Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu tấm phẳng trong hệ thống sấy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (941.41 KB, 78 trang )
trêng ®¹I häc n«ng nghiÖp Hµ Néi
Khoa c¬ ®iÖn
---------------------------
TRẦN XUÂN TRUNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời
kiểu tấm phẳng trong hệ thống sấy
Đồ án tốt nghiệp
Đinh Văn Huấn_CKĐL51
Hµ NéI – 2011
2
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
trêng ®¹I häc n«ng nghiÖp Hµ Néi
Khoa c¬ ®iÖn
---------------------------
TRẦN XUÂN TRUNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu
tấm phẳng trong hệ thống sấy
3
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
ỏn tt nghip
Trn Xuõn Trung CKL K2 - H
======================================================
Chuyên ngành
: Cơ khí động lực
Giáo viên hớng dẫn
: ThS. TRNG TH TON
Hà NộI 2011
LI CM N
Trong sut thi gian hc tp ti khoa Cụng Ngh trng i hc Hng
c v khoa C in trng i Hc Nụng Nghip H Ni tụi ó c s
giỳp ca gia ỡnh, bn bố v s ch dn tn tỡnh ca cỏc thy cụ giỏo.
Tụi xin by t lũng bit n sõu sc ti gia ỡnh, b m nhng ngi ó
sinh ra tụi v to mi iu kin cho tụi v vt cht v tinh thn tụi hon
thnh ỏn ny.
Tụi xin chõn thnh cm n ThS. Trng Th Ton, B mụn ng lc,
khoa C in - Trng i hc Nụng Nghip H Ni ó trc tip hng dn
tụi hon thnh tt ti.
4
HNN H Ni
Khoa C in
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo trong Bộ môn động
lực, các thầy cô trong khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội
đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt đồ án này.
Tôi cũng xin cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian qua.
Tuy nhiên do năng lực của bản thân còn hạn chế, do thời gian thực tập
có hạn vì vậy trong đề tài không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận
được sự quan tâm, góp ý chỉ bảo của các thầy cô và bạn bè để đề tài của tôi
được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011
Sinh viên
Trần Xuân Trung
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU
5
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ COLLECTOR MẶT TRỜI
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Năng lượng mặt trời ............................................................................1
1.1.2. Tiềm năng và nhu cầu về năng lượng mặt trời ở Việt Nam ................3
1.1.3. Những ứng dụng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam ........................5
1.2. CÁC LOẠI COLLECTOR MẶT TRỜI DÙNG ĐỂ ĐỐT NÓNG
KHÔNGKHÍ ...................................................................................................8
1.2.1 Collector phẳng ....................................................................................8
1.2.2. Collector dạng zic zắc .........................................................................9
1.2.3. Collector dạng tập trung ......................................................................9
1.3. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI..........................................11
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
SẤY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .........................................................................12
2.1.1.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời ..12
2.1.2. Các loại thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được
sử dụng trên thế giới ..................................................................................14
2.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA COLLECTOR TRONG HỆ THỐNG SẤY
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ........................................................................25
6
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
2.2.1. Đặc điểm cấu tạo của collector trong hệ thống sấy năng lượng
MT ......25
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của collector trong hệ thống sấy NLMT .........26
CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG
CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA COLLECTOR MẶT
TRỜI KIỂU TẤM PHẲNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG
CỦA HỆ THỐNG SẤY
3.1. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM............................................................................28
3.1.1. Các thông số cần khảo sát.....................................................................28
3.1.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .........................................................................29
3.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .......................................................................30
LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .....................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................54
7
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam là nước có nền nông nghiệp phát triển. Sản phẩm nông
nghiệp không chỉ đáp ứng được nhu cầu trong nước mà còn suất khẩu ra nước
ngoài. Song chất lượng nông sản của Việt Nam còn kém so với nhiều nước
trong khu vực và trên thế giới như Thái Lan, Trung Quốc,... Một trong những
nguyên nhân làm giảm chất lượng của nông sản Việt Nam là quá trình bảo
quản sau thu hoạch.
