Nội dung

C−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi tíi mÆt kÝnh t¹i thêi ®iÓm τ lµ E(τ) = Ensinϕ(τ), víi ϕ(τ) = ω.τ lµ gãc nghiªng cña tia n¾ng víi mÆt kÝnh, ω= 2π/τn vµ τn = 24 x 3600s lµ tèc ®é gãc vµ chu kú tù quay cña tr¸i ®Êt, En lµ c−êng ®é bøc x¹ cùc ®¹i trong ngµy, lÊy b»ng trÞ trung b×nh trong n¨m t¹i vÜ ®é ®ang xÐt En = 1 ∑ Eni . 365 Lóc mÆt trêi mäc τ= 0, nhiÖt ®é ®Çu cña bé thu vµ chÊt láng b»ng nhiÖt ®é to cña kh«ng khÝ m«i tr−êng xung quanh. Ph−¬ng tr×nh vi ph©n c©n b»ng nhiÖt cña bé thu Ta gi¶ thiÕt r»ng t¹i mçi thêi ®iÓm τ, xem nhiÖt ®é chÊt láng vµ èng hÊp thô ®ång nhÊt vµ b»ng t(τ). XÐt c©n b»ng nhiÖt cho hÖ bé thu trong kho¶ng thêi gian dτ kÓ tõ thêi ®iÓm τ. MÆt bé thu hÊp thô tõ mÆt trêi 1 l−îng nhiÖt b»ng δQ1: δQ1 = ε.Ensinωτ .FD .sinωτ.dτ, [J]. (4.8) Víi FD = D1D2.F1 + fc.D1 D2.F2 + R.D11D23.F3 + R.D1D2.F4, trong ®ã: F1= L.d , F2= L.2.Wc , (4.9) F3= L(d2 - d1), F4= L(N - d2) (xem khe hë gi÷a c¸nh vµ èng kÝnh trong lµ b»ng 0). L−îng nhiÖt nhËn ®−îc cña bé thu δQ1 dïng ®Ó: - Lµm t¨ng néi n¨ng cña èng hÊp thô dU = (mo.Co + mc.Cc) dt - Lµm t¨ng entanpy l−îng n−íc tÜnh dIm = m.CPdt - Lµm t¨ng entanpy dßng chÊt láng dIG = G.CP(t - to) dτ - TruyÒn nhiÖt ra ngoµi kh«ng khÝ δQ2 = Ktt .L(t - to)dτ trong ®ã: khèi l−îng èng hÊp thô mo= πd.L.δo.ρo, [kg], khèi l−îng c¸nh mc= 2LWc.δc.ρc , [kg] khèi l−îng n−íc tÜnh m= π 4 d2.L.ρ [kg], hÖ sè tæn thÊt nhiÖt tæng Ktt = [KL + KLbx + nKd.Fd], [W/mK] n- sè nót ®Öm trªn 1m chiÒu dµi bé thu, [m]-1 −1 hÖ sè truyÒn nhiÖt qua nót ®Öm ⎛δ 1⎞ Kd = ⎜⎜ d + ⎟⎟ , [W/m2K] ⎝ λd α ⎠ −1 4 ⎡ 1 d ⎤ 1 hÖ sè truyÒn nhiÖt b»ng ®èi l−u vµ dÉn nhiÖt KL=π. ⎢ + ∑ . ln i+1 ⎥ , [W/mK] di ⎦ ⎣α.d 2 i=1 2λi 63 KLbx= π.σ.εqd.(Ttb+To)(Ttb2+To2), [W/mK] hÖ sè truyÒn nhiÖt b»ng bøc x¹ ⎡ víi εqd = ⎢ 1 + 1 ⎣ εd d 2 −1 ⎛ 1 ⎞ 1⎛2 ⎞⎤ ⎜⎜ − 1⎟⎟ + ⎜⎜ − 1⎟⎟⎥ , ⎝ε2 ⎠ d1 ⎝ ε 1 ⎠⎦ σ = 5.67.10-8 W/mK4 Ttb = 273 + ttb,nhiÖt ®é tuyÖt ®èi trung b×nh tÝnh to¸n cña m«i chÊt trong bé thu, [K] VËy ta cã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cho bé thu: δQ1 = dU + dIm + dIG + δQ2 (4.10) th× ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt (4.2) cã thÓ viÕt d−íi d¹ng: ε.En.FD.sin2ωτ.dτ = (mo.Co+m.CP+mc.Cc)dt+(GCP+KttL)(t - to)dτ. (4.11) BiÕn ®æi b»ng c¸ch thay T(τ) = t(τ) - to