Luận văn thạc sĩ Cơ khí công nghệ: Nghiên cứu mô hình hóa và kiểm chứng thực nghiệm bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời loại ống dùng cho máy sấy qui mô nhỏ

Trong thời gian gần đây việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời désây nông sản đã được các đơn vị, cơ quan khác nhau trong nước đặc biệt quan tâm,trong đó có sự đóng góp nghiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HÒ CHÍ MINH

LÊ NGỌC HUY

NGHIÊN CUU MÔ HÌNH HÓA VÀ KIEM CHUNG THỰC NGHIỆM BO THU NHIET NANG LƯỢNG MAT TRỜI LOAI ONG DUNG CHO MAY SAY QUI MO NHO

Chuyén nganh : Co khi Cong nghé

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HOA VÀ KIEM CHUNG THỰC NGHIEM BO THU NHIET NĂNG LƯỢNG MAT TRỜI LOAI ONG DUNG CHO MAY SAY QUI MO NHO

LE NGỌC HUY

Hội đồng cham luận van:

1 Chủ tịch: PGS.TS NGUYÊN HAY

Đại học Nông Lâm TP HCM

2 Thư ký: PGS.TS TRAN THỊ THANH

Đại học Nông Lâm TP HCM

3 Phản biện 1: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Đại học Bách khoa TP HCM

4 Phản biện 2: TS PHÙNG RÂN

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

5 Ủy viên: TS PHAN HIẾU HIEN

Đại học Nông Lâm TP HCM

ĐẠI HỌC NÔNG LAM TP HO CHÍ MINH

HIỆU TRƯỞNG

Sau khi tốt nghiệp tôi công tác tại trường Công nhân Kỹ thuật Bình Dương

nay là trường Trung Cấp Nghề Binh Dương, chức vụ giáo viên

Tháng 9 năm 2004 học cao học ngành kỹ thuật cơ khí tại Đại học Nông Lâm

thành phố Hồ Chí Minh

Tình trạng gia đình: hiện đã kết hôn, năm 2004, vợ: Nguyễn Thị Lan Hương,chưa có con.

Địa chỉ liên lạc: Trường Trung cấp nghề Bình Dương

Đường Hoàng Hoa Thám, phường Hiệp thành — Thị Xã Thủ Dầu Một - tinhBình Dương

Điện Thoại CQ: 0650 870304 — NR: 0650 823365 - DĐ: 0903932275

Email: le huy2102@yahoo.com.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đề tài này là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quảnêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bồ trong bất kỳ côngtrình nào khác.

Lê Ngọc Huy

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên chúng tôi xin gởi đến quý ban giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa cơ khícông nghệ, phòng đảo tạo sau đại học - Trường Đại học Nông Lâm Thành phố HồChí Minh lời biết ơn sâu sắc Trong thời gian chúng tôi nghiên cứu học tập tạitrường, chúng tôi đã được nhà trường tạo điều kiện học tập tốt nhất và luôn đượcquý thầy cô quan tâm sâu sát

Dé có được những đạo đức, tri thức như ngày hôm nay, chúng tôi không thénao quên được công ơn day dé của quý thay cô trong thời gian qua Đặc biệt chúngtôi vô cùng biết ơn thầy TS Phan Hiếu Hiền đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn tôi thựchiện luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn:

Toàn thể các anh, các bạn trong: Trung Tâm Năng Lượng và Máy Nông

Nghiệp (TTNL và MNN) khoa Cơ khí trường ĐHNL trong việc tạo điều kiện chochúng tôi tiến hành thí nghiệm, trao đổi kinh ngiệm, tài liệu

Một lần nữa, chúng tôi xin cảm ơn quý ban giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa,quý thầy cô Kính chúc quý thầy cô dồi dao sức khoẻ, sống vui và cống hiến nhiềucho khoa học.