Sấy nông sản là khâu quan trọng và không thể thiếu trong quá trình sản
xuất, bảo quản và chế biến nông sản sau thu hoạch.
Hiện nay công nghệ sấy nông sản rất đa dạng và phong phú cả về
phương pháp sấy và nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy. Đối với những
công nghệ sấy lại có những ưu, nhược điểm nhất định và phù hợp với từng
loại nông sản khác nhau. Việc tìm ra một công nghệ sấy có chi phí thấp, chất
8
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
lượng sản phẩm cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường đang là vấn đề
được các nhà nghiên cứu và nhiều người trong xã hội quan tâm.
Công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng ở
nhiều nước trên thế giới với kết quả tương đối khả quan. Để ứng dụng công
nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam
thì việc nghiên cứu về các loại thiết bị thu nhiệt từ năng lượng bức xạ mặt trời
là cần thiết.
Việt Nam là nước có tiềm năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời lớn.
Lượng bức xạ mặt trời nhận được hàng năm khá lớn, vào lúc cao điểm trong
ngày hè có thể lên tới 1200 (W/m 2) và tổng số giờ nắng cao, trung bình năm
là 1600 giờ ở phía Bắc và 2700 giờ ở phía Nam.
Trên cơ sở đó, dưới sự hướng dẫn của thạc sĩ: Trương Thị Toàn - giảng
viên khoa Cơ Điện - Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, tôi đã tiến hành
thực hiện đề tài: "Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu
tấm phẳng trong hệ thống sấy". Mục đích của đề tài nhằm tìm hiểu về một
số loại thiết bị trong hệ thống sấy và ngày một hoàn thiện hơn các thiết bị,
phương pháp sấy trong việc tăng cường năng suất, giảm chi phí phí về năng
lượng hoá thạch cũng như ảnh hưởng của môi trường đến quá trình sấy nông
sản.
Sau thời gian thực hiện, đề tài trên đã được hoàn thành với sự hướng
dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo, sự cố gắng của bản thân cùng với sự
giúp đỡ của bạn bè.
Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo Trương Thị Toàn cùng toàn thể các
thầy giáo, cô giáo và các bạn trong khoa Cơ Điện đã nhiệt tình giúp đỡ tôi
trong thời gian thực hiện đề tài vừa qua để tôi hoàn thành tốt việc nghiên cứu
của mình.
9
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2011
Sinh viên
Trần Xuân Trung
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ COLLECTOR MẶT TRỜI
10
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Năng luợng mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,39.10 6 km với nhiệt
độ bề mặt là 5762oC. Có thể nói mặt trời là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng
lồ biến Hyđrô thành Hêli với công suất nhiệt 4.1023 kW. Năng lượng mặt trời
phát ra trong một năm tương đương với 400.000 tỷ tấn nhiên liệu quy ước
nhưng trái đất chỉ nhận được một phần nhỏ khoảng 200 tỷ tấn nhiên liệu quy
ước. Vào những ngày quang mây năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề
mặt trái đất có thể lên tới 1200 W/m2.
Năng lượng mặt trời phát ra dưới dạng sóng điện từ và do nhiệt độ mặt
trời cao nên phần lớn năng lượng phát ra ở vùng bước sóng ngắn: 98% năng
lượng tập trung ở vùng bước sóng nhỏ hơn 3 μm và khoảng 50% năng lượng
bức xạ phát ra trong vùng ánh sáng trắng (λ= 0,4 ÷ 0,76μm).
Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển có sự thay đổi do
khoảng cách giữa mặt trời và trái đất luôn thay đổi theo mùa trong năm. Tuy
nhiên sự thay đổi này không lớn lắm. Vì vậy, có thể xem mật độ dòng bức xạ
trực xạ tại một bề mặt ở sát lớp ngoài khí quyển hầu như không thay đổi nên
được gọi là hằng số mặt trời có giá trị q = 1353W/m2. Mật độ dòng tán xạ trên
mặt đất vào những ngày trời trong là khoảng 40 đến 90 W/m2.
