nghiên cứu hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có trữ nhiệt

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
152
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC NÓNG
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ TRỮ NHIỆT
RESEARCH ON HOT SOLAR WATER SYSTEM USING HEAT STORAGE

SVTH: Trương Minh Toàn
Lớp 05N2, Trường Đại Học Bách Khoa
GVHD: PGS.TS. Hoàng Dương Hùng
Khoa Công Nghệ Nhiệt – Điện Lạnh, Đại Học Bách Khoa

TÓM TẮT
Ngày nay, bên cạnh các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió, địa nhiệt…năng
lượng Mặt trời đã được khai thác và ứng dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng
dụng cụ thể và hiệu quả là sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt phục vụ cho sản xuất
và sử dụng trong gia đình. Tuy nhiên, do sự lệch pha giữa chu kỳ của năng lượng mặt trời và chu
kỳ sử dụng nhiệt trong bình tích trữ nên sự thiếu hụt nguồn nhiệt cho nhu cầu sử dụng trong suốt
thời gian ban đêm là

ABSTRACT
Today, along with renewable energy resources such as Wind, Geothermal energy…Solar
energy has been exploiting and applying to domestic and industrial fields. One of the effective
application of Solar energy is utilizing the Solar collector to supply hot water for industrial and
domestic purposes. However, storage of solar energy as sensible heat has been inefficient means
of thermal energy storage because of the intermittent nature of solar. Conversely, latent heat
thermal energy storage systems using paraffin as a storage medium offers advantages such as
high heat storage capacity, small unit size and isothermal behavior during phase change period.

1. Mở đầu
Do tốc độ phát triển về nhu cầu năng lượng của con người tăng rất nhanh, trong khi
các nguồn năng lượ

.

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
153
2
2
.
.

Tính toán thiết kế


2.1. Tính toán nhiệt cho bộ thu
2.1.1. Tính toán nhiệt cho bộ thu phẳng 2m
2

Mục đích là lập phương trình cân bằng nhiệt để xác định hàm phân bố nhiệt độ của
môi chất lỏng trong bộ thu năng lượng mặt trời trong chu kỳ một ngày để đánh giá khả
năng làm việc của bộ thu và từ đó xác định thông số đặc trưng của bộ thu.

Hình 2.1 Cấu tạo bộ thu kiểu hộp tấm phẳng.
Tính toán cho một bộ thu tấm phẳng có cấu tạo như hình 2.2. Hộp thu có kích
thước
axbx = 1,2 x 1,6 x 0,01 m
3
, được làm bằng thép dày
t
= 0,001 m, C
0
= 460 J/kg.

Mặt thu F
1
= 1,92 m
2
, độ đen = 0,95; lớp không khí dày
kk
= 0,01m; tấm kính dày
k
=
0,005m;
k
= 0,8 W/mK; độ trong D = 0,95. Lớp cách nhiệt bằng thuỷ tinh dày
c
= 0,05m;
c
= 0,055W/mK. Dòng nước qua bộ thu có G = 0,0045kg/s với t
0
= 28
0
C. Cường độ bức
xạ cực đại E
n
lấy trung bình trong năm tại Ðà Nẵng ở vĩ độ 16
0
Bắc là: E
n
= 940 W/m
2
.
Cần tìm hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong bộ thu theo thời gian và tất cả các

thông số đã cho:
t = t ( , ab
1
, m
0
C
0
, mC
p
, DF
1
, G,
c
,
kk
,
K
,
c
,
kk
,
K
, , t
0
,
0
, E
n
).