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu mô hình hóa và kiểm chứng thực nghiệm bộ thu nhiệt nănglượng mặt trời loại ống dùng cho máy sấy qui mô nhỏ được thực hiện tại Khoa Cơ

khí Công nghệ và tại Trung tâm Năng lượng - Máy Nông nghiệp Trường Đại học

Nông Lam, Thành phó Hồ Chí Minh, từ tháng 6 năm 2006 đến tháng 5 năm 2007

Đề tài đã tiến hành mô hình hoá bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời (NLMT), vàđược kiêm chứng bằng thực nghiệm

Bộ thu nhiệt NLMT plastic có dạng hình ống, gồm 2 ống lồng vào nhau, ốngngoài bằng polyethylene trong suốt dé giữ bức xạ nhiệt mặt trời, ống trong bằngtam nilon đen hap thụ nhiệt Các thông số tối ưu như đường kính và chiều đài đượctính toán từ cả hai phương trình toán và phương trình hồi quy

Kết quả đề tài đạt được như sau:

e Về lý thuyết mô hình toán: Đã tìm được phương trình tính hiệu suất là hàm số yphụ thuộc vào chiều dai L và đường kính D của bộ thu nhiệt (Chi tiết mục 4.2)

e Về kiểm chứng thực nghiệm: Đã tìm được phương trình hồi quy cũng là hàm sốphụ thuộc vào chiều dài Xi va đường kính X2 của bộ thu nhiệt

Y=- 59,25 + 6,965 * X, + 114* X;¿T— 0,177 * Xi? — 45,72 * Xo? - 2,95 * Xi Xo

Từ hai phương trình trên, đã tính được các giá trị tối ưu cho hiệu suất :

Mô hình toán: L= 12,57m, D=0,87m, r\=25,7%.

Mô hình thống kê thực nghiệm: Xi = 12,7 m, X2 = 0,84m, Y = 32,7 %

e So sánh giữa lý thuyết va thực nghiệm: Sử dụng phương pháp các vẽ đồ thị, tinhsai suất và sai số chuẩn, đã thay được rằng mô hình toán lý thuyết dự đoán gan

đúng so với sô liệu thực tê khảo nghiệm.

The thesis “Mathematical modeling and experimental verification of the

cylindrical solarcollector for use in a small-size dryer” was carried out at the Faculty

of Engineermg of Technology, and the Center for Agricultural Energy and Machinery, of the Nong-Lam University, Ho Chi Minh City; from May 2007 to June 2008

In this thesis, a mathematical model for the cylindrical solar collector was developed; and experiments was conducted to verify the model.

The plastic solar collector has two cylindrical coaxial tubes The outer tube is made of transparent polyethylene to trap the heat converted from solar radiation The inside tube is made of a heat-absorbing black polyethylene The optimal parameters (diameter and length) are derived from both the mathematical model and the regression equation.

Results:

e Mathematical modeling: A theoretical non-linear equation was developed, which expresses the heat-collecting efficiency Y as a function of the length L and diameter D.

e Experimental verification: The regression equation from the experimental data is a function of the length X; and diameter X2.

Y =- 59.25 + 6.965 * Xị + 114* X¿ —0.177 * Xi? — 45.72 * X2? - 2.95 * Xi Xp

e From two above equations, we calculated the optimal values for efficiency:

The mathematical modeling: L=12,57m, D=0.87m, 9 = 25,7 %.

Experimental verification: X:=12,7m, X2=0,84m , Y = 32,7 %.

® Comparision between mathematical modeling and experimental verification: Three methods were used (drawing graph, calculating the deviation modulus, and calculating the standard error); the prediction from the mathematical model is relatively accurate compared to experimental data.

