Sử dụng dầu truyền nhiệt để tích trữ năng lượng mặt trời bằng bộ thu parabol

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh

HNKH-07

SỬ DỤNG DẦU TRUYỀN NHIỆT ĐỂ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI BẰNG BỘ THU PARABOL
NGUYỄN VĂN TUẤN
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt. Năng lượng mặt trời được sử dụng ngày càng nhiều và thay thế dần các nguồn năng lượng truyền
thống. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu một hệ thống tích trữ năng lượng mặt trời thu được vào
ban ngày như một nguồn nhiệt để cung cấp cho quá trình làm lạnh, sấy nóng hoặc cho các ứng dụng khác,
năng lượng tập trung qua bộ thu parabol và được gia nhiệt cho chất lỏng bên trong là dầu Shell Thermia B.
Các thực nghiệm này được thực hiện trong những ngày nắng thời gian từ 7 giờ đến 17 giờ , kết quả đạt
được nhiệt độ dầu tại bình tích trữ khoảng 200 0C
Từ khóa: Năng lượng mặt trời, Bộ thu barabol, tích trữ năng lượng, ứng dụng năng lượng mặt trời.

USING HEAT TRANSMISSION OIL TO STORAGE SOLAR
ENERGY WITH PARABOL COLLECTORS
Abstract. Solar energy is used more and more and gradually replaces traditional energy sources. This paper
presents the research results of a system to store solar energy collected during the day as a heat source to
provide cooling, heating or other applications. The energy is concentrated through the parabolic collector
and heated to the liquid inside is Shell Thermia B oil. These experiments were carried out on sunny days
from 7 am to 17 pm, resulting in an oil temperature at the storage tank of about approximately 200 0C
Keywords: Solar energy, Parabolic collector, energy storage, solar applications.
1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, năng lượng, môi trường và phát triển bền vững đang là mối quan tâm lớn của các quốc
gia trên thế giới. Việc sử dụng lâu dài các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự
nhiên đã gây ra ơ nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính. Hậu quả là biến đổi khí hậu tồn cầu và cạn kiệt
tài nguyên có thể đe dọa đến sự tồn tại và phát triển của con người. Các nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm

năng lượng mặt trời [1] ngày càng hấp dẫn đối với nhiều quốc gia và được coi là nguồn năng lượng tái tạo
hứa hẹn nhất. Tuy nhiên do sự thay đổi liên tục của bức xạ mặt trời làm cho hệ thống sử dụng năng lượng
mặt trời dao động và không ổn định, điều này đặt ra nhu cầu mạnh mẽ về tích trữ năng lượng trong các hệ
thống năng lượng mặt trời. Để tích trữ năng lượng mặt trời hiệu quả và tiết kiệm, nhiều công nghệ tích trữ
đã được đề xuất [2]. Trong tất cả các phương pháp tích trữ thì tích trữ dưới dạng nhiệt năng là một trong
những hệ thống tiết kiệm nhất trong các ứng dụng thực tế [3], được áp dụng trong các lĩnh vực làm lạnh,
sấy khơ, sưởi ấm, v.v.
Mục đích của bài báo này là tính tốn thiết kế, thực nghiệm một hệ thống tích trữ năng lượng mặt
trời bằng bộ thu parabol sử dụng chất lỏng, nhiệt độ thu được tại bình tích trữ là 200 0C để cấp nhiệt cho
máy lạnh hấp thụ.
2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
2.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động bộ thu parabol
Dầu truyền nhiệt ở nhiệt độ ban đầu tban dầu= tf = t0 chứa trong bình chứa 1 được đưa vào hệ thống ống lồng
ống đặt tại trục của gương parabol trụ, tại đây dầu được hấp thu năng lượng mặt trời phản xạ bởi gương parabol trụ