Lập hệ phương trình vi phân cân bằng nhiệt cho hộp thu:
T’( ) + bT( ) = asin
2
( ) (1)
với điều kiện đầuT(0) = 0 (2)
Giải hệ phương trình trên ta tìm được hàm phân bố nhiệt độ môi chất trong hộp thu:
2
22
1
2
2sin
4
1
2
ew
b
e
w
b
artgw
wb
b
b
a
T
b

Bảng 2.1 Các thông số đặc trưng của panel tĩnh 2m
2
Thông số tính toán Công thức tính Giá trị Đơn vị

Độ gia nhiệt max
T
m
=
)
4
1(
2
22
b
b
b
a

60
0
C
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
154
Nhiệt độ max
t
m
=t
o
+
22
4
1(
2

b
b
b
a
)
88
0
C
Thời điểm đạt T
m

m
=
n
24
1
8
3 b
artg

5,8 h
Nhiệt độ cuối ngày
t
c
= t
o
+
)4(
2
22

2
bb
a

33
0
C
Độ gia nhiệt TB
T
n
=
b
a
2

31,25
0
C
Công suất hữu ích TB
Q
n
=
b
a
2
GC
p

587,8 W
Sản lượng nhiệt 1

ngày
Q

=
b
a
n
4
GC
p

25 MJ
Hiệu suất nhiệt panel
=
1
4bEnF
aGC
p

51,15 %
2.2. Tính toán bình trữ nhiệt
Công suất thừa của bộ thu: Q = G.Cp.Δt = 0,0045.4180.(88-60)=526,68 W
Thời gian bắt đầu làm nóng nước ở 60
0
C

s1
=

ab

b
abTar
b
artg
n
n
22
4
2sin
24
= 2,96 h
Thời gian kết thúc làm nóng nước

s2
=
ab
b
abTar
b
artg
n
n
22
4
2sin
2
2
4
= 8,26 h
Thời gian làm nóng nước: Δ =

s2
-
s1
= 8,26-2,96 =5,3 h
Nhiệt lượng thừa thu được từ bộ thu:Q
t
= Q. Δ =526,68.5,3.3600 = 10049,05 KJ
Nhiệt độ nóng chảy của paraffin là t
c
= 52
0
C;
Nhiệt độ nước ở đầu ra bình chứa chọn t
r
= 45
0
C
Khối lượng parafin cần dùng là:G =
)(
rcplcmpr
t
ttCrttC
Q

=
)4552(93,2220)5260(9,2
05,10049
=36,1 kg
Thể tích paraffin cần dùng là: V =
G

=
9,0
1,36
≈ 40 lit
Tuyn tp Bỏo cỏo Hi ngh Sinh viờn Nghiờn cu Khoa hc ln th 7 i hc Nng nm 2010
155
Bỗnh tờch nhióỷt
Bọỹ thu NLMT
van 1
van 2
nổồùc noùng õem õi sổớ
duỷng
õổồỡng nổồùc laỷnh vaỡo
van 3
nổồùc laỷnh tổỡ bỗnh chổùa
vaỡo

Hỡnh 2.2 S cu to h thng nc núng dựng nng lng mt tri cú tr nhit
2.3. So sỏnh hiu qu ca phng ỏn cung cp nc núng bng nng lng mt tri cú
tr nhit v khụng cú tr nhit
2.3.1. H thng s dng cht chuyn pha dựng bỡnh cha 80 lit
_Lng nhit cn thit lm tng nhit nc t t
o
n T
m
=60
0
C
Q
ct

= m
n
.C
pn
.t= 40.1.16.(60 -28) =1,48 KWh
_Nhit tớch tr ca paraffin l: Q
tt
= m
f
.C
pr
.(t
c
-t
o
)+r.m
f
+m
f
.C
pl
.(t
m
-t
c
) = 3,42 KWh
_Nhit hu ớch h thng nhn c: Q
hi
=Q
ct