Bức xạ mặt trời lan truyền với tốc độ 3.105 km/s sau 8 phút đã đạt tới
quỹ đạo của trái đất ở cách mặt trời 1,5.10 8 km. Khi truyền qua lớp khí quyển
bao bọc xung quanh trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi
ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền
trực tiếp tới trái đất. Phần lớn các tia bức xạ cực tím có bước sóng nhỏ hơn
0,3μm đã bị hấp thụ khi đi qua lớp khí quyển. Kết quả là hầu như toàn bộ
11
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
năng lượng bức xạ mặt trời đập tới bề mặt trái đất có chiều dài bước sóng nằm
trong khoảng 0,3÷3μm. Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời được gọi là bức xạ
trực xạ. Bức xạ toàn phần trên bề mặt là tổng bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ
trên bề mặt đó.
It = Itr + Itan
Trong đó : It - Cường độ bức xạ toàn phần
Itr - Cường độ bức xạ trực xạ
Itan- Cường độ bức xạ tán xạ
Tỷ lệ giữa bức xạ tán xạ và bức xạ toàn phần thay đổi trong khoảng
10% vào ngày trời không mây đến 100% vào ngày trời nhiều mây.
Lượng bức xạ mặt trời nhận được tại một nơi nhất định trên trái đất phụ
thuộc vào vị trí địa lý và thời gian. Nó không những thay đổi theo thời gian
trong ngày mà còn thay đổi theo mùa trong năm.
Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào khoảng cách tương đối giữa
mặt trời với điểm quan sát trên trái đất. Trong một ngày khoảng cách này sẽ
giảm dần từ khi mặt trời mọc đến khi đạt giá trị thấp nhất vào giữa trưa khi
mặt trời ở trên đỉnh đầu, sau đó lại tăng dần cho tới khi mặt trời lặn. Như vậy
cường độ bức xạ tương ứng sẽ tăng dần trong buổi sáng cho tới khi đạt giá trị
lớn nhất Imax vào giữa trưa sau đó lại giảm dần trong buổi chiều.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào
đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng
đường đó gắn liền với sự tán xạ và hấp thụ bức xạ. Sự hình thành các mùa
trong năm là do độ nghiêng của trục trái đất so với mặt phẳng hoành đạo là
23,5o. Tại vị trí nhất định trên quỹ đạo, phần bán cầu nào nghiêng về phía mặt
trời sẽ nhận được lượng bức xạ trực xạ nhiều hơn với thời gian chiếu sáng dài
hơn trong một ngày so với bán cầu kia.
12
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
23,5
Độ nghiªng
22/6
21/3
MÆt trêi
B¾c cùc
Hướng quay của
trái đấy
22/12
23/9
13
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Hình 1.1. Trái đất trên quỹ đạo chuyển động quanh mặt trời.
