Thiết kế máy sấy năng lượng mặt trời 5 kw

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÔN: KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CÔNG SUẤT 5KW
GVHD: Đào Thanh Khê
Nhóm: 2.01
Vũ Huy Dương

2005100005

Đào Thị Hồng Hà

2005100006

Đặng Minh Hoàng

2005100014

Ôn Khả Linh

2005100035

Lý Thuận Long

2005100041

Nguyễn Thanh Nguyên

2005100032

Ngô Thị Ngọc Thạch

2005100926

Trịnh Đình Trung Trực

2005100019

Cao Phương Uyên

2005100017

Trần Thị Hồng Xine

2005100023

TP. HCM, 12/2012


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

BẢNG PHÂN CÔNG

STT
1
2

3

TÊN THÀNH VIÊN
Vũ Huy Dương

MSSV
2005100005

NHIỆM VỤ (mô tả rõ)
Làm phần Tổng quan

Đào Thị Hồng Hà

2005100006

Đặng Minh Hoàng

2005100014

Ôn Khả Linh

2005100035

Lý Thuận Long

2005100041

NguyễnThanh Nguyên

2005100032

Ngô Thị Ngọc Thạch

2005100926

Trịnh Đình Trung Trực

2005100019

Cao Phương Uyên

2005100017

Trần Thị Hồng Xine

2005100023

Làm phần Tổng quan
Tính toán Collecter
Làm phần Tổng quan
Tính toán Collector
Tổng duyệt phần Tổng
quan
Xây dựng công thức
Thiết kế thiết bị sấy
Thiết kế thiết bị sấy
Vẽ thiết bị
Làm phần Tổng quan
Tính toán Collector
Làm phần Tổng quan

Tính toán Collecter
Tổng duyệt toàn bài
Xây dựng công thức
Xây dựng công thức
Thiết kế thiết bị sấy
Vẽ thiết bị
Xây dựng công thức
Thiết kế thiết bị sấy
Vẽ thiết bị

4

5
6
7
8
9

10

KÝ TÊN


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. Năng lượng mặt trời và các ứng dụng ............................................................3
1.2. Các dạng truyền nhiệt....................................................................................4

1.2.1. Dẫn nhiệt .................................................................................................. 4
1.2.2. Đối lưu nhiệt ............................................................................................. 4
1.2.3. Bức xạ nhiệt .............................................................................................. 4
1.3. Sấy bằng năng lượng mặt trời ........................................................................5
1.3.1. Khái niệm ................................................................................................. 5
1.3.2. Các loại máy sấy năng lượng mặt trời........................................................ 6
1.4. Collector.......................................................................................................7
1.4.1. Bề mặt hấp thụ .......................................................................................... 7
1.4.2. Tấm phủ trong suốt ................................................................................... 8
1.4.3. Khung đỡ Collector ................................................................................... 9
1.4.4. Cách nhiệt Collector ............................................................................... 10
CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ SẤY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ CÔNG
SUẤT 5KW..................................................................................................... 11
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................................... 11
2.2. Tính toán và thiết kế Collector ..................................................................... 12
2.2.1. Xây dựng công thức................................................................................. 12
2.2.2. Tính toán Collector ................................................................................. 14
2.3. Thiết kế Collector ....................................................................................... 16
KẾT LUẬN..................................................................................................... 18
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 19


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ngành công nghiệp trên thế giới đang từng bước phát triển mạnh mẽ.
Do đó nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi đó nguồn năng lượng hoá
thạch như than đá, dầu mỏ… ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi phải có một nguồn năng
lượng mới thay thế. Các nguồn năng lượng mới có thể thay thế như: pin nhiên liệu,

năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng gió… Trong đó năng lượng
mặt trời là một trong các nguồn năng lượng thay thế rất có triển vọng đang được
quan tâm nhất hiện nay.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, chi phí nhiên liệu và
bảo dưỡng thấp. Nó đang từng bước được sử dụng mạnh mẽ vào đời sống hàng
ngày với sự xuất hiện đa dạng các sản phẩm như: pin, bếp nấu, thiết bị sấy, bơm
nước nóng... Trong đó các thiết bị sấy được ứng dụng rất cần thiết cho ngành công
nghiệp thực phẩm, và đó cũng chính là mục đích nghiên cứu trong bài tiểu luận này
với đề tài “Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5kW”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và tính toán để đưa ra mô hình thiết bị sấy năng lượng mặt trời có
công suất là 5kW.
3. Nội dung nghiên cứu
- Đưa ra mẫu thiết bị máy sấy dùng năng lượng mặt trời phù hợp
- Vẽ sơ đồ thiết bị máy sấy dùng năng lượng mặt trời
- Tính toán và thiết kế Collector
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu dựa trên lý thuyết
5. Tài liệu nghiên cứu
- Các tài liệu về truyền nhiệt
- Các tài liệu về sấy
1


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

- Các tài liệu về thiết bị trao đổi nhiệt
6. Bố cục tiểu luận
Nội dung của bài tiểu luận gồm 2 chương:
- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Thiết bị sấy năng lượng mặt trời có công suất 5kW
Trong quá trình nghiên cứu bài tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót vì
vậy nhóm chúng em rất mong được thầy và các bạn đọc đóng góp ý kiến thêm để
bài tiểu luận được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2012
Nhóm sinh viên thực hiện

2


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Năng lượng mặt trời và các ứng dụng
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các
nguồn năng lượng mà chúng ta biết.
Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặt trời
phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình. Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn
năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất. Năng
lượng mặt trời dù rất dồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tự
nhiên này thì vẫn còn là một vấn đề lớn.
Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: quang năng và nhiệt năng.
+ Các tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sử dụng
rất rộng rãi. Các tế bào quang điện sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực
tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử
dụng sau đó.
+ Nhiệt năng có thể được sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho
sinh hoạt. Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới, thiết bị đun nước nóng dùng
năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặt trời) hiện đang là một sự bổ

sung quan trọng hay một sự thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông
thường dùng điện hoặc gas.
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8”
bắc đến 23” bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao,
với trị số tổng bức xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm. Do đó việc sử dụng năng
lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin
mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng
cất nước dùng năng lượng mặt trời, dùng năng lượng mặt trời chạy các động cơ
nhiệt…
3


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

Ngày nay, cùng với khoa học ngày càng tiến bộ, nhu cầu của con người ngày
càng cao thì có nhiều ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời hơn, và đã có nhiều
người sử dụng năng lượng mặt trời để sấy nguyên liệu, các loại nông sản…
1.2. Các dạng truyền nhiệt
Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác qua
một tường ngăn cách gọi là truyền nhiệt.
Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời 3 dạng trao đổi nhiệt
cơ bản như: trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt bằng đối lưu nhiệt và trao
đổi nhiệt bằng bức xạ nhiệt.
1.2.1. Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ
thấp do sự truyền động năng hoặc dao động va chạm vào nhau, nhưng không có sự
chuyển rời vị trí giữa các phân tử vật chất.
Dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi truyền nhiệt trong các chất rắn hoặc truyền nhiệt
trong chất lỏng, chất khí đứng yên hay chuyển động dòng.

1.2.2. Đối lưu nhiệt

Nhiệt đối lưu là sự truyền nhiệt mà các phân tử lỏng hoặc khí nhận nhiệt rồi
đổi chỗ cho nhau sự đổi chỗ do chênh lệch khối lượng riêng hay do các tác động cơ
học như: bơm, khuấy…
Quá trình tỏa nhiệt đối lưu xảy ra khi có sự trao đổi nhiệt giữa chất lỏng, chất
khí với bề mặt rắn.
Có hai loại đối lưu là đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức. Đối lưu tự
nhiên: dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng trong chất lỏng, khí,…Đối lưu
cưỡng bức: dòng chuyển động do ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm,…
1.2.3. Bức xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt qua không gian mà không cần vật chất dẫn
tải; đó là sự truyền nhiệt bằng các tia bức xạ cơ bản: photon.
4