+Q
tt
= 1,48+ 3,42 = 4,9 KWh
2.3.2. H thng khụng s dng cht chuyn pha dựng bỡnh cha 80 lit
_Lng nhit cn thit lm tng nhit nc t t
o
n T
m
=65
0
C
Q
ct
= m
n
.C
pn
.t = 80.1.16.(65 -28) =3,43 KWh
_Nhit tớch tr ca nc l: Q
tt
= m
n
.C
pn
.(T
n
-t
o
) = 0,58 KWh
_Nhit hu ớch h thng nhn c: Q

hi
=Q
ct
+Q
tt
=3,43+ 0,58 = 4,01 KWh
2.3.3. H thng khụng s dng cht chuyn pha dựng bỡnh cha 120 lit
_Lng nhit cn thit lm tng nhit nc t t
o
n T
m
=56
0
C
Q
ct
= m
n
.C
pn
.t=120.1.16.(61 -28) =4,59 KWh
_Nhit tớch tr ca nc l: Q
tt
= m
n
.C
pn
.(T
n
-t

o
) = 0,139 KWh
_Nhit hu ớch h thng nhn c Q
hi
=Q
ct
+Q
tt
= 4,59+ 0,139 = 4,73 KWh
Bng2.2 So sỏnh h thng cú s dng cht chuyn pha v khụng s dng cht chuyn pha
Loi h thng H thng cú s dng
cht chuyn pha
H thng khụng s dng cht chuyn
pha
Th tớch bỡnh cha (l)
80 80 120
Din tớch b thu (m
2
)
2 2 2
Nhit lng cung cp
cho b thu (KWh)
Q
cc
= 4,9.1,92=9,4 Q
cc
=4,9.1,92=9,4 Q
cc
= 4,9.1,92=9,4
Nhit hu ớch h thng

nhn c (KWh)
Q
hi
= 4,9 KWh Q
hi
= 4,01 Q
hi
= 4,73
Sn lng nc núng
thu c
M = 227,6 M = 158,4 M=186,2
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
156

Hình 2.3. Đồ thị so sánh giữa bình chứa 120 Hình 2.4 Đồ thị so sánh giữa bình chứa 80 lít
và bình chứa 80 lit có trữ nhiệt
2.4. So sánh hiệu quả kinh tế phương án cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời
có trữ nhiệt và không có trữ nhiệt
2.4.1. Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời không có trữ nhiệt dùng bình chứa 80 lit
Giá thành ban đầu của hệ thống: T = 5600000 VNĐ
Lượng nước nóng sản xuất ra trong 1 ngày M = 158,4 lit
Giả sử giá thành 1 kg nước nóng là 300VNĐ
Thời gian hoàn vốn của hệ:τ =
117
4,158.300
5600000
.300 M
T
ngày ≈ 3,9 tháng
Số tiền do hệ tạo ra sau 1 năm: P = 300.158,4.365= 17344800 VND

2.4.2. Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời không có trữ nhiệt dùng bình chứa 120 lit
Giá thành ban đầu của hệ thống: T = 6500000 VNĐ
Lượng nước nóng sản xuất ra trong 1 ngày M = 186,2 lit
Giả sử giá thành 1 kg nước nóng là 300VNĐ
Thời gian hoàn vốn của hệ:τ =
119
198.300
6500000
.300 M
T
ngày ≈ 3,8 tháng
Số tiền do hệ tạo ra sau 1 năm: P = 300.198.365= 20388900 VND
2.4.3. Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời có trữ nhiệt dùng bình chứa 80 lit
Giá thành ban đầu của hệ thống: ∑T = T
paraffin
+ T
thép
+ T
panel+bình chứa
T
paraffin
= 36,1. 24000 = 866400 VND:T
thép
= 174. 15000 = 2610000 VND
T
panel+bình chứa
= 5600000 VND
Vậy: ∑T = 866400 + 2610000 + 5600000 = 9076400 VND
Lượng nước nóng sản xuất ra trong 1 ngày M = 227,6lit
Giả sử giá thành 1 kg nước nóng là 300VNĐ

Thời gian hoàn vốn của hệ:τ =
6,227.300
9076400
.300 M
T
132 ngày ≈ 4,4 tháng