vµ ®Æt: a= b= ε .FD .E n m o .C o + mC P + mc C c = P , [K/s] C GC P + K tt .L W = m o .C o + mC P + mc C c C [1/s] (4.12a) (4.12b) th× ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cho bé thu lµ: T’(τ) + b.T(τ) = a.sin2(ωτ) (4.13) Víi ®iÒu kiÖn ®Çu T(0) = 0 (4.14) Gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh 4.13, 4.14 t−¬ng tù nh− ë môc trªn ta t×m ®−îc hµm ph©n bè nhiÖt ®é chÊt láng trong bé thu lµ: T(τ) = e − bτ a b b [1sin(2ωτ + artg )] 2 2 2 2b 2 ω 1 + ( b / 2 ω ) b + 4ω (4.15) Trong ®ã a vµ b ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc 4.12a vµ 4.12b C«ng thøc tÝnh to¸n bé thu Tõ hµm ph©n bè (4.15) ta dÔ dµng lËp ®−îc c¸c c«ng thøc tÝnh c¸c th«ng sè kü thuËt ®Æc tr−ng cho bé thu nh− b¶ng 4.4: 64 B¶ng 4.4. C¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cña bé thu n»m ngang Th«ng sè ®Æc tr−ng C«ng thøc tÝnh to¸n §é gia nhiÖt lín nhÊt a a (1 + ) 2 2b b + 4ω 2 Tm = Tm NhiÖt ®é cùc ®¹i thu ®−îc tm= to+ tm a b ) (1 + 2 2b b + 4ω 2 ⎛3 ⎝8 Thêi ®iÓm ®¹t nhiÖt ®é cùc ®¹i τm=τn ⎜ − τm S¶n l−îng nhiÖt trong 1 ngµy Q= Q NhiÖt ®é trung b×nh ttb = to + C«ng suÊt h÷u Ých trung b×nh Ptb = Ptb S¶n l−îng n−íc nãng M= M HiÖu suÊt nhiÖt bé thu η η= Qtb E.Fo = a 2b τn τn / 2 ∫ 0 [J] [oC] a GCP [W] 2b τn 2 G, Qtb 2 [oC] 1 b ⎞ artg ⎟ [s] 4π 2ω ⎠ aτ n GCP 4b ttb [oC] E n sin(2π [kg] τ )dτ .Fo τn = πaGCp 4bEn .Fo Bé thu cã g−¬ng ph¶n x¹ lo¹i nµy cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt nh−ng trong hÖ thèng cÇn cã thªm mét b¬m tuÇn hoµn m«i chÊt, nªn ch−a thÝch hîp cho viÖc l¾p ®Æt sö dông ë c¸c vïng s©u vïng xa kh«ng cã ®iÖn l−íi. 65 4.2.2.2 Bé thu ®Æt nghiªng CÊu t¹o module bé thu ®Æt nghiªng M¸ng trô tr¸i èng hÊp thô bªn trong chøa chÊt láng 2 líp kÝnh M¸ng trô ph¶i 3 c¸nh nhËn nhiÖt bøc x¹ (r+w)√2 01 02 r+w N H×nh 4.13. CÊu t¹o lo¹i module bé thu ®Æt nghiªng Module bé thu ®Æt nghiªng cã cÊu t¹o nh− h×nh 3.8, gåm mét èng hÊp thô s¬n mµu ®en cã chÊt láng chuyÓn ®éng bªn trong, 2 bªn vµ mÆt d−íi èng cã hµn 3 c¸nh nhËn nhiÖt, bªn ngoµi lµ hai èng thuû tinh lång vµo nhau, gi÷a hai èng thñy tinh lµ líp kh«ng khÝ hoÆc ®−îc hót ch©n kh«ng. TÊt c¶ hÖ èng hÊp thô vµ èng thñy tinh ®−îc ®Æt gi÷a hai m¸ng trô tr¸i vµ ph¶i, vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña hÖ thèng èngg−¬ng ph¶n x¹ ®−îc miªu t¶ nh− trªn h×nh 4.13. Biªn d¹ng cña m¸ng trô ®−îc dùng bëi 2 cung trßn t©m O1 vµ O2 ë hai ®Çu mót c¸nh tr¸i vµ ph¶i, b¸n kÝnh c¸c cung trßn lµ (r+W) 2 trong ®ã r lµ b¸n kÝnh èng hÊp thô cßn W lµ chiÒu réng cña c¸nh, tøc lµ c¸c cung trßn nµy ®i qua ®Çu mót cña c¸nh d−íi (h×nh 4.13). Víi cÊu t¹o nh− vËy th× tÊt c¶ c¸c tia bøc x¹ mÆt trêi trong ngµy chiÕu ®Õn mÆt høng cña bé thu ®Òu ®−îc èng hÊp thô vµ c¸nh nhËn nhiÖt nhËn ®−îc. Trªn h×nh 4.14 vµ h×nh 4.15 biÓu diÔn qu¸ tr×nh truyÒn cña tia bøc x¹ vu«ng gãc vµ xiªn gãc bÊt kú, c¸c tia bøc x¹ xiªn gãc kh¸c còng cã ®−êng truyÒn t−¬ng tù. 66 N H×nh 4.14. Qu¸ tr×nh truyÒn cña c¸c tia n¾ng vu«ng gãc N H×nh 4.15. Qu¸ tr×nh truyÒn cña c¸c tia n¾ng xiªn gãc §èi víi lo¹i bé thu nµy g−¬ng ph¶n x¹ cã d¹ng m¸ng trô kÐp nã cã t¸c dông ph¶n x¹ bøc x¹ mÆt trêi ®Õn bÒ mÆt hÊp thô gièng nh− parabol trô trong phÇn 4.2.2.1 nªn th−êng ®−îc gäi chung lµ g−¬ng ph¶n x¹ d¹ng parabol trô. 67 C¸c th«ng sè bé thu vµ c¬ së tÝnh to¸n Kh¶o s¸t mét bé thu n¨ng l−îng mÆt trêi (module) kiÓu èng cã g−¬ng parabol trô nh− sau: τn d2, D2, δk2, λk2 ω E(τ) E(τ) to α d1, D1, δk1, λk1 δkk, λkk d, δo, ρo, Co . ϕ(τ) t d, ρ, m, Cp GCp to N α to dd, δd, λd α L Wc, δc, λc,Cc H×nh 4.16. KÕt cÊu bé thu d¹ng èng cã g−¬ng ph¶n x¹ parabol trô lo¹i ®Æt nghiªng Bé thu gåm mét èng ®ång ë gi÷a cã ®−êng kÝnh d dµy δo, khèi l−îng riªng ρo nhiÖt dung riªng Co, hai bªn vµ bªn d−íi èng cã hµn thªm 3 c¸nh ®ång ph¼ng cã chiÒu dµy δc , chiÒu réng c¸nh lµ Wc, hÖ sè dÉn nhiÖt λc vµ hiÖu suÊt c¸nh fc lµm nhiÖm vô hÊp thô n¨ng l−îng mÆt trêi, hÖ èng- c¸nh ®−îc s¬n phñ mét líp s¬n ®en vµ cã ®é ®en ε, bªn trong èng chøa chÊt láng, cã khèi l−îng tÜnh m, l−u l−îng G[kg/s] nhiÖt dung riªng CP ch¶y liªn tôc qua bé thu. Xung quanh èng ®−îc bäc 2 èng thñy tinh cã ®−êng kÝnh d1, d2, dµy δk1, δk2 cã hÖ sè dÉn nhiÖt, hÖ sè bøc x¹ vµ hÖ sè truyÒn qua lÇn l−ît lµ λk1, λk2, ε1, ε2, D1, D2 lµm nhiÖm vô “lång kÝnh” vµ c¸ch nhiÖt. Gi÷a c¸c èng thñy tinh vµ èng ®ång lµ c¸c líp kh«ng khÝ cã hÖ sè dÉn nhiÖt lµ λkk hai ®Çu ®−îc ®Öm kÝnh b»ng hai nót cao su dµy δd cã ®−êng kÝnh dd vµ hÖ sè dÉn nhiÖt λd. HÖ sè táa nhiÖt tõ èng thñy tinh ngoµi ®Õn kh«ng khÝ cã nhiÖt ®é to lµ α. PhÝa d−íi hÖ èng cã mÆt ph¶n x¹ d¹ng parbol trô víi hÖ sè ph¶n x¹ R víi diÖn tÝch thu n¾ng Fo = N.L. Bé thu ®−îc ®Æt sao cho mÆt ph¶n x¹ cña parabol h−íng vÒ phÝa mÆt trêi (trôc cña hÖ èng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng quü ®¹o cña mÆt trêi). 