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

Một vật bất kỳ nào có nhiệt độ > 00K luôn có sự biến đổi nội năng của vật
thành năng lượng sóng điện từ. Các sóng này truyền đi trong không gian theo mọi
phương theo tốc độ ánh sáng và có nhiều bước sóng  khác nhau
Bảng 1.2.3.1. Chiều dài bước sóng của các tia bức xạ
STT

Chiều dài bước sóng

Các tia bức xạ



1

Tia gama

(0,5  1,0).106 

2

Tia Rơnghen

106  20.103 

3

Tia tử ngoại

20.103  0,4

4

Tia sáng trắng

0,4  0,8

5

Tia hồng ngoại

0,8  400

6

Sóng vô tuyến điện 0,2mm  xkm

Trong kỹ thuật nhiệt người ta quan tâm đến các tia mà ở nhiệt độ thường
chúng có hiệu ứng nhiệt cao (vật có thể hấp thu được và biến thành nhiệt năng) và
người ta thấy tia sáng trắng có hiệu ứng nhiệt cao. Những tia cho hiệu ứng nhiệt
cao được gọi là tia nhiệt. Quá trình phát sinh và truyền những tia ấy gọi là quá trình
bức xạ nhiệt. Đặc điểm của quá trình bức xạ nhiệt là luôn gắn liền với việc chuyển
hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
1.3. Sấy bằng năng lượng mặt trời
1.3.1. Khái niệm

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt. Nhiệt được
cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng
điện trường có tần số cao. Mục đích của quá trình là giảm khối lượng của vật liệu,
tăng độ bền và bảo quản được tốt.
Trong quá trình sấy nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch
tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp
5


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

suất riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh. Sấy là một
quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo thời gian và không gian.
Trong thiết bị sấy năng lượng mặt trời, nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thu
trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời của vật sấy. Hơi nước được sinh ra được mang
đi bởi không khí thổi ngang qua vật sấy. Không khí chuyển động được là nhờ quá

trình đối lưu tự nhiên hoặc do quạt thổi cưỡng bức.
1.3.2. Các loại máy sấy năng lượng mặt trời

 Tủ sấy dùng năng lượng mặt trời
Thiết bị này có hình dạng là một cái tủ,
một mặt của tủ là kính để thu bức xạ mặt trời
chuyển thành năng lượng nhiệt làm tăng nhiệt
của không khí, buồng sấy và các sản phẩm
sấy, còn các mặt khác được bọc cách nhiệt.
Thường thì ánh sáng mặt trời chiếu trực
tiếp đến vật sấy và ẩm thoát ra được không khí
lưu thông cuốn đi, quá trình lưu thông của
không khí có thể là đối lưu tự nhiên hoặc đối

Hình 1.3.2.1. Tủ sấy dùng
năng lượng mặt trời

lưu cưỡng bức do quạt thổi, ẩm được thoát ra từ bên trên.
Thiết bị này được sử dụng để sấy các loại trái cây hay ngũ cốc như lúa
thóc,…
 Thiết bị sấy gián tiếp
Trong các loại thiết bị sấy này, bức xạ mặt trời không trực tiếp chiếu vào sản
phẩm sấy mà thông qua tác nhân sấy. Tác nhân sấy là không khí được làm nóng bởi
các Collector năng lượng mặt trời.
Quá trình lưu thông và tuần hoàn của không khí nóng có thể là tuần hoàn đối
lưu tự nhiên, nhưng thường là tuần hoàn đối lưu cưỡng bức nhờ quạt. Với thiết bị

6

Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

này nhiệt độ sấy có thể cao hơn nên thời gian sấy ngắn hơn và chất lượng sản phẩm
sấy được tốt hơn.
 Thiết bị sấy kiểu nhà kính
Thiết bị này có đặc trưng là có các mặt hướng về phía mặt trời được làm
bằng kính, còn các mặt khác được cách nhiệt tốt và làm bằng vật liệu chịu nhiệt và
không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sấy.