Từ vị trí quan sát trên trái đất, sự thay đổi của vị trí mặt trời theo thời
gian trong năm được minh hoạ như hình 1.1. Vào ngày 22 tháng 6 mặt trời ở
vị trí gần Bắc bán cầu nhất và đi qua đỉnh đầu vào lúc giữa trưa tại chí tuyến
Bắc (vĩ tuyến 23,5oN). Kết quả là Bắc bán cầu nhận được ánh sáng mặt trời
nhiều nhất vào ngày này trong năm. Khi trái đất tiếp tục quay theo quỹ đạo
của nó, mặt trời sẽ dịch chuyển tương đối về phía Nam bán cầu làm cho thời
gian được chiếu sáng ở phần Nam bán cầu trong một ngày dài hơn Bắc bán
cầu. Vào ngày 23 tháng 9, mặt trời trực tiếp đi qua thiên đỉnh tại xích đạo nên
cả hai bán cầu đều nhận được ánh sáng mặt trời như nhau trong ngày. Sau đó
mặt trời tiếp tục di chuyển tương đối về phía Nam cho đến khi qua thiên đỉnh
tại chí tuyến Nam (Vĩ tuyến 23,50 Bắc) vào ngày 22 tháng 12. Trong ngày này
Bắc bán cầu có thời gian chiếu sáng ít nhất và Nam bán cầu có thời gian chiếu
sáng nhiều nhất. Sau khi đạt tới vị trí thiên đỉnh ở Nam chí tuyến, mặt trời lại
di chuyển tương đối về phía Bắc bán cầu và đi qua xích đạo lần nữa vào ngày
21 tháng 3 rồi đối diện trực tiếp với chí tuyến Bắc vào ngày 22 tháng 6, hoàn
thành một chu kỳ chuyển động của trái đất quanh mặt trời trong một năm.
1.1.2. Tiềm năng và nhu cầu về năng lượng mặt trời ở Việt Nam
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, với lợi thế là
một quốc gia nằm ở giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên
bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Trải dài từ vĩ độ 23 o23” Bắc đến 8o27”
Bắc, với dải bờ biển dài hơn 3.000km, trị số tổng xạ lên tới 100 ÷ 175
kcal/cm2.năm, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi
không thể đưa điện lưới đến được. Tổng số giờ nắng cao, trung bình năm là
1600 giờ ở phía Bắc và 2700 giờ ở phía Nam.
Bức xạ mặt trời là yếu tố đặc trưng cho nguồn năng lượng từ mặt trời,
sự thay đổi vĩ độ của cường độ bức xạ trực tiếp thể hiện khá rõ trong những
tháng mùa đông và hầu như không thể hiện trong những tháng mùa hè.
14
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Theo dõi những giá trị trung bình ngày của tổng lượng bức xạ trực tiếp
quan sát ở các địa phương trên miền Bắc ta thấy: Cường độ bức xạ nhỏ nhất
vào tháng 1 và tháng giữa mùa đông. Tổng lượng bức xạ trực tiếp trung bình
ngày khi trời ít mây đạt khoảng 0,28 kcal/cm2.ngày ở Nghệ An - Quảng Bình.
Từ tháng hai đến tháng ba trở đi, cường độ bức xạ tiếp tục tăng dần đạt
khoảng 0,35 kcal/cm2.ngày ở khu vực Đông Bắc - đồng bằng Nam bộ và 0,38
kcal/cm2.ngày ở Tây Bắc và trên 0,4 kcal/cm2.ngày ở khu vực từ Nghệ An trở
vào. Ta thấy rằng cường độ bức xạ tháng ba giảm so với tháng một là do vào
thời điểm này độ ẩm trong không khí cao vì trời hay mưa phùn.
Từ tháng tư và tháng năm mặt trời dịch lên dần vĩ độ phía Bắc, cường
độ bức xạ trực tiếp tăng vọt lên đến giá trị 0,5 kcal/cm 2.ngày. Trên khắp miền
Bắc hầu như không thấy sự phân hoá giữa các vùng theo cả phương Bắc Nam
và phương Đông Tây. Vào tháng bảy và tháng tám ứng với thời kỳ mặt trời
đang ở cao nhất trên các vĩ độ Bắc. Tháng bảy có cường độ bức xạ lớn nhất
đạt khoảng 0,58 ÷ 0,6 kcal/cm2.ngày.
Từ tháng chín đến tháng mười hai, cường độ bức xạ trực tiếp ở thời kỳ
giảm dần, những biến đổi này xảy ra rất nhanh ở các vĩ độ cao và chậm dần
khi càng đi về vĩ độ thấp. Ở khu vực Đông Bắc vào tháng mười hai thì cường
độ bức xạ trực tiếp giảm xuống 0,3 kcal/cm 2.ngày trong khi ở khu vực Nghệ
An trở vào vẫn còn 0,35 kcal/cm2.ngày.
Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ
để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các
vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc
phòng,... Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến
nay chưa phát triển do chi phí đầu tư để khai thác, giá thành thiết bị cao,…
Nếu so với một số nước ở châu Phi hay châu Á có cùng hoàn cảnh, Việt
Nam vẫn còn đi sau họ. Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ
nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách
15
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ
lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng.
1.1.3. Những ứng dụng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ
rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và
quy mô rộng thì mới chỉ thực hiện vào những năm gần đây.
Các ứng dụng năng lượng mặt trời chủ yếu hiện nay bao gồm hai lĩnh
vực chủ yếu. Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành
điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời, các
pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ
mặt trời chiếu tới. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới
dạng nhiệt năng nhờ các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích luỹ nó dưới
dạng nhiệt năng để dùng vào mục đích khác nhau.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện nhờ vào pin mặt trời
đã được thực hiện ở một số khu vực như dự án phát điện ghép giữa pin mặt
trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện
Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống pin mặt trời là 100
kW và của thuỷ điện là 25 kW và đã được đưa vào vận hành từ cuối năm
1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản
lý và vận hành. Dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió phát
điện với công suất là 9 kW, trong đó pin mặt trời là 7 kW. Dự án trên được lắp
đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực
hiện. Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện
cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình. Hệ thống điện do sở
Công thương tỉnh quản lý và vận hành và rất nhiều dự án về pin mặt trời đã và
đang được xây dựng trên cả nước.
16
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Bức xạ mặt trời
Tấm pin mặt trời
Bộ điều khiển
Bộ biến tần
Ắc quy
Tải xoay
chiều AC
Tải một
chiều DC
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống năng lượng điện mặt trời.
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của năng lượng
mặt trời là dùng để đun nước nóng. Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng
bằng năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội,
Thành phố HCM, Đà Nẵng và nhiều tỉnh thành trong cả nước.(hình 1.3). Các
hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng
lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng
lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại.
17
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Collector mặt trời
Nước nóng
Nước lạnh
Bơm điện
Bình nước nóng
Hình 1.3. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời.
Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nấu. Năm 2000, Trung
tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng
đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án đưa bếp năng
lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng nông thôn của
tỉnh Quảng Nam dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng được đông đảo nhân
dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng
ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển
để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng năng lượng mặt trời.
Ứng dụng năng lượng mặt trời để chạy động cơ Stirling dùng để bơm
nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại, chưng cất nước sạch và đặc biệt
là dùng để sấy khô các loại sản phẩm như lúa, ngô, gỗ,…
18
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
1.2. CÁC LOẠI COLLECTOR MẶT TRỜI DÙNG ĐỂ ĐỐT NÓNG
KHÔNG KHÍ
1.2.1 Collector phẳng
Collector phẳng có mặt hấp thụ ánh sáng dạng tấm phẳng. Hình 1.4
trình bày sơ đồ cấu tạo chung của collector phẳng.
Hình 1.4. Sơ đồ cấu tạo của collector phẳng.
So với các loại collector khác thì collector dạng tấm phẳng có một số ưu
điểm như: có thể hấp thụ tất cả các loại tia bức xạ, không cần quay theo mặt
trời, dễ gia công, không cần bảo trì thường xuyên và giá thành khá rẻ.
Collector phẳng được chia thành nhiều loại khác nhau như: collector loại
tấm trần, collector dòng trên, dòng dưới và dòng song song.
1.2.2. Collector dạng zic zắc
Cấu tạo của collector dạng này gần giống như collector phẳng chỉ khác
ở chỗ là bề mặt hấp thụ có dạng zic zắc (Hình 1.5). Mục đích làm mặt hấp thụ
có dạng zic zắc là để tăng diện tích bề mặt hấp thu nhiệt, đồng thời tăng hiệu
suất hấp thụ nhiệt do các tia bức xạ tới được phản xạ và hấp thụ nhiều lần.
