49 Chơng 4: TíNH TOáN THIếT Bị Sử DụNG năng lợng Mặt trời 4.1. Bếp năng lợng mặt trời 4.1.1. Cấu tạo bếp NLMT Hình 4.1. Cấu tạo bếp nấu NLMT 1- Hộp ngoài 2 - Mặt phản xạ 3- Nồi 4- Nắp kính trong 5- Gơng phẳng phản xạ 6- Bông thủy tinh 7- Đế đặt nồi Bếp NLMT đợc thiết kế nh hình vẽ, hộp ngoài của bếp đợc làm bằng khung gỗ hình khối hộp chữ nhật bên ngoài đóng 1 lớp ván ép, phía trong là mặt nhôm đợc đánh bóng để phản xạ, biên dạng của mặt phản xạ đợc thiết kế là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay (hình 4.1) sao cho nồi nấu có thể nhận đợc chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gơng phẳng khi đặt cố định, gơng phản xạ có thể gấp lại khi không dùng, giữa mặt phản xạ và hộp ngoài là lớp bông thủy tinh cách nhiệt, phía trên bếp có một nắp kính nhằm cách nhiệt và tạo hiệu ứng lồng kính. 4.1.2. Tính toán thiết kế bếp Hình 4.2. Kích thớc của bếp 1 2 3 6 7 5 4 70 A H a d2 d1 a h A-A a A Giỏo trỡnh phõn tớch quan h gia ng kớnh mt nhn din v thi gian tớnh toỏn ca thit b s dng nng lng mt tri 50 Bếp gồm mặt kính nhận nhiệt có đờng kính d 2 , hệ số truyền qua D, gơng phản xạ có hệ số phản xạ R g , mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ R p , nồi nấu làm bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ , đờng kính d 1 , chiều dày o , khối lợng riêng o , nhiệt dung riêng C, chiều cao h, chứa đầy nớc có nhiệt dung riêng C p , khối lợng riêng n . Do mặt phẳng qũy đạo của mặt trời tại Đà Nẵng và Quảng Nam nghiêng một góc khoảng 20 o so với mặt thắng đứng nên tính toán cho góc tới = 70 o . Cờng độ bức xạ mặt trời lấy trung bình lúc nấu (11h-12h) ở tỉnh Quảng Nam là E = 940W/m 2 . Trong khoảng thời gian bếp sẽ thu từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q 1 : Q 1 = .E.sin .F. , [J]. trong đó F = [D.F 1 + R g .D.F 1 + R p .D.F 2 + R p .R g .D.F 2 ] F 1 4 2 1 d , F 2 = 4 2 2 d - F 1 , Lợng nhiệt nhận đợc của bộ thu Q 1 dùng để: - Làm tăng nội năng của nồi U = m o .C.(t s - t o ) - Làm tăng entanpy nớc I m = m n .C P (t s - t o ) - Tổn thất ra môi trờng xung quanh Q 2 trong đó m = d 1 .h. o . o + 2. o . o . 4 2 1 d [kg], m = 4 2 1 d .h. n [kg], Do nồi đợc đặt trên đế có diện tích tiếp xúc nhỏ và có vỏ bọc cách nhiệt bên ngoài nên có thể xem Q 2 0. Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bếp: Q 1 = m o .C.(t s - t o ) + m n .C P (t s - t o ) Hay: .E.sin. F. =(d 1 .h. o . o + 2. o . o . 4 2 1 d ) C.