =3600s thì
ta có d
2
= 0,8m, tức là
nếu d
2
= 0,8m thì ta có

thể đun sôi 9,8 kg nớc
trong thời gian 1h.
Trong thực tế đã chế
tạo bếp nấu có kích
thớc nh trên và đã
đun sôi 9 lít nớc sau 55 phút. Phơng pháp tính toán trên đã đợc áp dụng để thiết
kế, chế tạo các loại bếp với nồi nấu có dung tích từ 2 đến 10 lít để triển khai ứng
dụng vào thực tế.

4.1. Bộ thu năng lợng mặt trời để cấp nớc nóng
4.2.1. Bộ thu phẳng
4.2.1.1. Cấu tạo và phân loại bộ thu phẳng











1
2
3
4
5
6
7

8
a
b

0 2000 4000 6000 8000 1 10
4
1
2
3
4
5
6
Thời gian [s]
Đờng kính mặt thu [m]
5.103076
0.455195
d2
.
110
4100


Hình 4.3. Đồ thị quan hệ d
2
(

)
H
ỗnh 4.4. Cỏỳu taỷo Collecto
r

hỏỳp thuỷ nhióỷt
1- Lồùp caùch nhióỷt,
2- Lồùp õóỷm tỏỳm phuớ trong suọỳt,
3- Tỏỳm phuớ trong suọỳt,
4 - ổồỡng nổồùc noùng ra,
5 - Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt,
6- Lồùp tọn boỹc,
7- ổồỡng nổồùc laỷnh vaỡo,
8- Khung õồớ Collector



52
Khọng thóứ coù mọỹt kióứu Collector naỡo maỡ hoaỡn haớo vóử moỹi mỷt vaỡ thờch hồỹp
cho moỹi õióửu kióỷn, tuy nhión tuỡy theo tổỡng õióửu kióỷn cuỷ thóứ chuùng ta coù thóứ taỷo cho
mỗnh mọỹt loaỷi Collector hồỹp lyù nhỏỳt. Trong caùc bọỹ phỏỷn cỏỳu taỷo nón Colletor, bọỹ
phỏỷn quan troỹng nhỏỳt vaỡ coù aớnh hổồớng lồùn õóỳn hióỷu quớa sổớ duỷng cuớa Collector laỡ
bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt. Sau õỏy laỡ mọỹt sọỳ so saùnh cho vióỷc thióỳt kóỳ vaỡ chóỳ taỷo bóử mỷt
hỏỳp thuỷ nhióỷt cuớa Collector maỡ thoớa maợn mọỹt sọỳ chố tióu nhổ: giaù thaỡnh, hióỷu quaớ
hỏỳp thuỷ vaỡ mổùc õọỹ thuỏỷn tióỷn trong vióỷc chóỳ taỷo.
Sau õỏy laỡ
3 mỏựu Collector coù bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt õồn giaớn, hióỷu quaớ hỏỳp
thuỷ cao coù thóứ chóỳ taỷo dóự daỡng ồớ õióửu kióỷn Vióỷt nam.

Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt
daỷng hỗnh rừn
Tỏỳm hỏỳp thuỷ
Voỡng dỏy gừn bóử mỷt
hỏỳp thuỷ vaỡo tỏỳm hỏỳp thuỷ

d
Hỗnh 4.5. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt daỷng
ọỳng hỗnh rừn gừn trón tỏỳm hỏỳp thuỷ
Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt
daỷng daợy ọỳng
Tỏỳm hỏỳp thuỷ
Hỗnh 4.6. Daới tỏỳm hỏỳp thuỷ õổồỹc õan xen
vaỡo bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng daợy ọỳng
Hai tỏỳm gừn vồùi nhau
bũng caùch duỡng ọỳc vờt
hay haỡn õờnh
Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt
daỷng tỏỳm
c vờt coù lồùp õóỷm
Mọỳi haỡn õờnh

Hỗnh 4.7. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng tỏỳm


53
Sau khi thiãút kãú chãú tảo, âo âảc tênh tọan v kiãøm tra so sạnh ta thu âỉåüc
bng täøng kãút sau:


Loải bãư màût
háúp thủ
Dảng äúng
hçnh ràõn
Dảng dy äúng Dảng dy
äúng

Dảng táúm
Cạch gàõn våïi
táúm háúp thủ
Âan xen
vo nhau
Dng vng
dáy kim loải
Âan xen
vo nhau
Hn âênh
Hiãûu sút
háúp thủ nhiãût
Gim 10% Gim 10% Chøn Bàòng chøn
Giạ ca váût liãûu
v nàng lỉåüng ctảo
Gim 4% Tàng 2% Chøn Tàng 4%
Thåìi gian cáưn
gia cäng chãú tảo
Gim 20% Gim 10% Chùn Tàng 50%

Tỉì cạc kãút qu kiãøm tra v so sạnh åí trãn ta cọ thãø rụt ra mäüt säú kãút lûn
nhỉ sau:
1- Loải bãư màût háúp thủ dảng dy äúng cọ kãút qu thêch håüp nháút vãư hiãûu sút
háúp thủ nhiãût , giạ thnh cng nhỉ cäng v nàng lỉåüng cáưn thiãút cho viãûc
chãú tảo. Tuy nhiãn nãúu trong trỉåìng håüp khäng cọ âiãưu kiãûn âãø chãú tảo
thç chụng ta cọ thãø chn loải bãư màût háúp thủ dảng hçnh ràõn. Bãư màût háúp
thủ dảng táúm cng cọ kãút qu täút nhỉ loải dảng dy äúng nhỉng âi hi
nhiãưu cäng v khọ chãú tảo hån.
2- Táúm háúp thủ âỉåü
c gàõn vo äúng háúp thủ bàòng cạch âan xen tỉìng dỵi nh

l cọ hiãûu qu nháút. Ngoi ra táúm háúp thủ cọ thãø gàõn vo äúng háúp thủ
bàòng phỉång phạp hn, våïi phỉång phạp ny thç hiãûu qu háúp thủ cao
hån nhỉng máút nhiãưu thåìi gian v giạ thnh cao hån.

4.2.1.2. Tênh toạn bäü thu phàóng
Kho sạt panel màût tråìi våïi häüp thu kêch thỉåïc axbxδ, khäúi lỉåüng m
o
, nhiãût
dung riãng C
o
âỉåüc lm bàòng thẹp dy δ
t
, bãn trong gäưm cháút lng ténh cọ khäúi
lỉåüng m, v lỉu lỉåüng G[kg/s] chy liãn tủc qua häüp. Xung quanh häüp thu bc 1
låïp cạch nhiãût, ta nhiãût ra khäng khê våïi hãû säú α. Phêa trãn màût thu F
1
= ab våïi âäü
âen ε l 1 låïp khäng khê v 1 táúm kênh cọ âäü trong D. Chiãưu dy v hãû säú dáùn nhiãût
ca cạc låïp ny l δ
c
, δ
k
, δ
K
v λ
c
, λ
k
, λ
K

.
Cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi tåïi màût kênh tải thåìi âiãøm τ l E(τ) = E
n
sinϕ(τ , våïi
ϕ(τ ) =

ωτ l gọc nghiãng ca tia nàõng våïi màût kênh, ω = 2π /τ
n
v τ
n
= 24 x 3600s
l täúc âäü gọc v chu k tỉû quay ca trại âáút, E
n
l cỉåìng âäü bỉïc xả cỉûc âải trong