68 C−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi tíi mÆt kÝnh t¹i thêi ®iÓm τ lµ E(τ) = Ensinϕ(τ), víi ϕ(τ) = ω.τ lµ gãc nghiªng cña tia n¾ng víi mÆt kÝnh, ω = 2π/τn vµ τn = 24 x 3600s lµ tèc ®é gãc vµ chu kú tù quay cña tr¸i ®Êt, En lµ c−êng ®é bøc x¹ cùc ®¹i trong ngµy, lÊy b»ng trÞ trung b×nh trong n¨m t¹i vÜ ®é ®ang xÐt En = 1 ∑ Eni . 365 Lóc mÆt trêi mäc τ = 0, nhiÖt ®é ®Çu cña bé thu vµ chÊt láng b»ng nhiÖt ®é to cña kh«ng khÝ m«i tr−êng xung quanh. Ph−¬ng tr×nh vi ph©n c©n b»ng nhiÖt cña bé thu Ta gi¶ thiÕt r»ng t¹i mçi thêi ®iÓm τ, xem nhiÖt ®é chÊt láng vµ èng hÊp thô ®ång nhÊt vµ b»ng t(τ). XÐt c©n b»ng nhiÖt cho hÖ bé thu trong kho¶ng thêi gian dτ kÓ tõ thêi ®iÓm τ. MÆt module bé thu hÊp thô tõ mÆt trêi 1 l−îng nhiÖt b»ng δQ1: δQ1 = ε.Ensinωτ .FD.sinωτ.dτ, [J]. Víi (4.16) FD = D1D2.F1 + fc.D1 D2.F2 + R. fc.D1D23.F3 + R. fc.D1D2.F4, trong ®ã: F1= L.d , F2= 2L.Wc , (4.17) F3= L(d2 - d1), F4= L(N - d2). ë ®©y ta gi¶ thiÕt r»ng tÊt c¶ c¸c tia bøc x¹ mÆt trêi chiÕu ®Õn mÆt bé thu trªn diÖn tÝch F4 sau khi ph¶n x¹ tõ g−¬ng trô ®ù¬c truyÒn ®Õn c¸nh hÊp thô. L−îng nhiÖt nhËn ®−îc cña module bé thu δQ1 dïng ®Ó: - Lµm t¨ng néi n¨ng cña èng hÊp thô-c¸nh dU = (mo.Co + mc.Cc)dt - Lµm t¨ng entanpy l−îng n−íc tÜnh dIm = m.CPdt - Lµm t¨ng entanpy dßng chÊt láng dIG = Gdτ.CP(t - to) - TruyÒn nhiÖt ra ngoµi kh«ng khÝ δQ2 = Ktt.L(t - to)dτ trong ®ã: mo= Lπd.δo.ρo , [kg] mc= 3LWc.δc.ρc , [kg], m= π 4 d2.L.ρ [kg], Ktt = [KL + KLbx + nKd.Fd], [W/mK] ⎛δ 1⎞ n- sè nót ®Öm trªn 1m chiÒu dµi bé thu, [m] Kd = ⎜⎜ d + ⎟⎟ ⎝ λd α ⎠ -1 69 −1 , [W/m2K] −1 4 ⎡ 1 d ⎤ 1 hÖ sè truyÒn nhÖt b»ng ®èi l−u vµ dÉn nhiÖt KL=π. ⎢ . ln i +1 ⎥ , [W/mK] +∑ di ⎦ ⎣α .d 2 i =1 2λi KLbx= π.σ.εqd.