Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy

1

2

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Dương Hùng

LÊ THỊ NGỌC OANH
Phản biện 1 : PGS. TS Nguyễn Bốn
Phản biện 2 : PGS. TS Đào Ngọc Chân
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT
BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT

MẶT TRỜI

DÙNG MÔI CHẤT NÓNG CHẢY

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ Công nghệ nhiệt họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 21
tháng 11 năm 2011.

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt
Mã số: 60.52.80

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại :
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

3
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng nên có nguy cơ cạn
kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ. Sự suy thoái về môi trường nghiêm

4
năng lượng nhiệt mặt trời.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
5. Tài liệu nghiên cứu

trọng. Vì vậy, cần phải có nguồn năng lượng mới ñáp ứng nhu cầu

- Các tài liệu, tạp chí trong và ngoài nước.

năng lượng trong tương lai.

- Nguồn tư liệu từ mạng Internet.

Năng lượng mặt trời (NLMT) - nguồn năng lượng sạch và tiềm

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

tàng nhất - ñang ñược ñặc biệt quan tâm. Thiết bị sử dụng NLMT

Tính chính xác lượng nhiệt tích trữ ñược trong những thiết bị

hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là, hệ thống cung cấp nước nóng bằng

cụ thể, giúp cho việc thiết kế thiết bị ñúng theo yêu cầu sử dụng, tận

NLMT, hệ thống cung cấp ñiện dùng pin mặt trời, bếp NLMT.

dụng hiệu quả NLMT, giúp cho việc ứng dụng NLMT vào thực tế

Việc ứng dụng NLMT trong thực tế còn khiêm tốn. Nguyên

ngày càng phổ biến hơn.

nhân chính là các thiết bị sử dụng NLMT làm việc không ổn ñịnh,

7. Bố cục luận văn

không liên tục. Vì thế, cần nghiên cứu công nghệ tích trữ năng

MỞ ĐẦU

lượng nhiệt mặt trời ñể có thể chủ ñộng trong việc sử dụng.
Một trong những công nghệ ñể tích trữ năng lượng nhiệt mặt
trời là dùng môi chất nóng chảy. Hiện nay, công nghệ này chưa
nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng
nhiệt mặt trời một cách chính xác, cụ thể.

Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG

Xuất phát từ thực tế ñó, chúng tôi chọn và nghiên cứu ñề tài:

MẶT TRỜI
Chương 2: CÁC BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
DÙNG GƯƠNG PHẢN XẠ
Chương 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT
MẶT TRỜI

"Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng

Chương 4: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy".

THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT MẶT TRỜI DÙNG MÔI CHẤT

2. Mục tiêu nghiên cứu

NÓNG CHẢY

+ Nghiên cứu lập cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng
lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy
+ Kiểm chứng các công thức tính toán ñược lập ra với một mô
hình thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời thực tế.
3. Nội dung nghiên cứu

Trọng tâm chính là lập cơ sở tính toán các quá trình tích trữ

Chương 5 : LẬP MÔ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH,
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5

6

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI

1.2.4.4 Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của kính
Đối với các bộ thu NLMT thực tế có giá trị D⊥ ≈ 1 (D// ≈ 1).

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

1.2.4.5 Hệ số truyền qua ñối với bức xạ khuếch tán

1.1.1 Vị trí, cấu trúc và kích thước mặt trời
Mật ñộ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính ñối
2

với 1m bề mặt ñặt vuông góc với tia bức xạ:
 2.3,14.32 
4


360.60 
 5762  ≈ 1353 W/m2
q=
.5,67. 

4
 100 

σo.To4

1.2.4.6 Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA)
1.2.4.7 Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ ñược của bộ thu

2

Cường ñộ bức xạ toàn phần là Eo =

1.2.4.3 Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính

7

1.2.5 Cân bằng nhiệt và nhiệt ñộ cân bằng của vật thu bức xạ
mặt trời
Phương trình cân bằng nhiệt cho V có dạng:
2

= 6,25.10 W/m

Công suất bức xạ toàn phần của Mặt trời là:
Qo = Eo.F = σo.To4 .π.D2= 3,8.1026W
1.2 Phương pháp tính toán cường ñộ bức xạ mặt trời
1.2.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
1.2.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang

Công suất do V hấp thụ = Công suất phát bức xạ từ V
Hay A.Et.Ft = E.F→A.σo.To4(D/2r)2.Ft = ε.σo.To4 F (1-29)
Nếu vật V có thông số (ρ, C, ε, A, F, V) ñặt trong khí quyển
nhiệt ñộ tf, toả nhiệt phức hợp hệ số α, thì phương trình cân bằng
nhiệt trong thời gian dτ cho V là:
A.En.sin(ω.τ).Ft(τ).dτ = ρ.V.C.dt + α.F.(t - tf) .dτ

1.2.3 Tổng cường ñộ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái ñất
Trong tính toán kỹ thuật, xem cường ñộ bức xạ tới mặt ñất là
hàm của thời gian τ:
E(τ) = En.sinϕ(τ)
ϕ(τ) = ω.τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt ñất,
ω=

2π
2π
=
= 7,27.10−5rad/s là tốc ñộ góc tự xoay của trái
τ n 24.3600

ñất.
En[W/m2] là cường ñộ bức xạ cực ñại trong ngày, lấy trị

có dạng dt + t αF = AEm Ft (τ)sin(ωτ)
(1-30)
dτ ρVC ρVC
Khi biết Ft(τ), có thể giải phương trình trên với ñiều kiện ñầu
t(τ = 0) = tf ñể tìm hàm biến ñổi t(τ) của nhiệt ñộ vật theo thời gian.
1.2.6 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam
1.3 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
1.3.1 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
1.3.2 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

trung bình cả năm theo số liệu ño lường thực tế tại vĩ ñộ cần xét.

1.3.3 Thiết bị nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời

1.2.4 Bức xạ mặt trời truyền qua kính

1.3.4 Thiết bị làm lạnh và ñiều hoà không khí dùng năng lượng

1.2.4.1 Hiệu ứng lồng kính

mặt trời

1.2.4.2 Sự phản xạ của bức xạ mặt trời

1.3.5 Pin mặt trời

7

8
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG

1.3.6 Nhà máy nhiệt ñiện sử dụng năng lượng mặt trời

NHIỆT MẶT TRỜI

1.3.7 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời

3.1 Tổng quan về kỹ thuật tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 2: BỘ THU TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG

3.1.1 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn tự nhiên (hiệu ứng

MẶT TRỜI

siphon nhiệt)

2.1 Các loại gương phản xạ
2.1.1 Các ñặc trưng của bộ thu năng lượng mặt trời dùng gương
phản xạ

ñược mô tả bằng công thức:

2.1.2 Độ tập trung năng lượng bức xạ

∆p = h.ρ.(T1 – T2)

k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft

F

h

của chất lỏng.

h

R

B
Hình 3.1 Hiệu ứng siphon nhiệt

R

3.1.2 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức

2.1.3 Gương phẳng
2.1.4 Gương nón

T2

T1

Với ρ là khối lượng riêng

E

= 1 + R.( Fh/ Ft - 1).
Nếu coi R ≈ 1 thì k ≈ Fh/t.

A

Độ chênh áp giữa hai nhánh

F
Hình 2.1 Hệ gương và mặt thu

2.1.4.1 Gương nón cụt
2.1.4.2 Gương nón
2.1.5 Gương Parabol
2.1.5.1 Gương Parabol tròn xoay
2.1.5.2 Gương Parabol trụ
Xét gương parabol trụ rộng 2r, dài L tập trung phản xạ vào
mặt thu hình ống trụ ñường kính d ñặt tại tiêu ñiểm, thì ñộ tập trung:
k = 1+ R  2r − 1
(2-17)


 πd 
2.2 Hệ thống ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời
2.2.1 Quỹ ñạo trái ñất quay quanh mặt trời
2.2.2 Phương pháp ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời
2.2.2.1 Hệ thống ñiều chỉnh dùng ñộng cơ
2.2.2.2 Hệ thống ñiều chỉnh dùng panel cảm biến

Trong nhiều trường
hợp phải chuyển nước nóng
ñi xa, tổn thất dọc ñường
lớn, nên bắt buộc phải mắc
C

thêm vào hệ một bơm ñiện
P ñể tăng vận tốc tuần hoàn

R
P

trong hệ thống.
Hình 3.2 Hệ tuần hoàn cưỡng bức
3.1.3 Trữ nhiệt bằng hệ có hai chất lỏng và bình chứa có
bộ trao ñổi nhiệt
Chất lỏng sơ cấp 1 ñi qua bộ trao ñổi nhiệt có dạng xoắn
hoặc tấm phẳng ñặt bên trong bình chứa R, chất lỏng 2 nhận nhiệt
từ chất lỏng 1 qua bộ trao ñổi nhiệt (hình 3.3).

