BÀI tập lớn: Năng lượng mặt trời và Năng lượng thứ cấp (1)

 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

3

Bài tập lớn:

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG THỨ CẤP
Họ và tên: Đặng Hồng Chuyên.
Trường: ĐHBK Hà nội
Lớp: Máy & Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Nguyên An.

I. Nội dung thực hiện:
Bài 1. Tính và vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi của r ; a và  theo góc tới 1
thay đổi từ 0  900 .
Cho biết:
Hệ thống chắn gồm 2 lớp kính có chiều dày mỗi lớp là c  6mm .
Hệ số suy giảm(do hấp thụ của kính) : K c  15m 1.
Bài 2. Biện luận về góc nghiêng lắp đặt  tối ưu để nhận được lượng bức xạ mặt
trời là lớn nhất.
Cho biết:
Địa điểm lắp đặt: Tùy chọn.
Khoảng thời gian sử dụng: Tùy chọn.
Số liệu về cường độ bức xạ mặt trời: Tự tìm kiếm.
II. Thời gian thực hiện:
Ngày giao đầu bài: 17/09/2009.

Sinh viên thực hiện:

Đặng Hồng Chuyên

Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Ngày hoàn thành: …/11 /2009.

Giáo viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Nguyên An

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50


 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

4

Bài 1. Tính và vẽ đồ thị của r ; a và  theo góc tới 1 thay đổi từ 0  900 :
Có:
Số lớp kính chắn là: M  2.
Chiều dày của lớp kính chắn: c  6mm. Hệ số suy giảm: K  15m 1.
Chiết suất của kính: n 2  1,5.

Bài làm:
a) Tính và vẽ đồ thị của r :
Góc tới của tia bức xạ 1 và góc khúc xạ của tia tới 2 khi đi từ môi trường không
khí có chiết suất n1  1 tới kính có chiết suất n 2  1,5 có quan hệ như sau:
Sin1 n 2

 1,5  2  Arsin(1/1,5.Sin(1 )) .
Sin2 n1
Hệ số phản xạ tương ứng của 2 thành phần phân cực là:

I  Sin 2 (2  1 ) /Sin 2 (2  1 ); II  tg 2 (2  1 ) / tg 2 (2  1 ).
Hệ số truyền bức xạ khi xét riêng khúc xạ - phản xạ ứng với 2 thành phần phân cực
là:

1  I
1  I
1  II
1  II

; rII 

1  (2M  1).I 1  3.I
1  (2M  1). II 1  3. II
Do đó hệ số truyền bức xạ khi xét riêng khúc xạ- phản xạ là:
1
1 1  I
1  II
1  2.(I  II )
r  (rI  rII )  (

)
2
2 1  3. I 1  3.II
2.(1  3. I ).(1  3.II )
rI 

Ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của các giá trị của rI ; rII và r theo góc tới 1 thay
đổi từ 0  900 như sau:
(xây dựng hàm toán mô tả và vẽ đồ thị bằng công cụ MatLab version 7.6.0)
Code xây dựng trong MatLab:

Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50


 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

5

Đồ thị biểu diễn:

b) Tính và vẽ đồ thị của a :
Với 2 lớp kính chắn có chiều dày, hệ số suy giảm và chiết suất giống nhau, đặt song
song với nhau nên ta có hệ số truyền bức xạ khi xét riêng hấp thụ là:

a 

Il
 e2 c .K c / Cos2  e2 c .K c / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin(1 )) .
Ib

Với: c  6mm  6.103 m; K=15m -1  a  e 0,18 / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin(1 )) .
Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50


 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

6

Ta có đồ thị biểu diễn sự thay đổi của các giá trị của rI ; rII và r theo góc tới 1 thay
đổi từ 0  900 như sau:
(xây dựng hàm toán mô tả và vẽ đồ thị bằng công cụ MatLab version 7.6.0)
Code xây dựng trong MatLab:

Đồ thị biểu diễn:

Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50


 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

7

b) Tính và vẽ đồ thị của  :
Có   a .r do vậy tổng hợp toàn bộ 2 đồ thị của a và r vừa vẽ ở trên ta ra
được  , biểu diễn cả 3 đường cong trên một hệ trục tọa độ với sự thay đổi của góc 1 từ
0  900 có:

------------------------------------------

Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50


 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

8

Bài 2.
Ta khảo sát một bộ thu phẳng:
 Với địa điểm lắp đặt tại:
Trung tâm quận Hà đông có tọa độ: 20058’00’’N; 105046’21’’E.
 Khoảng thời gian làm việc:
Trong ngày là từ: 09h00m00s - 15h00m00s.
Trong một năm: từ tháng 04(Apr) - 09(Sept).
 Bề mặt tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ và độ đen là:  p  0,95;  P  0,95 (bề
mặt tấm hấp thụ không chọn lọc).
 Lớp kính chắn sử dụng gồm M  2 lớp có chiều dày và hệ số suy giảm là:
c  6mm; K  15m 1.
 Số liệu về cường độ bức xạ mặt trời của địa phương như sau:
Với thành phần trực xạ: I b  665W / m 2 ; với thành phần tán xạ: Id  230W / m2 .
 Thông số lắp đặt: bề mặt tấm hấp thụ của bộ thu được lắp đặt ở vị trí quay về
hướng chính nam(góc phương vị   00 ), góc dốc  tùy biến, và ta sẽ khảo sát đặc tính
của tổng lượng bức xạ nhận được trên bề mặt tấm hấp thụ trong toàn bộ khoảng thời
gian làm việc ở trên S theo sự thay đổi của góc  để tìm ra góc dốc tối ưu khi lắp đặt.
Bài làm:
Ta có tổng lượng bức xạ nhận được khi bộ thu làm việc từ ngày thứ n  91trong
năm (ngày 01/04 - April, 1st) đến ngày làm việc thứ 270 trong năm(ngày 30/09 - Sept,
30th). là:
n 2  270

S 

S

n

, với Sn là tổng lượng bức xạ mà bề mặt hấp thụ

n1 91

của bộ thu hấp thụ được của ngày làm việc thứ n trong năm.
Trong một ngày với thời gian làm việc từ 9h00 - 15h00 tương ứng với góc thời
gian thay đổi từ 1 đến 2 ta có lượng bức xạ nhận được trong một ngày làm việc thứ n
là:
2

Sn 

 I .R
b

b( ,n )

.( )b( ,n)  Id .R d  (I b  Id ).R r .()d  .d. .

1
n2

270 2

Do vậy: S   Sn     Ib .R b( ,n) .() b( ,n )  Id .R d  (Ib  Id ).R r .( )d  .d. .
n1

91 1

Góc thời gian  được tính qua thời gian biểu kiến LAT qua biểu thức sau:
LAT = Thời gian chuẩn  4.(Kinh độ chuẩn của múi giờ - Kinh độ của địa điểm
khảo sát) + gia số hiệu chỉnh thời gian.
Ta có thể bỏ qua gia số hiệu chỉnh trên vì sai số do việc bỏ qua này có thể chấp
nhận được.
Kinh độ của địa điểm khảo sát là 105046’21’’E= 105,77250, do đó kinh độ chuẩn
tương ứng là 1050E. Thay vào và lấy dấu “ - ” trong biểu thức trên do kinh độ của ta là
Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50


 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

9

kinh độ đông(East). Ta có lần lượt các giá trị của thời gian biểu kiến lúc bộ thu bắt đầu
và kết thúc quá trình làm việc trong một ngày là:
Thời gian biểu kiến lúc bắt đầu làm việc LATbđ là:
LATbd  9h00'00'' 4.(1050  105,7725)  9h00' 3,09'  8h56'54,6''.
Thời gian biểu kiến lúc kết thúc làm việc LATkt là:
LATkt  15h00'00'' 4.(1050  105,7725)  15h00' 3,09'  14h56'54,6''.
Tính giá trị của góc thời gian tương ứng 1 và 1 được thể hiện như trong hình
dưới đây:

n2

0
270 44,739

Do vậy: S   Sn  
n1



91 45,261

0

 I b .R b( ,n) .()b( ,n)  Id .R d  (I b  Id ).R r .( )d  .d.