Sơ đồ máy sấy hạt dạng ống khóiMột vài sơ đồ kết cấu bộ thu nhiệt

Sơ đồ cấu tạo máy sấy STR - 1

Sơ đồ bộ thu thiệt NLMT liên hợp máy say STR - 1

Sơ đồ bộ thu thiệt NLMT kết hợp với ống khảo nghiệm

Tương tác của BXMT với vật

Hiện tượng phản xạ qua hai môi trường

Mô tả hiện tượng phản xạ mặt trên và mặt dưới

Sơ đồ cấu tạo hộp bẫy nhiệt

Mô tả quá trình hấp thụ năng lượng trên tắm hấp thụ

Mô hình bộ thu nhiệt dang phẳngĐồng hồ đo nhiệt độ và bức xạ kế

Đo bức xạ mặt trời đơn giản (Nhật xạ kế) dùng bình thuỷ

Sơ đồ ống khảo nghiệm

TRANG

11 12 13 14

14

15 15 16 17 18

19

20

2

23 24 25 25

26

36 36 37

Hình 3.4 Sơ đồ vị trí đặt ống Pitot

Hình 3.5 Hình ảnh khảo nghiệm bộ thu nhiệt

Hình 4.1 Sơ đồ bộ thu nhiệt NUMT

Hình 4.2 Hình ảnh thực tế bộ thu nhiệt NUMT phủ plastic

Hình 4.3 Mô hình bộ thu nhiệt dang ống

Hình 4.44 Sơ đồ phân tích bức xạ mặt trời tại một điểm

Hình 4.5 Sơ đồ phân tích bức xa tại một phân tố ds

Hình 4.6 Lưu đồ giải bài toán trên Excel

Hình 4.7 Đồ thị đường đặc tính quạt

Hình 4.8 Dé thị khảo nghiệm BTN 1,2 x 9m

Hình 4.9 Đồ thị 3D thể hiện sự phụ thuộc hiệu suất của bộ thu nhiệt

theo chiều đài và đường kính bộ thu

Hình 4.10 Đồ thị so sánh lý thuyết và thực nghiệm

38 44 48 48 51 54 55 60 69 72

74 79

DANH SÁCH CAC BANG

BẢNG TRANG

Bang 2.1 Bảng tính chat một số vật liệu tam phủ ul

Bang 2.2 Bang so sánh ưu nhược điểm của kính va tam chat dẽo 3l

Bang 2.3 Bảng tính chat vật liệu làm tam hap thụ 33

Bảng 3.1 Kế hoạch bố trí thí nghiệm bậc I 42

Bảng 3.2 Kế hoạch bố trí thí nghiệm bậc II 43

Bảng 4.1 Bảng kết quả tính toán thông số quạt 68

Bảng 4.2 Bảng số liệu đường đặc tính quạt 68

Bảng 4.3 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm bậc I 70

Bảng 4.4 Ví dụ một kết quả thí nghiệm 71

Bang 4.5 Ma trận thí nghiệm và kết qua thí nghiệm bậc II 73

Bảng 4.6 Bảng số liệu các thông số trung bình bộ thu đường kính

0.8m, dài 9m 77

Bảng 4.7 Số liệu so sánh hiệu suất lý thuyết và thực nghiệm 78

1.2 Huong nghiên cứu và thực hiện

1.3 Kết quả nghiên cứu cần đạt được

Chương 2

TONG QUAN

2.1 Nang lượng mặt trời

2.1.1 Nguồn gốc, bản chất năng lượng mặt trời

2.1.2 Tình hình sử dung năng lượng mặt trời trên thế giới

2.1.3 Sơ lược về năng lượng mặt trời ở Việt Nam

2.1.4 Tình hình phân bố bức xạ va giờ nắng ở Việt Nam

2.1.5 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta hiện nay

2.2 Tìm hiểu thiết bị say bằng năng lượng mặt trời

2.2.1 Say khô bằng năng lượng mặt trời

2.2.2 Định nghĩa thiết bị say bằng năng lượng mặt trời

2.2.4 Một số dạng máy say năng lượng mặt trời

2.2.4.1 Máy sấy năng lượng mặt trời với bộ phận thu nhiệt nối với

buồng say

2.2.4.2 Máy sấy hiệu ứng nhà kính (GHE)

2.2.4.3 Máy sấy ham (Tunnel dryer) dùng năng lượng mặt trời

2.2.4.4 Máy sấy năng lượng mặt trời dạng tủ

2.2.4.5 Máy say dạng nhà phủ plastic (trực tiếp)

2.2.4.6 Máy sấy năng lượng mặt trời gián tiếp

2.2.4.7 Máy say năng lượng mặt trời dạng ống khói

2.2.5 Một số dang bộ thu nhiệt

2.3 Giới thiệu Máy say STR — 1

2.3.1 Cấu tạo máy sấy STR 1

2.3.2 Kỹ thuật sấy STR 1