(t s - t o ) + 4 2 1 d .h. n C P (t s - t o ) Thay các giá trị : E = 940 W/m 2 , = 0,9 , =70 o , D = 0,9, R g =0,9 , R p = 0,9, o =0,001m, o =7850kg/m 3 , t s = 100 o C, t o = 25 o C, C = 460 J/kgđộ, n = 1000kg/m 3 , C p = 4200J/kgđộ , d 1 = 0,25m, h= 0,2m , tính đợc m =1,75kg m n =9,8kg => F. = 3884 hay (1,22d 2 2 +0,08) . = 3884 51 Quan hệ giữa đờng kính mặt nhận nhiệt d 2 và thời gian : d 2 () đợc biểu diễn trên hình 3.3. Từ quan hệ này có thể tính đợc đờng kính mặt thu theo thời gian yêu cầu. Ví dụ: nếu = 1h =3600s thì ta có d 2 = 0,8m, tức là nếu d 2 = 0,8m thì ta có thể đun sôi 9,8 kg nớc trong thời gian 1h. Trong thực tế đã chế tạo bếp nấu có kích thớc nh trên và đã đun sôi 9 lít nớc sau 55 phút. Phơng pháp tính toán trên đã đợc áp dụng để thiết kế, chế tạo các loại bếp với nồi nấu có dung tích từ 2 đến 10 lít để triển khai ứng dụng vào thực tế. 4.1. Bộ thu năng lợng mặt trời để cấp nớc nóng 4.2.1. Bộ thu phẳng 4.2.1.1. Cấu tạo và phân loại bộ thu phẳng 1 2 3 4 5 6 7 8 a b 0 2000 4000 6000 8000 1 10 4 1 2 3 4 5 6 Thời gian [s] Đờng kính mặt thu [m] 5.103076 0.455195 d2 . 110 4100 Hình 4.3. Đồ thị quan hệ d 2 ( ) H ỗnh 4.4. Cỏỳu taỷo Collecto r hỏỳp thuỷ nhióỷt 1- Lồùp caùch nhióỷt, 2- Lồùp õóỷm tỏỳm phuớ trong suọỳt, 3- Tỏỳm phuớ trong suọỳt, 4 - ổồỡng nổồùc noùng ra, 5 - Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt, 6- Lồùp tọn boỹc, 7- ổồỡng nổồùc laỷnh vaỡo, 8- Khung õồớ Collector 52 Khọng thóứ coù mọỹt kióứu Collector naỡo maỡ hoaỡn haớo vóử moỹi mỷt vaỡ thờch hồỹp cho moỹi õióửu kióỷn, tuy nhión tuỡy theo tổỡng õióửu kióỷn cuỷ thóứ chuùng ta coù thóứ taỷo cho mỗnh mọỹt loaỷi Collector hồỹp lyù nhỏỳt. Trong caùc bọỹ phỏỷn cỏỳu taỷo nón Colletor, bọỹ phỏỷn quan troỹng nhỏỳt vaỡ coù aớnh hổồớng lồùn õóỳn hióỷu quớa sổớ duỷng cuớa Collector laỡ bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt. Sau õỏy laỡ mọỹt sọỳ so saùnh cho vióỷc thióỳt kóỳ vaỡ chóỳ taỷo bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt cuớa Collector maỡ thoớa maợn mọỹt sọỳ chố tióu nhổ: giaù thaỡnh, hióỷu quaớ hỏỳp thuỷ vaỡ mổùc õọỹ thuỏỷn tióỷn trong vióỷc chóỳ taỷo. Sau õỏy laỡ 3 mỏựu Collector coù bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt õồn giaớn, hióỷu quaớ hỏỳp thuỷ cao coù thóứ chóỳ taỷo dóự daỡng ồớ õióửu kióỷn Vióỷt nam. Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt daỷng hỗnh rừn Tỏỳm hỏỳp thuỷ Voỡng dỏy gừn bóử mỷt hỏỳp thuỷ vaỡo tỏỳm hỏỳp thuỷ d Hỗnh 4.5. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ nhióỷt daỷng ọỳng hỗnh rừn gừn trón tỏỳm hỏỳp thuỷ Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt daỷng daợy ọỳng Tỏỳm hỏỳp thuỷ Hỗnh 4.6. Daới tỏỳm hỏỳp thuỷ õổồỹc õan xen vaỡo bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng daợy ọỳng Hai tỏỳm gừn vồùi nhau bũng caùch duỡng ọỳc vờt hay haỡn õờnh Bóử mỷt trao õọứi nhióỷt daỷng tỏỳm c vờt coù lồùp õóỷm Mọỳi haỡn õờnh