-68-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
làm cho nhiệt độ dầu tăng lên và tiếp tục đi vào bình tích trữ 4 để thực hiện q trình cấp nhiệt cho máy lạnh hấp
thụ.
Nước ở nhiệt độ ban đầu tf = t0 được đưa đến bình trữ nhiệt 4 thực hiện quá trình nhận nhiệt. nước
ra khỏi bình cấp nhiệt 4 có nhiệt độ ổn định 90 0C và đảm bảo lưu lượng yêu cầu của máy lạnh hấp thụ. Các
quá trình thu trữ, cấp nhiệt của bộ thu parabol trụ được mơ tả trong đồ thị bên dưới.
Trong đó: t0 = tf là nhiệt độ môi trường cũng đồng thời là nhiệt độ ban đầu của dầu trong bình chứa
1, tn là nhiệt độ trung bình mơi chất đạt trược trong một ngày thu, tmax là nhiệt độ tối đa mơi chất đạt được
trong q trình gia nhiệt. Ngồi ra, ta có giá trị nhiệt độ tc là nhiệt độ mong muốn đạt được với chất cách
nhiệt đã tính toán. Giá trị nhiệt độ này tùy vào sự chọn lựa để tính tốn vật liệu cách nhiệt cho bình trữ dầu
sau này, C1; C2 là thời điểm môi chất thực hiện quá trình cấp nhiệt cho nước gia nhiệt bình hấp thụ.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ năng lượng mặt trời bằng bộ thu parabol

t 0C
tmax
tn

t0 = tf
Giờ lý thuyết 0


6

18

h

24
12
Giờ thực tế 6
Hình 2. Đồ thị hàm t() của môi chất trong bộ thu parabol

2.2 Mơ tả q trình thu – trữ - cấp nhiệt
Quá trình thu nhiệt mặt trời gia nhiệt dầu, với thời gian   [012] h; trong khoảng thời gian này
nhiệt độ t 0C của dầu tăng lên từ (t0 = tf) ban đầu đến nhiệt độ cực đại tm rồi sau đó hạ xuống nhiệt độ tích
trữ khơng tải tc. Trong khoảng thời gian  =12h (thời gian một ngày nắng), mơi chất sẽ đạt nhiệt độ trung
bình tn
Q trình trữ nhiệt khơng tải sẽ làm nhiệt độ dầu giảm trong khoảng [t n tC] với thời gian  = n.
Trong đó, tC có thể lựa chọn sao cho: [Nhiệt độ nước cần cấp cho máy lạnh hấp thụ] < tC < tn. Mục đích của
q trình này là giúp chúng ta tính tốn lựa chọn cách nhiệt cho bình trữ dầu trong hệ thống tích trữ NLMT

dùng gương parabol trụ.

-69-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh
Q trình cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ bằng nước ban đầu có nhiệt độ t0 = tf đi vào bình trữ dầu
sẽ được gia nhiệt tăng lên đến nhiệt độ yêu cầu của máy lạnh hấp thụ là t nc = 90 0C và cấp cho máy lạnh
hấp thụ.
Khi đó, nhiệt độ dầu trong bình sẽ thực hiện quá trình trữ nhiệt có tải theo đường cong đi từ C1 đến
t 0C
tn

1
tc

0

t = 90 C
tf

B

C

2

A

T
Giờ lý thuyết 12
Giờ thực tế

18

Tc1

Tc2

………1 trữ nhiệt khơng tải

24

h

6

………2 trữ nhiệt có tải
Hình 3. Đồ thị đặc tuyến thu trữ, cấp nhiệt của môi chất trong hệ thống tích trữ nhiệt mặt trời

3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Số liệu thiết kế
- Theo [5] cần cấp 4,56kW nhiệt cho bình sinh hơi trong máy lạnh hấp thụ có cơng suất 9000 Btu/h.
Vậy với một máy lạnh hấp thụ có cơng suất 770 Btu/h cần một lượng nhiệt tương ứng là 390 W để cấp cho
bình sinh hơi.
- Căn cứ vào hai thơng số: nhiệt độ nước nóng 90 0C và công suất nhiệt yêu cầu là 390 W để thiết
kế tính tốn modun thực nghiệm.
- Cường độ bức xạ trung bình trong một ngày nắng ở Thành phố Hồ Chí Minh vào khoảng 820
W/m2, với cơng suất nhiệt 390W thì cần diện tích hứng nắng 0,48 m2 .Chọn kích thước mặt phẳng hứng

nắng tối thiểu gồm chiều rộng và chiều dài lần lượt là 0,8m và 0,6m
3.2. kích thước bộ thu
Sau khi tính tốn ta xác định được kích thước của gương phản xạ parabol trụ như bảng 1
Bảng 1. Kích thước của gương phản xạ kiểu parabol trụ