2.3.3 Sơ đồ bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời - liên hợp máy sây STRI

2.4 Cơ sớ lý thuyết xây dựng mô hình toán

2.4.1 Các phương pháp xây dựng mô hình

2.4.2 Tương tác cua bức xa mặt trời với vật chất

2.4.2.1 Định nghĩa các hệ số tương tác giữa chùm tia bức xạ và vật chất

2.4.2.2 Bức xạ truyền qua môi trường không hoàn toàn trong suốt

2.4.3 Bộ thu phẳng

2.4.3.1 Hiệu ứng nhà kính và nguyên lý cau tạo bộ thu phăng

2.4.3.2 Quá trình hấp thụ nặng lượng trên tắm hấp thụ

2.4.3.3 Mô hình toán tính hiệu suất ở bộ thu phẳng

2.4.4 Một số tính chất của vật liệu chế tạo bộ thu nhiệt

2.4.4.1 Lớp phủ trong suốt

2.4.4.2 Tam hap thụ nhiệt

Chuong 3

NOI DUNG VA PHUONG PHAP NGHIEN CUU

3.1 Nội dung nghiên cứu

10

10 11 12 13

14

15

16

17 18 18 19 19 20 20

21

21

22

24 25 25 26 30 30 32

34 34

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phuong pháp lập mô hình toán

3.2.2 Phương pháp lập mô hình thống kê

3.2.2.1 Trang thiết bị, dụng cụ đo dùng trong thí nghiệm

3.2.2.2 Khảo nghiệm bức xạ kế bình thủy (bình tẹtmốt)

3.2.2.3 Xác định các thông số quạt

3.2.2.4 Phương pháp do

3.2.2.5 Phương pháp thí nghiệm và bố trí thí nghiệm

Chương 4

KET QUÁ THUC HIỆN VÀ THẢO LUẬN

A KET QUA XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN

4.1 Xây dựng mô hình toán

4.1.1 Phân tích, lựa chọn mẫu bộ thu nhiệt

4.1.2 Lựa chọn vật liệu và chế tạo bộ thu nhiệt

4.1.2.1 Chọn vật liệu chế tạo bộ thu nhiệt

4.1.2.2 Chế tạo bộ thu nhiệt

4.1.2.3 Nguyên lý hoạt động

4.1.3 Xây dựng mô hình toán tính hiệu suất bộ thu nhiệt

4.1.3.1 Đặt giả thiết

4.1.3.2 Phương trình cân bằng năng lượng theo chiều dòng chảy

4.1.3.3 Nhiệt năng hiệu dụng bộ thu

4.1.3.4 Xác định tồn thất nhiệt

4.2 Kết quả xây dựng các phương trình mô hình toán

4.2.1 Hiệu suất bộ thu nhiệt

4.2.2 Xác định nhiệt độ đầu ra của bộ thu nhiệt

4.2.3 Độ tăng nhiệt độ A T so với nhiệt độ môi trường (Ta)

4.3 Ví dụ một kết quả tính hiệu suất bộ thu ở điều kiện thực tế

4.4 Xử lý tối ưu xác định các giá trị dé hàm mục tiêu đạt cực trị

ở mô hình toán

34 34 35 35 36

37

39 40

45 45

45

45 47 47 47 49 49 49

56

57

59 59 59

61

64

4.4.1 Nội dung ý nghĩa thuật toán

4.4.2 Kết quả toi ưu

B KÉT QUÁ MÔ HÌNH THÓNG KÊ

4.5 Tính tong trở lực của bộ thu nhiệt

4.6 Xác định thông số quạt sấy STR - 1

4.6.1 Mục dich

4.6.2 Kết quả khảo nghiệm xác định thông số quạt say

4.7 Kết quả thí nghiệm và xử lý tối ưu

4.7.1 Kết quả thí nghiệm bậc I

4.7.2 Kết quả xử lý hồi quy bậc I

4.7.3 Kết quả thí nghiệm bậc II

4.7.4 Kết quả xử lý hồi quy bậc II

4.7.5 Xử lý tối ưu xác định các giá tri dé hàm mục tiêu đạt cực tri

ở mô hình thống kê

C SO SÁNH HAI KET QUA NGHIÊN CỨU

4.8 So sánh giữa kết quả nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết

68

69

70

70 71 74

76 để

Thị 78 79

S1 S1 82 83

Chương 1

MỞ ĐẦU

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng hiện đang rất được thế giớiquan tâm nghiên cứu đưa vào ứng dụng trong cuộc sống, do việc sử dụng nănglượng mặt trời có rất nhiều ưu điểm như: Tận dụng được nguồn năng lượng vô tậncủa mặt trời, hạn chế ô nhiễm môi trường, tiết kiệm, không bị độc quyền sở hữu