Để tính giá trị của biểu thức trên ta thực hiện việc tính giá trị của nhiệt lượng bề
mặt tấm hấp thụ thu dược trong ngày thứ n là:
44,739

Sn 



 Ib .R b( ,n) .() b( ,n )  Id .R d  (Ib  Id ).R r .(  )d  .d.

45,261

sau đó thực hiện vòng lặp For để tính tổng các giá trị của Sn tương ứng từ ngày 91 đến
ngày 270.
 Trong biểu thức trên ta nhận thấy I b ; Id là các hằng số đã cho giá trị cụ thể ở trên
và R d ; R r là các tham số đối với  , chúng được xác định qua các biểu thức sau:
1+Cos
1  Cos

Rd =
; R r  .
. trong đó hệ số kể đến phản xạ của môi trường  có thể
2
2
lấy là   ...
Với ngày khảo sát là ngày thứ n trong năm thì góc vĩ độ mặt trời tương ứng là:
 360

  23,45.Sin 
.(284  n)  ,  độc lập với  nên trong biểu thức trên đóng vai trò là
 365

tham số.
Cos
 Vì vậy thành phần trực xạ trên mặt phẳng nghiêng là: R b( ,n) 
. Do bộ thu
CosZ
được lắp quay về hướng chính nam(   00 ) nên
Cos  Sin.Sin(  )  Cos.Cos.Cos(  ); Cos Z  Sin.Sin  Cos.Cos.Cos

 R b( ,n) 

Sin.Sin(  )  Cos.Cos.Cos(  )
; =200 58'00'' N  20,960 N.
Sin.Sin  Cos.Cos.Cos

Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50

 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

10

 Tích số truyền hấp thụ tính cho thành phần có hướng được tính như sau:
Có góc khúc xạ của tia bức xạ khi đi vào lớp kính chắn là:
Sin1 n 2

 1,5  2  Arsin(1/1,5.Sin(1 )) .
Sin2 n1
Hệ số phản xạ tương ứng của 2 thành phần phân cực là:
I  Sin 2 (2  1 ) /Sin 2 (2  1 ); II  tg 2 (2  1 ) / tg 2 (2  1 ).
Do đó:
1  I
1  I
1  II
1  II
rI 

; rII 

1  (2M  1).I 1  3.I
1  (2M  1). II 1  3. II
Do đó:
1
1 1  I
1  II
1  2.(I  II )

r  (rI  rII )  (

)
2
2 1  3. I 1  3.II
2.(1  3. I ).(1  3.II )
Với hai lớp kính chắn giống nhau về chiều dày, chiết suất và hệ số suy giảm nên:

a 

Il
 e2 c .K c / Cos2  e2 c .K c / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin(1 )) .
Ib

Với: c  6mm  6.103 m; K=15m -1  a  e 0,18 / Cos(Arcsin(1/1,5.Sin(1 )) .
Có:   a .r , với bề mặt tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ là: Có  p  0,95 . Ta có tích
số truyền hấp thụ là: Có   b( ,n) 

.
a .r .

, thay các giá trị
1  (1  ).d 1  (1  ).a .(1  r )

của a và r bởi các biểu thức ở trên ta có   b( ,n) là một hàm của biến  với các
tham số là ;n; ...
 Tích số truyền hấp thụ tính cho thành phần vô hướng để cho đơn giản ta coi là
thành phần có hướng với góc tới của tia bức xạ là 1  600 . Lúc đó ta có:

2  Arsin(1/1,5.Sin(1 ))=Arsin(1/1,5.Sin(60))=35,260 . .

Hệ số phản xạ tương ứng của 2 thành phần phân cực là:
I  Sin 2 (35,26  60) /Sin 2 (35,26  60)  0,177;
II  tg 2 (35, 26  60) / tg 2 (35, 26  60)  1,8.103.
Do đó:
1  I
1  0,177
1   II
1  1,8.103
rI 

 0,538; rII 

 0,993.
1  (2M  1).I 1  3.0,177
1  (2M  1).II 1  3.1,8.103
Do đó:
1
r  (rI  rII )  0,5.(0,538  0,993)  0,766.
2
Với hai lớp kính chắn giống nhau về chiều dày, chiết suất và hệ số suy giảm nên:
3
0
I
a  l  e 2 c .Kc / Cos2  e 2.6.10 .15 / Cos35,26  0,802.
Ib
Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50

