THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ II
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD

: ThS. LÊ LĂNG VÂN.

SINH VIÊN THỰC HIỆN

: PHẠM THANH Ý

LỚP
KHÓA

: CƠ - ĐIỆN TỬ.
: 47.
HCM – 5/2011

1


MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt
trời (NLMT) cho gia đình (3-4 người) đơn giản, rẻ tiền, dễ chế tạo mà
một người bình thường cũng có thể tự làm được.

2


NỘI DUNG BÁO CÁO

1. Giới thiệu sơ lược về NLMT
2. Ứng dụng của NLMT
3. Tính toán thiết kế hệ thống nước nóng sử dụng NLMT cho gia đình 3-4
người.

4. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm SOLIDWORD.
5. đánh giá hệ thống.

3


1. GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NLMT

1.1 MẶT TRỜI:



Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,86%
khối lượng của Hệ Mặt Trời



Trái Đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành tinh, thiên
thạch, sao chổi, và bụi quay quanh Mặt Trời



Ánh sáng Mặt Trời cần 8 phút 19 giây mới đến được Trái Đất.

4


1. GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NLMT




Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K



Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên
đến 9.1024Kwh (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng ra
một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một
năm trên Trái Đất).

Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. 4H => He + 2
Neutrino + γ

5


1. GiỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NLMT

1.2 BỨC XẠ MẶT TRỜI



Bức xạ mặt trời là bức xạ điện từ do bề mặt nóng sáng của mặt trời chiếu lên các
tấm hấp thu bức xạ mặt trời đặt trên bề mặt của trái đất.



Bức xạ mặt trời bao gồm bức xa tử ngoại (tia cực tím) , tia sáng thường, và vùng
hồng ngoại gần.

6


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.1. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT:

Ứng dụng rất phổ biến, góp phần tiết kiệm năng lượng
và bảo vệ môi trường.

7


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.2 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời:
Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ

biến trong nông nghiệp để sấy các sản phẩm như
ngũ cốc, thực phẩm ...

8


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.3. Pin Mặt Trời:

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi
quang điện.

9


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.4 Đèn tín hiệu giao thông chạy bằng NLMT
Hệ thống sử dụng pin mặt trời để cấp điện cho đèn
tín hiệu giao thông.
Một số tỉnh ở Việt Nam đã lắp đặt hệ thống đèn
tín hiệu giao thông sử dụng NLMT như : Đông Nai, Đà
Nẵng…

10


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.5 Bếp nấu dùng NLMT:
2.5.1 Bếp hình hộp:

o
Có nhiệt độ khoảng 150 C được chế tạo từ các
vật liệu rẻ tiển như các tấm cactông cách nhiệt bằng
các loại giấy báo, vài vụn, trấu...

11


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.5.2 Bếp Parabol:

Được sử dụng nhiều vì bếp tạo được nhiệt độ
o
cao khoảng 400 C nhưng cần phải chỉnh mặt chảo
xoay theo ánh nắng mặt trời và khó chế tạo.

12


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.5.3 Bếp 2 lớp nồi
Bếp gồm hai lớp nồi, nồi phía trong màu đậm để
hút sức nóng mặt trời, lớp vỏ ngoài để cho nắng rọi vào
và giữ lại sức nóng không cho thoát đi. Đáy nồi phía
trong bầu, nên nắng cũng soi vào được. Nắp nồi trong,

người ta có thể quan sát thức ăn trong khi nấu.

13


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.6 Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
Là thiết bị có cấu tạo đơn giản. Một đầu
động cơ được đốt nóng, phần con flaij để nguội và
công hữu ích được sinh ra.
Bất kể vật gì đốt cháy được đều có thể dùng
để chạy động cơ stirling

14


2. ỨNG DỤNG CỦA NLMT

2.7 Tính cấp thiết của đề tài:
NLMT là nguồn năng lượng sạch và dồi dào, đang được loài người thực sự quan tâm. Do đó việc
nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề
có tính cấp thiết.
Trong các ứng dụng về NLMT thì đun nước nóng sử dụng NLMT là phổ biến nhất. Thiết kế ra một thiết
bị đơn giản với chi phí thấp sẽ giúp cho việc sử dụng NLMT ở nước ta trở lên rộng rãi hơn, giúp giảm phụ
thuộc vào năng lượng điện. Đồng thời, nó cũng giúp người dân tiết kiệm chi phí sinh hoạt trong khi giá cả
đang leo thang như hiện nay.

