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

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

1. 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 Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh nguyenvantuan@iuh.edu.vn 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 ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Hậu quả là biến đổi khí hậu toàn 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 khô, sưởi ấm, v.v. Mục đích của bài báo này là tính toán 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-
2. 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 quá 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 mô 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 môi chất đạt trược trong một ngày thu, tmax là nhiệt độ tối đa môi chất đạt được trong quá trình gia nhiệt. Ngoài 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 toán 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 Giờ thực tế 6 12 24 Hình 2. Đồ thị hàm t() của môi chất trong bộ thu parabol 2.2 Mô tả quá 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 0 nhiệt độ t C của dầu tăng lên từ (t0 = tf) ban đầu đến nhiệt độ cực đại tm rồi sau đó hạ xuống nhiệt độ tích trữ không tải tc. Trong khoảng thời gian  =12h (thời gian một ngày nắng), môi chất sẽ đạt nhiệt độ trung bình tn Quá trình trữ nhiệt không tải sẽ làm nhiệt độ dầu giảm trong khoảng [tn 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 quá trình này là giúp chúng ta tính toán lựa chọn cách nhiệt cho bình trữ dầu trong hệ thống tích trữ NLMT dùng gương parabol trụ. -69-
3. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Quá trình cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ bằng nước ban đầu có nhiệt độ t0 = tf đi vào bình trữ dầu 0 sẽ được gia nhiệt tăng lên đến nhiệt độ yêu cầu của máy lạnh hấp thụ là tnc = 90 C 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 t n 1 tc t = 90 0C B C 2 A tf T Giờ lý thuyết 12 Tc1 Tc2 24 h 6 Giờ thực tế 18 1 trữ nhi ệt không tải 2 trữ nhi ệt 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 công suất 9000 Btu/h. Vậy với một máy lạnh hấp thụ có công suất 770 Btu/h cần một lượng nhiệt tương ứng là 390 W để cấp cho bình sinh hơi. - Căn cứ vào hai thông số: nhiệt độ nước nóng 90 0C và công suất nhiệt yêu cầu là 390 W để thiết kế tính toán 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 công 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 toán 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 Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Chiều rộng của parabol 2r m 0.8 2 Chiều dài parabol L m 0.6 3 Chiều cao parabol h m 0.2 4 Độ dài tiêu cự f m 0.14 5 Hệ số phản xạ R 0.2 600 Φ10 Φ36 Hình 4. Kích thước ống hấp thụ Kích thước và thông số của bộ thu được mô tả trong bảng 2 -70-
4. 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 Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Đường kính ống hấp thụ d m 0.01 2 Hệ số hấp thụ ε 0.95 3 Đường kính ống kính d1 m 0.036 4 Chiều dày ống kính δ1 m 0.002 5 Hệ số dẫn nhiệt λ W/mK 0.8 6 Độ trong của kính D 0.95 Thông số của môi chất được mô tả trong bảng 3 Bảng 3. Thông số môi chất STT Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Hệ số dẫn nhiệt của không khí λkk W/mK 0.0265 2 Khối lượng riêng của dầu ρ Kg/m3 778 0 3 Nhiệt độ ban đầu của dầu t0 C 32 0 4 Nhiệt độ dầu ra t1 C 300 5 Lưu lượng dầu qua ống G kg/s 0.002 6 Nhiệt dung riêng của dầu Cp J/kgK 2355 3.3. Hình ảnh chế tạo thiết bị thực nghiệm Hình 5. Hình dáng bên ngoài của hệ thống -71-
5. 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 toán, môi 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 0C tại bộ hấp thụ vào lúc 13h đến 14 giờ chiều. Điều này là do việc lắp đặt thiết bị không hoàn toàn 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 toán. Trong quá 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 toán 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. Mô hình thực nghiệm đã chứng minh được quá trình thu trữ năng lượng mặt trời phục vụ cho công 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-