9

10
lớn thì thể tích của bình chứa giảm một cách ñáng kể.
3.2 Đặc tính của môi chất nóng chảy

2
1

3.2.1 Khái niệm về pha và sự chuyển pha

R

1

3.2.1.1 Sự thay ñổi của entropy khi chuyển pha

2

3.2.1.2 Sự phụ thuộc của nhiệt ñộ chuyển pha vào áp suất

Hình 3.3 Bình chứa có bộ trao ñổi nhiệt

3.2.2 Hiện tượng chuyển pha trong chất rắn
Với mỗi chất rắn, khi nung nóng tới một nhiệt ñộ nóng chảy

3.1.4 Tích trữ nhiệt bằng chất cảm nhiệt
ñơn

sẽ bắt ñầu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ñó là hiện tượng nóng

giản nhất là ñun nước nóng

chảy. Để chất rắn nóng chảy hết thì phải cung cấp thêm một nhiệt

trong bình tích dùng trực

lượng ñể chuyển hoàn toàn trạng thái từ rắn thành lỏng gọi là nhiệt ẩn

tiếp cho gia ñình. Khi ñó hệ

nóng chảy. Khi làm lạnh các chất lỏng tới một nhiệt ñộ và áp suất xác

Trường

hợp

phải có chất tích nhiệt trung

ñịnh chất lỏng sẽ chuyển từ pha lỏng trở thành pha rắn, ñó là hiện

C
1

gian là chất lỏng hoặc chất

2

bằng nhiệt lượng thu vào trong quá trình nóng chảy.

rắn, với một khối lượng lớn.
Trong bình chứa có hai bộ
trao ñổi nhiệt 1 và 2

tượng ñông ñặc. Trong quá trình này vật toả ra một nhiệt lượng ñúng
3.3. Một số môi chất nóng chảy thường dùng

P

Hình 3.4 Hệ thu- tích nhiệt có bù nhiệt

3.3.1 Các yêu cầu ñối với môi chất nóng chảy

(hình 3.4).

3.3.1.1 Các ñặc tính nhiệt ñộng

3.1.5 Trữ nhiệt bằng môi chất nóng chảy

3.3.1.2 Các ñặc tính ñộng học

Giả sử một chất ở nhiệt ñộ T1 nhận một nhiệt lượng nào ñó

3.3.1.3 Đặc tính hoá học

thì nhiệt ñộ tăng lên và nóng chảy ở nhiệt ñộ T2 = const. So sánh

3.3.1.4 Các ñặc tính kinh tế

nhiệt lượng tích ñược trong một ñơn vị khối lượng của vật liệu

3.3.2 Đặc tính của một số môi chất nóng chảy thường dùng

trữ nhiệt có thay ñổi trạng thái do hiện tượng ẩn nhiệt với nhiệt lượng

3.3.2.1 Vật liệu hữu cơ

không thay ñổi trạng thái thì ta nhận ñược tỷ số:

a. Paraffin

Cp ( T2 − T1 ) + L ( T2 )
Cp ( T2 − T1 )

(3-2)

Trong ñó L(T2): nhiệt ẩn thay ñổi trạng thái ở nhiệt ñộ T2.
Trong thực tế giá trị của L(T2) lớn hơn rất nhiều so với
Cp(T2 – T1). Do ñó, nếu chọn môi chất nóng chảy có giá trị nhiệt ẩn

Sáp paraffin có màu trắng, không mùi, không vị với nhiệt ñộ
nóng chảy trong khoảng từ 47oC ñến 64oC (116,6oF ñến 147,2oF),
có khối lượng riêng khoảng 0,9 g/cm3.