(Ttb+To)(Ttb2+To2), [W/mK] hÖ sè truyÒn nhiÖt b»ng bøc x¹ ⎡ víi εqd = ⎢ 1 + 1 ⎣ εd d 2 −1 ⎛ 1 ⎞ 1⎛2 ⎞⎤ ⎜⎜ − 1⎟⎟ + ⎜⎜ − 1⎟⎟⎥ , σ = 5.67.10-8 W/mK4 ⎝ε2 ⎠ d1 ⎝ ε 1 ⎠⎦ Ttb = 273 + ttb,nhiÖt ®é tuyÖt ®èi trung b×nh tÝnh to¸n cña m«i chÊt trong bé thu, [K] VËy ta cã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cho bé thu: δQ1 = dU + dIm + dIG + δQ2 (4.18) Hay cã thÓ viÕt d−íi d¹ng: ε.En.FD.sin2ωτ.dτ = (mo.Co+m.CP+mc.Cc)dt +(GCP+ Ktt.L)(t - to)dτ (4.19) BiÕn ®æi b»ng c¸ch thay T(τ) = t(τ) - to vµ ®Æt: a= b= ε .FD .E n m o .C o + mC P + mc C c = P , [K/s] C GC P + K tt .L W = m o .C o + mC P + mc C c C [1/s] (4.20a) (4.20b) th× ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cho bé thu lµ: T’(τ) + b.T(τ) = a.sin2(ωτ) (4.21) Víi ®iÒu kiÖn ®Çu T(0) = 0 (4.22) Gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh 4.21, 4.22 t−¬ng tù nh− ë môc trªn ta t×m ®−îc hµm ph©n bè nhiÖt ®é chÊt láng trong bé thu lµ: T(τ) = e − bτ a b b [1sin(2ωτ + artg )] 2 2 2 2b 2 ω 1 + ( b / 2 ω ) b + 4ω (4.23) Trong ®ã a vµ b ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc 4.20a vµ 4.20b C«ng thøc tÝnh to¸n bé thu Tõ hµm ph©n bè (4.23) ta dÔ dµng lËp ®−îc c¸c c«ng thøc tÝnh c¸c th«ng sè kü thuËt ®Æc tr−ng cho bé thu nh− b¶ng 4.5. 70 B¶ng 3.5. C¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cña bé thu ®Æt nghiªng Th«ng sè ®Æc tr−ng C«ng thøc tÝnh to¸n §é gia nhiÖt lín nhÊt a a (1 + ) 2 2b b + 4ω 2 Tm = Tm NhiÖt ®é cùc ®¹i thu ®−îc tm= to+ tm a b ) (1 + 2 2b b + 4ω 2 ⎛3 ⎝8 Thêi ®iÓm ®¹t nhiÖt ®é cùc ®¹i τm=τn ⎜ − τm S¶n l−îng nhiÖt trong 1 ngµy Q= Q §é gia nhiÖt trung b×nh Tn NhiÖt ®é trung b×nh C«ng suÊt h÷u Ých trung b×nh Ptb = Ptb S¶n l−îng n−íc nãng M= M HiÖu suÊt nhiÖt bé thu η a 2b ttb = to + ttb η= Qtb E.Fo = a 2b τn τn / 2 ∫ 0 [J] [oC] [oC] a GCP [W] 2b τn 2 G, Qtb 2 [oC] 1 b ⎞ artg ⎟ [s] 4π 2ω ⎠ aτ n GCP 4b Tn = [oC] E n sin(2π [kg] τ )dτ .Fo τn = πaGCp 4bEn .Fo G−¬ng ph¶n x¹ cña lo¹i bé thu nµy cã cÊu t¹o h¬i phøc t¹p h¬n, nh−ng hÖ thèng lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®èi l−u tù nhiªn nªn kh«ng cÇn ph¶i cã thªm b¬m tuÇn hoµn m«i chÊt, do ®ã rÊt thÝch hîp cho viÖc triÓn khai sö dông ë c¸c vïng s©u vïng xa kh«ng cã ®iÖn l−íi. TÝnh to¸n chän kÝch th−íc bé thu C¸c kÝch th−íc module bé thu cÇn ph¶i chän hoÆc tÝnh to¸n sao cho bé thu ®¹t ®−îc hiÖu qu¶ cao nhÊt vÒ mÆt kinh tÕ còng nh− kh¶ n¨ng hÊp thô nhiÖt tõ NLMT, ®ång thêi ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu vÒ mÆt cÊp nhiÖt. C¸c kÝch th−íc cña module bé thu cã ¶nh h−ëng ®Õn hiÖu suÊt bé thu cÇn ph¶i tÝnh chän lµ: 71