Hình 1.3.2.2. Thiết bị sấy kiểu nhà kính
1.4. Collector
Bản thân Collector tạo thành một hộp không khí kín do đó không khí nóng
không thể thoát ta được, phía sau Collector cũng có lớp cách nhiệt, do đó nhiệt
không thể truyền dễ dàng ra ngoài, phía trước của Collector là một tấm phủ trong
suốt, thường là kính, nhiều khi dùng tấm nhựa trong, lớp phủ trong suốt này còn có
tác dụng làm tăng quá trình hấp thụ nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kính.
1.4.1. Bề mặt hấp thụ

Bề mặt hấp thụ là bề mặt trao đổi nhiệt mà một bên là năng lượng bức xạ mặt
trời được hấp thụ còn bên kia là môi chất cần đun nóng.
Vậy vấn đề là cần phải làm sao để có một Collector mà có thể thu nhận càng
nhiều nhiệt càng tốt và mất mát nhiệt càng ít càng tốt. Không thể có một Collector
và cũng như cách lắp đặt nào hoàn hảo về mọi mặt và thích hợp cho mọi đối tượng.
Để tăng khả năng hấp thụ người ta thường phủ lên bề mặt hấp thụ một lớp sơn. Một
7


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

lớp sơn đen có tỷ lệ hấp thụ từ 90 95% năng lượng bức xạ mặt trời và chuyển

thành nhiệt.
Từ vị trí lắp đặt tấm hấp thụ, tấm phủ trong suốt, đáy cách nhiệt mà tạo thành
kênh dẫn khí. Kênh dẫn có thể bố trí theo nhiều cách khác nhau như: nằm giữa tấm
hấp thụ và đáy cách nhiệt, nằm giữa tấm phủ trong suốt và tấm hấp thụ đặt sát đáy
hoặc tấm hấp thụ chia đôi khoảng cách giữa kính và đáy tạo ra hai kênh dẫn song
song. Dòng khí chảy trong kênh dẫn thường dùng phương pháp đối lưu cưỡng bức
(dùng trong công nghiệp sấy) hoặc đối lưu tự nhiên (sưởi ấm gia đình).
1.4.2. Tấm phủ trong suốt

Tấm phủ trong suốt ở vị trí giữa Collector với môi trường ngoài phía trên
Collector và hướng về phía mặt trời. Chức năng của tấm phủ trong suốt là cách ly
bề mặt hấp thụ với môi trường ngoài, do đó giảm được sự mất mát nhiệt.
Tấm phủ trong suốt lý tưởng cần phải cho xuyên qua được với các sóng ngắn
bức xạ của mặt trời (các tia bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán) đồng thời ngăn
cản các tia bức xạ có bước sóng dài phát ra từ bề mặt hấp thụ, tức là tạo được hiệu
ứng lồng kính. Một chức năng nữa của tấm phủ trong suốt là bảo vệ bề mặt hấp thụ
khỏi bị bám bẩn với mục đích kéo dài độ bền của lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ.
Tuy nhiên tấm phủ trong suốt cũng có sự bất tiện là:
+ Nó có tác dụng làm giảm cường độ bức xạ tới. Do đó cần dùng vật liệu với
sự cho xuyên ánh sáng cao, đó là các vật liệu trong suốt như kính.
+ Có thêm tấm phủ trong suốt thì giá thành thiết bị sẽ tăng lên, nên việc lựa
chọn vật liệu làm tấm phủ trong suốt không chỉ dựa trên tính hiệu quả riêng về kỹ
thuật của nó mà còn dựa trên dộ bền, giá thành và sự sẵn có của nó.
Số lượng tấm phủ và số khoảng không khí lắp đặt càng lớn thì tấm hấp thụ
cách ly với môi trường ngoài càng tốt. Tuy vậy mỗi tấm phủ làm giảm tổng năng
lượng bức xạ tới được hấp thụ. Nhưng sự có lợi của nhiệt nhận được do khả năng
cách ly sẽ cao hơn lượng nhiệt mất mát do sự giảm bức xạ đến tấm hấp thụ.
8

Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

Bảng liệt kê dưới đây dẫn đến những kết luận vắn tắt của 3 vật liệu thông
dụng dùng làm tấm phủ trong suốt về sự tiện lợi và tính bất tiện của chúng.
Bảng 1.2. Ảnh hưởng của các vật liệu khác nhau làm tấm phủ
Vật liệu