Có thé khẳng định nguồn NLMT gần như là vĩnh cửu va có hầu như khắp mọi nơitrong khi các nguồn năng lượng truyền thống khác ngày một cạn kiệt Theo tínhtoán của các nhà khoa học những nguồn năng lượng truyền thông như: than đá, dầu

mỏ, khí đốt với tốc độ khai thác ngày càng tăng như hiện nay thì chỉ khoảng từ

50 đến 100 năm nữa sẽ cạn kiệt, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng của conngười ngày một tăng lên.

Ở Việt Nam, với điều kiện khí hậu là một nước nhiệt đới âm gió mùa nên tiềmnăng về dạng năng lượng mới rất phong phú như: thuỷ năng, sinh khối, năng lượnggió, năng lượng mặt trời Với số giờ nắng trung bình cao và cường độ bức xạ mặttrời (CDBXMT) mạnh thì khả năng sử dụng nguồn năng lượng nhiệt mặt trời là rấtlớn Hiện đang có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trờinhư: công nghệ hiệu ứng quang nhiệt gồm các công nghệ đun nước nóng, sấy nôngsản, ứng dụng hiệu ứng quang điện trong công nghệ pin mặt trời .

Trong thời gian gần đây việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời désây nông sản đã được các đơn vị, cơ quan khác nhau trong nước đặc biệt quan tâm,trong đó có sự đóng góp nghiên cứu không nhỏ của Trung tâm Năng lượng và Máynông nghiệp Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh Sau một thời giannghiên cứu chế tạo khảo nghiệm bước đầu, đã thu được những thành công đáng

khích lệ Say bằng NLMT có thé coi là một trong những phương án tốt nhất về chatlượng sản phẩm vì sản phâm khô với tốc độ vừa phải va sản phẩm không hè bịnhiễm khói, bụi hay mùi lạ, với việc sử dụng nguồn NLMT trong thiết bị sấy thìđiều kiện làm việc của người lao động tốt hơn so với phơi ngoài trời Hơn nữa vềmặt công nghệ, vật liệu, thiết bị đễ kiếm, đễ chế tạo hơn so với các công nghệ sửdụng nguồn năng lượng mặt trời khác.

Máy sây NLMT với bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời loại ống phủ plastic là mộttrong những kỹ thuật mới của Trung tâm Năng lượng và Máy nông nghiệp trường

ĐH Nông Lâm đã và đang được ứng dụng trong sản xuất có hiệu quả cao Tuynhiên các nghiên cứu về máy sấy NLMT này chưa di sâu vào nghiên cứu mô hìnhhóa tìm các thông số tối ưu và kiểm chứng thực nghiệm bộ thu nhiệt Thông thườngmáy sấy NLMT thường gồm các bộ phận sau: Bộ thu nhiệt, hệ thống dẫn khí vàquạt, buồng say

Trong đó bộ thu nhiệt trong máy sấy năng lượng mặt trời là bộ phận quan trọng

và có ảnh hưởng lớn đến tốc độ giảm ẩm của sản phẩm, thời gian sấy, hiệu quả sấy mà việc nghiên cứu bộ phận máy này trong điều kiện sản xuất cụ thé thì gặpnhiều khó khăn và tốn kém từ đó việc nghiên cứu mô hình hóa bộ thu nhiệt và tìmcác thông số tôi ưu về kỹ thuật của bộ thu nhiệt cho máy sấy năng lượng mặt trời

là rất cần thiết Bộ thu nhiệt làm việc với hiệu suất cao góp phần sử dụng máy sấynăng lượng mặt trời được hiệu quả nhất

Chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài :

“Nghiên cứu mô hình hóa và kiểm chứng thực nghiệm bộ thu nhiệt nănglượng mặt trời loại ống dùng cho máy sấy qui mô nhỏ”

1.1 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là: Mô hình hóa bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời loại Ốngdùng cho máy say quy mô nhỏ (khoảng 1 tan/mé) va kiểm chứng bằng thựcnghiệm.