19
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Bức xạ mặt trời
Hình 1.38. Collector zíc zắc
Hình 1.5. Collecor dạng zic zăc.
Để đạt được hiệu suất cao nhất khi sử dụng thiết bị dạng này thì góc
nghiêng và kích thước của tấm hấp thụ là yếu tố được quan tâm nhất khi tính
toán thiết kế.
1.2.3. Collector dạng tập trung
Cấu tạo của collector dạng tập trung gồm hai phần ( hình 1.6 ): Bề mặt thu
nhận (bề mặt hứng các tia trực xạ) và bề mặt tiếp nhận.
Bề mặt thu nhận có nhiệm vụ hứng các tia trực xạ và hội tụ thành một
điểm hoặc một đường tại đó có đặt một mặt tiếp nhận. Mặt tiếp nhận có tác
dụng hấp thụ và bị làm nóng bởi các tia bức xạ từ mặt thu nhận hội tụ lại tại
mặt tiếp nhận này và chuyển thành nhiệt.
Nhìn chung, nhiệt độ làm việc của collector dạng tập trung lớn hơn so
với nhiệt độ làm việc của collector dạng tấm phẳng. Vì vậy, người ta thường
thay thế collector dạng tấm phẳng bằng collector dạng tập trung khi nhiệt độ
20
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
làm việc vượt quá 100oC. Về nguyên tắc, collector dạng tập trung cần phải
được cho quay theo mặt trời nhằm đảm bảo các tia trực xạ có thể được phản
chiếu tốt nhất đến bề mặt tiếp nhận của collector.
Hình 1.6. Collector tập trung.
Khi nghiên cứu về collector dạng tập trung này ta cần phải chú ý đến
một thông số đặc biệt thể hiện tính đặc thù của loại collector này, đó là tỷ số
giữa diện tích bề mặt hứng các tia trực xạ A a và diện tích bề mặt tiếp nhân Ar,
ta gọi đó là tỷ số tập trung CR (Concentration Ratio).
Khi đó ta có:
CR = Aa
Ar
Collector dạng tập trung có hai loại điển hình là dạng chỏm cầu (mặt
tròn xoay) và dạng lòng máng. Loại chỏm cầu có độ hội tụ cao, hội tụ về 1
điểm có nghĩa là có tỷ số CR cao do đó cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng
ngàn độ. Còn loại lòng máng có độ hội tụ trung bình, hội tụ thành một dải
(một đường) vì vậy tỷ số CR nhỏ hơn của loại chỏm cầu, loại này có nhiệt độ
khoảng từ 350 ÷ 500 oC.
21
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Các loại collector trên dùng để đốt nóng không khí hoặc chất lỏng, được
dùng để phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các hệ thống, thiết bị,...sử dụng
năng lượng măt trời nhằm phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất của con người.
1.3. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Nhằm tìm hiểu và đánh giá về hoạt động của thiết bị đốt nóng không
khí bằng năng lượng mặt trời trong hệ thống sấy và hoàn thiện hơn cũng như
ảnh hưởng của môi trường đến quá trình sấy nông sản, chúng tôi đã tiến hành
thực hiện đề tài : " Nghiên cứu một số thông số của collector mặt trời kiểu
tấm phẳng trong hệ thống sấy ".
Với nhiệm vụ đặt ra của đề tài :
1. Tìm hiểu một số thông số về thời tiết, khí hậu của nước ta có ảnh
hưởng đến khả năng sử dụng năng lượng mặt trời.
2. Tìm hiểu kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy dùng năng
lượng mặt trời.
3. Tìm hiểu kết cấu và nguyên lý hoạt động của các loại collector đã và
đang sử dụng trong hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời.