STT
1
2
3
4
5

Đại lượng
Chiều rộng của parabol
Chiều dài parabol
Chiều cao parabol
Độ dài tiêu cự
Hệ số phản xạ

Ký hiệu
2r
L
h
f
R

Đơn vị
m
m
m

m

Giá trị
0.8
0.6
0.2
0.14
0.2

600
Φ10
Φ36
Hình 4. Kích thước ống hấp thụ

Kích thước và thơng số của bộ thu được mô tả trong bảng 2

-70-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
Bảng 2. Thông số kích thước của bộ thu

STT
1
2
3
4
5
6

Đại lượng
Đường kính ống hấp thụ
Hệ số hấp thụ
Đường kính ống kính
Chiều dày ống kính
Hệ số dẫn nhiệt
Độ trong của kính

Ký hiệu
d
ε
d1
δ1
λ
D

Đơn vị
m
m
m
W/mK

Giá trị
0.01
0.95
0.036
0.002
0.8
0.95

Thơng số của môi chất được mô tả trong bảng 3
Bảng 3. Thông số môi chất

STT
1
2
3
4
5
6

Đại lượng
Hệ số dẫn nhiệt của không khí
Khối lượng riêng của dầu
Nhiệt độ ban đầu của dầu
Nhiệt độ dầu ra
Lưu lượng dầu qua ống
Nhiệt dung riêng của dầu

Ký hiệu
λkk
ρ
t0
t1
G
Cp

Đơn vị
W/mK

Kg/m3
0
C
0
C
kg/s
J/kgK

3.3. Hình ảnh chế tạo thiết bị thực nghiệm

Hình 5. Hình dáng bên ngồi của hệ thống

-71-

Giá trị
0.0265
778
32
300
0.002
2355


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
4. KẾT QUẢ THỰC NGHIÊM

Nhiệt độ dầu trong bình trữ (0C)
250
200

150
100
50
0
0

5

10

15

20

Hình 6. Đồ thị nhiệt độ dầu tại bình tích trữ

Hình 6 cho thấy Nhiệt độ cao nhất môi chất dầu đạt được tại bình tích trữ là 198 0C,
Nhận xét: Theo tính tốn, mơi chất đạt nhiệt độ cao nhất 300 0C vào khoảng thời gian từ 12h đến
gần 13h. Tuy nhiên trong thực nghiệm môi chất chỉ đạt nhiệt độ 198 0C tại bình trữ nhiệt, tức khoảng 250
0
C tại bộ hấp thụ vào lúc 13h đến 14 giờ chiều.
Điều này là do việc lắp đặt thiết bị khơng hồn tồn chính xác, thời điểm thực nghiệm trời ít nắng và
có mây nên thời điểm môi chất đạt nhiệt độ kéo dài hơn so với tính tốn. Trong q trình thực nghiệm trời
có gió nên làm ảnh hưởng đến nhiệt độ tmax của môi chất, dẫn đến môi chất không đạt nhiệt độ như trong
tính tốn lý thuyết.
5. KẾT LUẬN
Sau khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm có thể khẳng định về mặt kỹ thuật rất đơn giản và
thuận lợi cho việc chế tạo cũng như sử dụng, phù hợp cho việc phổ biến thiết bị này. Mơ hình thực nghiệm
đã chứng minh được quá trình thu trữ năng lượng mặt trời phục vụ cho cơng tác cấp nước nóng chạy máy
lạnh hấp thụ là một việc làm hữu ích, cần được nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa để phục vụ đời sống xã hội.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Aneke M, Wang M. Energy storage technologies and real life applications — A state of the art review.
Applied Energy. 2016;179:350-377.
[2] Amrouche So, Rekioua D, Rekioua T, Bacha S, Overview of energy storage in renewable energy
sysems. International journal of hydrogen Energy, 2016;41(45):20914-20927.
[3] Zhang H, Baeyens J, Caceres G, Degreve J, Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and
practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science. 2016;53:1-40.
[4] Nguyễn Bốn, Hoàng Dương Hùng (2000), Năng lượng mặt trời-lý thuyết và ứng dụng, Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng.
[5] Đặng Trần Thọ, Đặng Thế Hùng (2012). Nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ dùng nhiệt thải và năng
lượng mặt trời. Tạp chí NLN-104 số ra 3/2012.

-72-