Sự thuận tiện

Sự bất tiện

- Tương đối ổn định (vững - Nặng
Kính

chắc)

- Không sẵn có ở mọi lúc mọi

- Bền lâu

nơi
- Có thể rất đắt
- Dễ vỡ do ném đá

Tấm nhựa

- Nhẹ

- Độ bền (tùy theo dạng) từ vài

- Dễ làm (sử dụng)

tháng đến vài năm

- Sẵn có mọi nơi

- Độ bền cần phải cân nhắc khi

- Khả năng xuyên suốt ánh so sánh đến giá cả
sáng lớn (đến 98%)
Kính tổng
hợp

- Nhẹ

- Khả năng xuyên ánh sáng

- Dễ làm (sử dụng)

kém (do mờ đục)

- Tính chất cách nhiệt tốt

- Không có sẵn ở mọi nơi
- Có thể rất đắt

1.4.3. Khung đỡ Collector

Khung đỡ Collector cần thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Bảo vệ Collector khỏi bị ảnh hưởng từ môi trường như: mưa, ẩm, gió…

+ Cấu trúc đơn giản và có độ bền lâu (10 15 năm)
Khung đỡ có thể được chế tạo từ gỗ hoặc kim loại. Sự thuận tiện của việc
dùng gỗ là hiệu quả cách nhiệt tốt nên không cần thiết phải bảo ôn mặt bên, giá
thành có rẻ hơn các loại khác. Nếu khung đỡ Collector được chế tạo bằng kim loại
thì cần phải sơn bảo vệ, bên ngoài của khung kim loại có cách nhiệt. Khi có độ
9


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

chênh lệch độ lớn cần chú ý là tấm hấp thụ và tấm kính phủ giãn nở (sự giãn nở về
chiều dài của 1m kính thường từ 0oC đến 100oC là 1,5 mm). Khi đặt tấm kính nó
cần đặt vừa vặn, quan trọng là không cho nước mưa rò vào, nó còn cần phải kín
không khí để không khí nóng không thoát ra ngoài được.
1.4.4. Cách nhiệt Collector

Lượng nhiệt mất mát do sự tỏa nhiệt từ Collector là rất lớn. Do đó lớp cách
nhiệt cần phải giảm tối thiểu mất mát nhiệt phát ra từ Collector và phải chịu được
sự đốt nóng tới 100oC.
Đáy cách nhiệt và thành chung quanh thường có chiều dày từ 5÷7cm được
làm bằng bọt xốp ethylen hoặc bông thủy tinh, tuy nhiên nó có thể mỏng hơn, tùy
thuộc vào loại chất cách nhiệt và điều kiện khí hậu. Sự lựa chọn vật liệu cần phải
xét đến ảnh hưởng chính là giá thành và tính sẵn có trên thị trường.

10


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

CHƯƠNG 2

THIẾT BỊ SẤY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ CÔNG SUẤT 5KW
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
 Cấu tạo

Hình 2.1.1. Cấu tạo máy sấy bằng năng lượng mặt trời
 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy sấy bằng năng lượng mặt trời
Không khí trước lúc đi vào buồng sấy được nung nóng bởi Collector hấp thụ
năng lượng mặt trời, không khí nóng đối lưu cưỡng bức vào buồng sấy đi qua sản
11


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

phẩm sấy nhờ sức gió của quạt, làm bốc hơi nước từ vật sấy, không khí nóng thoát
ra ngoài cùng hơi nước trên đỉnh thiết bị.
 Ưu và nhược điểm
+ Ưu điểm:
- Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp.
- Không đòi hỏi cung cấp năng lượng và nhân công lành nghề.
- Ít gây ô nhiễm môi trường.
+ Nhược điểm:
- Kiểm soát điều kiện sấy kém phụ thuộc nhiều vào môi trường.
- Tốc độ sấy chậm hơn so với sấy bằng thiết bị (điện trở), do đó chất lượng sản
phẩm cũng kém và dao động hơn.
- Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày đòi hỏi nhiều
nhân công.
2.2. Tính toán và thiết kế Collector
2.2.1. Xây dựng công thức