4. Lựa chọn collector phù hợp với hệ thống sấy dùng năng lượng mặt
trời cho từng loại nông sản nhất định.
5. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của một số thông số của collector
mặt trời kiểu tấm phẳng đến hoạt động của hệ thống sấy.
22
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
CHƯƠNG 2
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY DÙNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời
2.1.1.1. Nguyên lý cấu tạo của hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời
23
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời có cấu tạo gồm: Thiết bị đốt nóng
không khí, đường ống dẫn không khí, quạt gió, van điều chỉnh và buồng sấy
như hình vẽ 2.1.
Khí lạnh vào
2
1
Khí nóng ra
6
3
4
5
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy bằng năng lượng MT.
1 - Collector mặt trời
2 - Bức xạ mặt trời
4 - Van
5 - Quạt gió
3 - Ống dẫn khí
6 - Thiết bị sấy
Thiết bị làm nóng không khí có vai trò rất quan trọng trong hệ thống sấy
gồm nhiều tấm collector ghép lại với nhau nhằm làm tăng nhiệt độ của không
khí trước khi đưa vào buồng sấy. Tuỳ theo lượng không khí đưa vào buồng
sấy mà ta chọn số lượng collector cho phù hợp. Với hệ thống sấy mà chúng
tôi nghiên cứu thì thiết bị được ghép từ 6 collector.
Đường ống dẫn có nhiệm vụ dẫn không khí nóng từ thiết bị làm nóng
không khí qua quạt gió vào buồng sấy. Ống thường được làm từ nhựa để giảm
sự truyền nhiệt từ không khí nóng ra ngoài môi trường. Tuỳ theo khoảng cách
24
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
Đồ án tốt nghiệp
Trần Xuân Trung – CKĐL K2 - HĐ
======================================================
giữa thiết bị đốt nóng không khí và buồng sấy mà đường ống được bố trí một
cách hợp lý để giảm tối đa hao tổn đường ống.
Quạt gió có nhiệm vụ hút không khí nóng từ collector và đẩy vào buồng
sấy. Quạt gió hoạt động nhờ một động cơ (thường là động cơ điện). Sự thay
đổi tốc độ quạt phụ thuộc tốc độ của động cơ. Dựa vào chế độ làm việc của hệ
thống mà thay đổi tốc độ quạt cho phù hợp.
Van có tác dụng điều chỉnh lượng không khí vào buồng sấy, được làm từ
tấm tôn mỏng đặt trong đường ống dẫn khí.
Buồng sấy là hình hộp được chế tạo bằng kim loại, bên trong buồng có
cấu tạo phù hợp với từng loại vật sấy khác nhau.
2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống sấy dùng năng lượng MT
Trong hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời, nhiệt được cung cấp bởi
việc hấp thụ trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời của vật sấy. Hơi nước sinh
ra được mang đi bởi không khí thổi ngang qua vật sấy. Không khí chuyển
động được là nhờ đối lưu tự nhiên hoặc thổi cưỡng bức.
Không khí trước khi đi vào buồng sấy sẽ được nung nóng bởi collector
hấp thụ năng lượng mặt trời, không khí sẽ đi qua sản phẩm sấy, làm bốc hơi
nước từ vật sấy, không khí nóng có thể tuần hoàn một vòng và thoát ra ngoài
cùng với hơi nước. Đối với một số thiết bị sấy cho các sản phẩm đặc biệt hoặc
cần thời gian sấy dài thì người ta có thêm nguồn năng lượng phụ để đề phòng
những lúc trời không nắng hoặc vào ban đêm. Tuỳ theo phương thức chuyển
động của dòng khí sấy trong thiết bị và cấu tạo của thiết bị mà có thể phân
chia thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời ra nhiều loại khác nhau.
2.1.2. Các loại thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được sử
dụng trên thế giới
Các thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên
25
ĐHNN Hà Nội
Khoa Cơ – Điện