Hỗnh 4.7. Bóử mỷt hỏỳp thuỷ daỷng tỏỳm 53 Sau khi thiãút kãú chãú tảo, âo âảc tênh tọan v kiãøm tra so sạnh ta thu âỉåüc bng täøng kãút sau: Loải bãư màût háúp thủ Dảng äúng hçnh ràõn Dảng dy äúng Dảng dy äúng Dảng táúm Cạch gàõn våïi táúm háúp thủ Âan xen vo nhau Dng vng dáy kim loải Âan xen vo nhau Hn âênh Hiãûu sút háúp thủ nhiãût Gim 10% Gim 10% Chøn Bàòng chøn Giạ ca váût liãûu v nàng lỉåüng ctảo Gim 4% Tàng 2% Chøn Tàng 4% Thåìi gian cáưn gia cäng chãú tảo Gim 20% Gim 10% Chùn Tàng 50% Tỉì cạc kãút qu kiãøm tra v so sạnh åí trãn ta cọ thãø rụt ra mäüt säú kãút lûn nhỉ sau: 1- Loải bãư màût háúp thủ dảng dy äúng cọ kãút qu thêch håüp nháút vãư hiãûu sút háúp thủ nhiãût , giạ thnh cng nhỉ cäng v nàng lỉåüng cáưn thiãút cho viãûc chãú tảo. Tuy nhiãn nãúu trong trỉåìng håüp khäng cọ âiãưu kiãûn âãø chãú tảo thç chụng ta cọ thãø chn loải bãư màût háúp thủ dảng hçnh ràõn. Bãư màût háúp thủ dảng táúm cng cọ kãút qu täút nhỉ loải dảng dy äúng nhỉng âi hi nhiãưu cäng v khọ chãú tảo hån. 2- Táúm háúp thủ âỉåü c gàõn vo äúng háúp thủ bàòng cạch âan xen tỉìng dỵi nh l cọ hiãûu qu nháút. Ngoi ra táúm háúp thủ cọ thãø gàõn vo äúng háúp thủ bàòng phỉång phạp hn, våïi phỉång phạp ny thç hiãûu qu háúp thủ cao hån nhỉng máút nhiãưu thåìi gian v giạ thnh cao hån. 4.2.1.2. Tênh toạn bäü thu phàóng Kho sạt panel màût tråìi våïi häüp thu kêch thỉåïc axbxδ, khäúi lỉåüng m o , nhiãût dung riãng C o âỉåüc lm bàòng thẹp dy δ t , bãn trong gäưm cháút lng ténh cọ khäúi lỉåüng m, v lỉu lỉåüng G[kg/s] chy liãn tủc qua häüp. Xung quanh häüp thu bc 1 låïp cạch nhiãût, ta nhiãût ra khäng khê våïi hãû säú α. Phêa trãn màût thu F 1 = ab våïi âäü âen ε l 1 låïp khäng khê v 1 táúm kênh cọ âäü trong D. Chiãưu dy v hãû säú dáùn nhiãût ca cạc låïp ny l δ c , δ k , δ K v λ c , λ k , λ K . Cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi tåïi màût kênh tải thåìi âiãøm τ l E(τ) = E n sinϕ(τ , våïi ϕ(τ ) = ωτ l gọc nghiãng ca tia nàõng våïi màût kênh, ω = 2π /τ n v τ n = 24 x 3600s l täúc âäü gọc v chu k tỉû quay ca trại âáút, E n l cỉåìng âäü bỉïc xả cỉûc âải trong . 49 Chơng 4: TíNH TOáN THIếT Bị Sử DụNG năng lợng Mặt trời 4.1. Bếp năng lợng mặt trời 4.1.1. Cấu tạo bếp NLMT Hình 4.1. Cấu tạo bếp nấu NLMT 1- Hộp ngoài 2 - Mặt phản xạ 3- Nồi 4- Nắp kính. , tính đợc m =1,75kg m n =9,8kg => F. = 3884 hay (1,22d 2 2 +0,08) . = 3884 51 Quan hệ giữa đờng kính mặt nhận nhiệt d 2 và thời gian : d 2 () đợc biểu diễn trên hình 3.3. Từ quan. riêng n . Do mặt phẳng qũy đạo của mặt trời tại Đà Nẵng và Quảng Nam nghiêng một góc khoảng 20 o so với mặt thắng đứng nên tính toán cho góc tới = 70 o . Cờng độ bức xạ mặt trời lấy trung