 Diện tích của tấm hấp thu
Thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5kW có cấu tạo như hình 2.1.1
Công suất 5kW của thiết bị chính là công suất của Collector.
Tấm hấp thụ năng lượng mặt trời được làm bằng tấm tole có độ đen (  ) là
0,96. Thiết bị làm việc trong điều kiện trời nắng liên tục từ 8h sáng đến 4h chiều.
Nhiệt độ trên bề mặt của tấm hấp thụ (T) lúc nóng nhất đo được là 1000C, nhỏ nhất
là 600C. Ở đây ta xét nhiệt độ trên bề mặt của tấm tole là 800C (T = 800C).
Diện tích bề mặt truyền nhiệt của tấm hấp thụ được tính từ công thức:
Q  E.F  F 

Trong đó:

Q
(2.1)
E

F: Diện tích bề mặt của tấm hấp thụ (m2)
Q: Nhiệt lượng mà Collector cần thu được (W)
12


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

E: Cường độ bức xạ của tấm hấp thụ ở nhiệt độ 800C (

W
)
m2

E được tính dựa vào định luật Stefan – Boltzmann áp dụng cho vật xám:
4

 T 
E C 
 (2.2)
 100 

Với

T: Nhiệt độ tuyệt đối của vật (0K)
C là hệ số bức xạ của vật xám
C   .C0

(2.3)

C0 = 5,67 gọi là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
 Vận tốc chuyển động của không khí trong Collector
Trước khi tính vận tốc chuyển động của không khí trong Collector, ta cần
tính được lưu lượng không khí vào bên trong Collector từ công thức cân bằng nhiệt
lượng:





Q  m.C p . t f R  t fV  m 

Trong đó

Q
(2.4)
C p (t f R  t fV )

m: Lưu lượng không khí trong Collector (kg/s)
Cp : Nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg.độ)
t fV :
t fR

Nhiệt độ không khí vào Collector (0C)

: Nhiệt độ không khí ra khỏi Collector (0C)

Vận tốc chuyển động của không khí trong Collector:


m
 .S

(2.5)

: Khối lượng riêng của không khí (kg/m3)
S: Tiết diện mặt cắt của kênh dẫn (m2)
 Ý nghĩa của bài toán tính  :
Từ công thức (2.4), (2.5) ta có thể thấy mối liên hệ giữa vận tốc chuyển động
của không khí trong Collector với nhiệt độ không khí ra khỏi Collector. Ứng với
13


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

một giá trị nhiệt độ

t fR

là một giá trị vận tốc  và m xác định (trong điều kiện các

đại lượng khác không thay đổi).
Điều này rất có ý nghĩa trong bài toán thiết kế Collector vì mục đích của việc
thiết kế Collector là nung nóng không khí đến một giá trị

t fR

xác định và để đạt

được nhiệt độ đó, ta cần lắp đặt và chọn tốc độ quạt để đạt được vận tốc  phù hợp.
Ngoài ra, ta còn có thể điều chỉnh giá trị

t fR

bằng cách thay đổi vận tốc  tương

ứng.
2.2.2. Tính toán Collector

Đây là bài toán dành cho thiết kế Collector có tấm hấp thụ là tấm tole phẳng
đặt trên các thanh đà. Kênh dẫn khí tính từ tấm hấp thụ nhiệt đến mặt đáy cách
nhiệt.

Hình 2.2.2.1. Cấu tạo Collector có tấm hấp thụ là tấm tole phẳng đặt trên đà đỡ.