1.2 Nội dung nghiên cứu và thực hiện

Xây dựng mô hình toán, xác định các thông số tối ưu, dự đoán hiệu suất bộ thu

có thể đạt được và nhiệt độ đầu ra của bộ thu

Chế tạo bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời loại ống phủ plastic dé liên hợp vớimáy sấy quy mô nhỏ

Kiểm chứng mô hình toán bằng thống kê thực nghiệm

1.3 Kết quả nghiên cứu đã đạt được

Đã xác lập được mô hình toán mô tả quá trình thu nhiệt của bộ thu nhiệt và

thực nghiệm kiểm chứng

Đã xác định các thông số tối ưu cho độ tăng lượng nhiệt của bộ thu nhiệt so vớinăng lượng mặt trời Tiên nghiệm được nhiệt độ hiệu suất bộ thu nhiệt có thể đạtđược.

Đã so sánh kết quả nghiên cứu giữa hai mô hình thống kê thực nghiệm và môhình toán ở mức chính xác chấp nhận được, sai khác cho phép nhỏ hơn 20 %

Chương 2

TONG QUAN

Dé phục vụ dé tài nay các tài liệu liên quan đến một số van đề sau được tra cứu:

Năng lượng mặt trời, các loại máy sây năng lượng mặt trời, câu tạo nguyên lý máy

sây STR- 1, cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình toán

2.1 Năng lượng mặt trời

Lần lượt tìm hiểu các mục sau: Nguồn gốc, bản chất NLMT, tình hình sử dụngNLMT trên thế giới, sơ lược về NLMT ở Việt Nam, tình hình phân bố bức xạ vàgiờ nắng ở Việt Nam, tình hình sử dụng nguồn NLMT ở nước ta hiện nay

2.1.1 Nguồn gốc, bản chất năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối khí cực nóng dang hình cầu ở cách trái đất trung bìnhkhoảng 150 triệu km, mặt trời tự xoay quanh trục của nó và trái đất chuyên độngxoay quanh mặt trời theo quỹ đạo elip xác định, đường kính mặt trời 1,39 triệu kmlớn hơn khoảng 100 lần đường kính trái đất (12,7 ngàn km), mặt trời là nơi xảy raphản ứng nhiệt hạch, qua đó khí hyđrô được biến thành khí heli toả ra một nhiệtlượng rất lớn, nhiệt độ ở trên bề mặt của mặt trời lên tới gần 6000 K Theo các nhànghiên cứu thì nguồn năng lượng mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian 50

triệu năm nữa Như vậy, ta có thé nói sự ton tại của nguồn NLMT gần như vĩnh

cửu với sự tôn tại và phát triên của loải người trên trái đât.

2.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

Cách đây hàng trăm năm người nông dân đã biết sử dụng nguồn năng lượngmặt trời dé sấy khô các sản phẩm nông sản, dé sưởi 4m, làm mát nhà cửa Ngàynay, sử dụng NLMT đã trở lên rất phô biến ở các nước trên thế giới nhất là ở cácnước phát trién Cộng hòa Liên bang Đức là một trong các quốc gia đầu tiên nghiêncứu, ứng dụng, xuất khâu thiết bị công nghệ NLMT và đã đạt nhiều thành tựu rực

rỡ, Đức đã đầu tư cho Indonesia 50 triệu DM để xây dựng dàn quang điện ở đây

Mỹ đã chi cho các công trình nghiên cứu nguồn NLMT hang ty đô la chủ yếu làmmát và sưởi ấm vào những năm 1978 — 1980, hiện nước Mỹ có khoảng 80.000 —

100.000 ngôi nha sử dụng NLMT, và chi hàng chục triệu đô la cho mỗi năm nghiêncứu về nguồn NLMT Nhật là một quốc gia khó khăn về tài nguyên thiên nhiên,cho nên họ rất chú trọng vào các dạng năng lượng tái tạo và là một trong nhữngcường quốc xuất khẩu thiết bị năng lượng mặt trời, họ đã chi 3,5 tỷ đô la cho cácnghiên cứu, phần lớn dành cho các ngành sản xuất tế bào quang điện (phôtvoltaic)

và họ đặt nhiệm vụ cho nước Nhật độc lập về năng lượng Hơn hai triệu gia đình ởNhật Bản sử dụng các thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời

Hiện nay các nước phát triển sử dụng năng lượng mặt trời trong các vệ tinh,

các con tau vũ trụ bằng cách tích trữ năng lượng thông qua pin mặt trời (solar cell)

bang silicon, chế tạo các tam panen mặt trời dùng trong công nghệ hàng không vũtru và nó đã chính thức bước vào thời kỳ sản xuất thương mai

Thế giới đã sử dụng NLMT vào cuộc sống con người trong nhiều lĩnh vựckhác nhau, nhưng hiện tại việc sử dụng trên vẫn chưa được phổ biến rộng, vì cónhững mặt tồn tại như sau: bức xa mặt trời có đặc điểm riêng và khó khăn về kỹthuật liên quan đến việc biến đổi nó, bức xạ mặt trời khá phân tan có mật độ (côngsuất riêng) nhỏ, thay đổi theo thời gian Hiệu suất biến đôi năng lượng tia sáng mặttrời thành cơ năng và điện năng bị giới hạn bởi nguyên tử vật lý và nhiệt động học

từ đó dẫn đến kỹ thuật chế tạo phức tạp giá thành chế tạo cao, hầu như chỉ có các

nước phát triên mới sản xuât được pin mặt trời.

2.1.3 So lược về năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Vị trí địa lý Việt Nam nằm ở khu vực gần đường xích đạo, rất có tiềm năng vềNLMT, cường độ bức xạ trung bình vào khoảng 1.427-2.084 kWh/m?”/năm và sốgiờ nang trung bình từ 1452 — 2431 h/năm, rất thuận lợi cho việc phát triển và sửdụng NLMT.

Theo kết quả nghiên cứu của Chương trình Nha nước Khoa học Công nghệKC-01, các nhà nghiên cứu sau khi đo đạc và khảo sát lượng bức xạ mặt trời ở cáctỉnh phía nam Việt Nam cho thấy ở các tỉnh phía nam có số giờ nắng trung bìnhtrên ngày khoảng 6,5 giờ Tuy nhiên sự chênh lệch khá lớn ở các địa phương Nam

bộ, Cần Thơ: 6,9 giờ/ngày, Đà Lạt: 6,1 gid/ngay Cường độ tổng lượng bức xạ

trung bình ngày trong 12 tháng chỉ đạt khoảng 5 kWh/m”/ngày ở các tỉnh phía nam,

ở các tỉnh phía bắc khoảng 4 kWh/m?/ngày

Nhìn chung lượng bức xạ mặt trời ở các tỉnh miền Bắc ít hơn khoảng 20% sovới các tỉnh miền Trung và miền Nam Ở một số tỉnh ở miền Bắc sự chênh lệchnay càng lớn có thé lên đến 50% Ở các tỉnh phía Bắc, lượng bức xạ mặt trời khôngphân phối đều quanh năm, vào mùa xuân, mùa đông mưa kéo dai nhiều ngày liêntục và nguồn bức xạ mặt trời hầu như không đáng ké chỉ khoảng 1 — 2kWh/m?/ngay Đối với các tỉnh phía Nam điều này ít khi xảy ra do có ánh nắng mặttrời chiếu sáng quanh năm, ôn định ké cả vào mùa mưa

2.1.4 Tình hình phân bố bức xạ và giờ nắng ở Việt Nam

Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 23Nđến 8N vì thế chế độ bức xạ mặt trời và chế độ nắng khác nhau rõ rệt theo vị trí địa

lý, chế độ gió mùa tạo nên mây mưa của các vùng lãnh thô khác nhau trong năm.Tính trung bình thì giá trị tổng lượng bức xạ trên toàn lãnh thé đạt khoảng 69,8 —122,2 kWh/m”/năm Nhung giá trị này thay đổi nhiều theo khu vực địa lý, vĩ tuyến

Vùng lãnh thé Tổng lượng bức xa TB (kWh/m”năm)