 Bài tập lớn:Năng Lượng Mặt trời và Năng lượng thứ cấp

11

Với bề mặt tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ là: Có  p  0,95 . Ta có tích số truyền hấp thụ
tính cho thành phần vô hướng là:
a .r .
0,802.0,766.0,95

 0,589.
  d 
1  (1  ).a .(1  r ) 1  (1  0,95).0,802.(1  0,766)
Như vậy tất cả các đại lượng trong biểu thức:
44,739

Sn 



 Ib .R b( ,n) .() b( ,n )  Id .R d  (Ib  Id ).R r .(  )d  .d. đều đã được diễn giải ở

45,261

trên, ta thực hiện việc tính tích phân trên với biến số là  , các thông số còn lại đóng vai
trò là tham số. Bằng cách sử dụng công cụ hỗ trợ toán học là MatLab version 7.6.0 ta
xây dựng code và giải như sau:
syms I_b R_b I_r alpha M K lamda_c% Cac thong so ve bo thu
syms ro_1 ro_2 To_r1 To_r2 To_r To ro To_alphan_b To_alpha_d
syms phi sun_phi beta teta teta_2 omega omega_1 omega_2 % Cac thong so ve lap dat
syms n n1 n2 % Cac thong so ve che do lam viec

syms d_S S_n S_tong result % Cac dai luong tinh toan ve buc xa hap thu duoc
omega_1=45.261*pi/180;% Goc thoi gian bat dau lam viec trong ngay(09h00 =
08h56'55''LAT)
omega_2=-44.739*pi/180;% Goc thoi gian ket thuc lam viec trong ngay(15h00 =
14h56'55''LAT)
phi=20.96*pi/180;%Vi do noi dat bo thu(20o58'00''N= +20,96degree)
n1=91;% Ngay lam viec dau tien trong nam(01/04- Apr, 1st)
n2=270;% Ngay lam viec cuoi cung trong nam(30/09- Sept, 30th)
I_b=665;%Gia tri cuong do buc xa cho theo thanh phan truc xa
I_d=230;%Gia tri cuong do buc xa cho theo thanh phan tan xa
ro=0.6; %He so phan xa cua moi truong xung quanh lay la 0.6
K=15;% He so suy giam cua kinh la K=15m-1
M=2;% So lop kinh chan la M=2
lamda_c=0.006; % Chieu day lop kinh chan la lamda_c=6mm=0.006m
alpha=0.95; % He so hap thu cua be mat tam hap thu
S_tong=0
for n=91:1:270
sun_phi=23.45*sin((284+n)*360/365)*pi/180;
teta=acos(sin(sun_phi)*sin(phi-beta)+cos(sun_phi)*cos(omega)*cos(phi-beta));
R_b=(sin(sun_phi)*sin(phi-beta)+cos(sun_phi)*cos(omega)*cos(phi-beta))...
/(sin(phi)*sin(sun_phi)+cos(phi)*cos(sun_phi)*cos(omega));
R_d=0.5*(1+cos(beta));
R_r=ro*0.5*(1-cos(beta));
teta_2=asin(sin(teta)/1.5);
ro_1=(sin(teta_2-teta)/sin(teta_2+teta))^2;
To_r1=(1-ro_1)/(1+3*ro_1);
ro_2=(tan(teta_2-teta)/tan(teta_2+teta))^2;
To_r2=(1-ro_2)/(1+3*ro_2);
To_r=0.5*(To_r1+To_r2);
To_a=exp(-M*lamda_c*K/cos(teta_2));

To= To_r*To_a;
To_alpha_b=(To_a*To_r*alpha)/(1-(1-alpha)*To_a*(1-To_r));
To_alpha_d=0.589;
%d_S=I_b*R_b*To_alpha_b%+(I_d*R_d+(I_b+I_d)*R_r)*To_alpha_d
%S_n=int(teta,omega,omega_1,omega_2)
%S_tong=S_tong+S_n;
end
ezplot(S_tong,[0 pi/2])

Sinh viên thực hiện: Đặng Hồng Chuyên

Lớp: Máy& Thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50