 Tính diện tích của tấm hấp thu
Tấm hấp thu cần được thiết kế để có công suất là 5kW:
Q1  5 kW

Collector được thiết kế để nhiệt lượng tổn thất là 10%:
Q2  10%.Q1  Q2  10%.5  0,5 (kW)

Vậy nhiệt lượng mà tấm hấp thụ cần thu được để đạt công suất 5kW và bù vào
nhiệt lượng tổn thất trên Collector là:
Q  Q1  Q2  Q  5  0,5  5,5 (kW)

14


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

Vậy theo (2.3) ta có: C   .C0  C  0,96.5,67  5,4432 (Tấm tole có

= 0,96)

4

W
353 
Ta tính được: E  5,4432.
  845,2 ( 2 )
m
 100 
3
Từ (2.1) ta được: F = Q  5,5.10  6,5 (m2)

E

845,2

Vậy bề mặt tấm hấp thụ cần thiết kế có diện tích là 6,5 m2.
 Tính vận tốc chuyển động của không khí trong Collector
Giả sử

t fV =

300C;

t fR =

700C

Ta có: t f  30  70  500 C
tb

Từ

t ftb

2

, ta tra bảng “Thông số vật lý của không khí khô (H = 760mmHg)” được các

thông số sau:  = 1,093 (kg/m3)
Cp = 1,005 (kJ/kg.độ)

Theo (2.4) ta được: m =

5
 0,124
1,005.(70  30)

(kg/s)

Tấm hấp thu có chiều rộng là 1,3 m; khoảng cách từ tấm hấp thu đến mặt đáy
cách nhiệt là 0,03 m.
Vậy: S = 1,3.0,03 = 0,039 (m2)
Từ (2.5) ta được:   m   
 .S

0,124
 2,91 (m/s)
1,093.0,039

Vậy vận tốc chuyển động của không khí trong Collector được thiết kế là 2,91 (m/s).

15


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

Hình 2.3.1. Thiết kế khung đỡ của Collecter có tấm hấp thụ là tole phẳng đặt trên đà đỡ

2.3. Thiết kế Collector

16

Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

 Một số thiết kế Collecter khác
Thay vì đặt tấm hấp thụ (tấm tole phẳng) lên cây đà, ta có thể sử dụng một
tấm tole uốn để đỡ tấm hấp thụ, kênh dẫn nằm giữa tấm hấp thụ và mặt đáy.

Hình 2.3.2. Cấu tạo Collector có tấm hấp thụ là tấm tole phẳng được đỡ bởi tấm
tole uốn
Ngoài ra, ta có thể thiết kế Collector có tấm hấp thụ là tấm tole uốn nhằm
làm tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt. Kênh dẫn tính từ kính đậy đến mặt đáy cách
nhiệt.

Hình 2.3.2. Cấu tạo Collector có tấm hấp thụ là tấm tole phẳng được đỡ bởi tấm
tole uốn

17


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

KẾT LUẬN
Qua quá trình làm bài tiểu luận nhóm đã thu được một số kết quả sau:
- Nêu ra được nguyên lý hoạt động của mấy sấy bằng năng lượng mặt trời.
- Tính toán bề mặt hấp thu bức xạ mặt trời cho Collector với công suất 5kW.
- Tính toán điều chỉnh lưu lượng và vận tốc dòng khí chuyển động trong
Collector .
- Thiết kế và vẽ sơ đồ cấu tạo của Collector phẳng.
Sử dụng thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có khả năng giảm thiểu sự hao

hụt và tăng chất lượng sản phẩm so với phơi nắng tự nhiên và tiết kiệm được một
lượng lớn tài nguyên khoáng sản đang ngày càng cạn kiệt dần. Kết cấu thiết bị đơn
giản, dễ chế tạo và dễ vận hành.
Kết quả trên là sự nỗ lực của nhóm nhằm đưa ra một thiết bị sấy thỏa yêu cầu
của đề tài. Và trong quá trình tìm hiểu, hoàn thành đề tài, nhóm đã thêm vào hành
trang của mình một phần kiến thức về thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời; biết
được làm sao để thiết kế một Colector truyền nhiệt hoàn chỉnh; hiểu sâu và vận
dụng được kiến thức đã học vào trong một bài toán thực tế.

18


Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5 kW 2012

TÀI LIỆU THAM KHẢO
(1) Nguyễn Công Vân, “NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI – Quá trình nhiệt và ứng
dụng”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005.
(2) Đào Thanh Khê, “Bài giảng Kĩ thuật thực phẩm 2”
(3) Hoàng Dương Hùng, “Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng”
Tài liệu trên Internet
- />- />- />%BA%B7t_Tr%E1%BB%9Di

19