15

3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

Nguyên lý hoạt động:

16


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

3.1 Collector (Bộ Thu):






Kích thước bộ thu 1,8m2(0,9x0,9m)
Các ống dọc làm bằng kẽm Ф15 dài 0.9m
Các ống dọc nối với 2 ống gốp Ф20 bởi
các cut T
Sau khi tính toán các ống dọc cách nhau
30mm

17


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

Công thức và thông số tính toán cho bộ thu
Ở đây ta thiết kế lượng nước nóng một ngày cần là G = 120Kg, ở nhiệt độ 50 0C, Kích thước của Collector được
xác định nhờ công thức:
( Công thức 4.73, Năng lượng mặt trời-lý thuyết và ứng dụng, TS. Hoàng Dương Hùng)

•
•
•

F : Diện tích bề mặt Collector cần thiết (m 2)
η : Hiệu suất của hệ thống (%)
R : Cường độ bức xạ mặt trời nơi lắp đặt, lấy trung bình theo ngày từ thống kê của trung tâm khí tượng thủy
văn (KWh/m2)

18


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

Q : Lượng nhiệt cần thiết (KWh), được tính theo công thức:

•
•
•
•

G: là lượng nước nóng cần thiết, Kg.

tnn: Nhiệt độ nước nóng yêu cầu, tnn = 50oC.
tnl:: Nhiệt độ nước lạnh cung cấp, tnl = 25oC.
Cn: Nhiệt dung riêng trung bình của nước, Cn =1,16Wh/Kg.oC.

Với số liệu trên ta tính được nhiệt lượng cần thiết trong 1 ngày là:
Q = 120 . ( 50 – 25 ) . 1,16 = 3480Wh = 3,48 kWh
Dựa vào bảng 1.5 ở chương I ta có Cường độ bức xạ trung bình theo ngày tại thành phố hồ chí minh là R = 4.8 (kWh/n)
: hiệu suất bộ thu dạng dãy ống là 40%. ta có:

19


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

3.2 Bình chứa:
Bình chứa được làm từ thùng nhựa 160lit và được bọc bông thủy tinh dày 50mm. Bên ngoài bọc tôn.

20


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

Tính tổn thất nhiệt:
Tổn thất nhiệt qua thùng nhựa (khi chưa bọc lớp cách nhiệt):
Q1 = k1.F.∆t1 (W) .
Với Q1 là lượng nhiệt tổn thất qua thùng nhựa, W.
k1: hệ số truyền nhiệt qua thùng nhựa, k = 0,16W/m2.K.
∆t1: độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 bề mặt, oC

∆t = (50-25) = 25oC = 298 K.
F: diện tích toàn phần bình chứa được bọc kín lớp cách nhiệt, m2.
F = 2,4m2.
⇒ Q1 = 0,16.2,4.289= 110W.

21


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI
Tổn thất nhiệt qua bình chứa khi đã bọc lớp cách nhiệt:
Q2 = k2.F.∆t2 (W) (3.5).
Với Q2 là lượng nhiệt tổn thất qua bông thủy tinh, W.
k2: hệ số truyền nhiệt qua bông thủy tinh, k = 0,033W/m2.K.
∆t2: độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 bề mặt, oC
∆t2 = (50-25) = 25oC = 298 K.
⇒ Q2 = 0,033.2,4.289 = 23W.

22


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

3.3. Ống nối dẫn nước:
Ống nước nóng và ống nước lạnh được sử dụng là ống nhựa PPR 20mm. Trên các ống
nối của đường nước lên và xuống bình chứa đều có rắc-co để dễ dàng trong lắp đặt.

23

3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

3.4 Giá đỡ:
Giá đỡ được hàn từ các thanh thép rỗng như
hình vẽ sao cho bề mặt đỡ song song với
khung gỗ collector và tạo với mặt phẳng
nằm ngang một góc 30-45 độ

24


3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG DÙNG CHO GIA ĐÌNH TỪ 3-4 NGƯỜI

3.5 Khung gỗ:
Được làm bằng gỗ có tính năng cách nhiệt và
độ bền cao. Sơn lớp sơn mỏng ở ngoài để
tăng tuổi thọ cho khung

25