Từ vĩ độ 17N ra Bắc trừ vùng Tây Bắc 69,80 —87,25

Tây bắc, phía tây dãy Hoang Liên Son 87,225 — 104,70

Phân bố tổng xạ và giờ nắng trong năm của Việt Nam như sau:

Vùng lãnh thé Tổng số giờ nắng trong năm

Miền núi cực Bắc nhỏ hơn 1500 giờ

Tây bắc và khu 4 cũ trở ra nhỏ hơn 1750 giờ

Trung Nam bộ 1750 — 2000 giờ

Nam Trung bộ và Nam bộ 2000 — 2500 giờ

2.1.5 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta hiện nay

Cách đây hàng trăm năm con người đã biết sử dụng nguồn NLMT để nấu thức

ăn Từ những thập niên 30 thế kỉ 20, nước ta đã có một số người nghiên cứu chế tạobếp mặt trời và nồi nước nóng dùng trong gia đình Tuy nhiên vào thời đó vì nhucầu sử dụng năng lượng không cấp bách nên không được người dân hưởng ứng.Vào những năm gan đây, trong khi các dang năng lượng truyền thống ngày một ít

đi nhưng nhu cầu về năng lượng nhằm phát triển về mọi mặt: kinh tế, chính trị xãhội ngày càng lớn nhằm xây dựng đất nước thành nước công nghiệp hóa hiện đạihóa, đòi hỏi nước ta cần phải có nguồn năng lượng tự cấp, đồi dào, đa dạng nhưng

it gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái Dé giải quyết van đề này có rất nhiềunguồn năng lượng tái tạo khác nhau được nghiên cứu, ứng dụng vào đời sông như:năng lượng gió, NLMT, biogas Trong đó ứng dụng NLMT vào sản xuất vàphục vụ đời sống đang phát triển mạnh mẽ như: sử dụng dàn pin mặt trời phát điện

ở Phân viện Khoa học TP HCM, các thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT đangđược phòng nghiên cứu NLMT và sửa chữa năng lượng thiết bị thuộc Phân việnKhoa học Tp HCM thiết kế sử dụng, máy nước nóng của ĐH Bách Khoa TPHCM, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật

Ngoài ra các nghiên cứu ứng dung NLMT dé sấy nông sản gần đây có thể kế đếnmáy sấy hạt nông san bằng NLMT ở DH Nông nghiệp 1 (Hà Nội) với bộ phận thunhiệt gồm một tam tôn mỏng, được bôi den dé hấp thụ nhiệt từ ánh nắng mặt trời,bên trên tam tôn là tắm kính trong suốt, có tác dụng bẫy bức xạ nhiệt Hay thiết bịsay Cacao bằng NLMT ở Bến Tre với sự hỗ trợ của tổ chức Hợp tác Phát triểnNông nghiệp Quốc tế Hoa Kỳ Thiết bị này được thiết kế gồm 1 lò sấy chính giữa,bên trên sàn sấy là tấm nhựa có tác dụng vừa chống mưa, vừa hấp thụ năng lượngmặt trời Hai bên hông lò say la đá Da được son đen có tac dụng hấp thụ toàn bộnăng lượng mặt trời thông qua 2 tam nhựa lợp bên trên Các tam nhựa chuyên dungnày nhập từ Israel, được làm bằng chất liệu đặc biệt, hấp thu tối đa năng lượng mặttrời Và còn nhiều dang thiết bị say khác đã được ứng dụng ở Việt Nam

Ở nước ta trong những năm gần đây, vấn đề nghiên cứu, khai thác ứng dụngnguồn NLMT đang được các cấp quản lý khoa học nhà nước, các chuyên gia bắtđầu quan tâm trên cả hai phương diện: Nghiên cứu cơ bản và triển khai ứng dụng

2.2 Tìm hiểu thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời

Ban đầu ta tìm hiểu các phương pháp sấy khô bằng NLMT, kế đến định nghĩathiết bị say bằng NLMT, nguyên tắc hoạt động của chúng, sau đó tham khảo một

số dạng máy sấy năng lượng mặt trời cuối cùng tìm hiểu một số dạng bộ thu nhiệt2.2.1 Sấy khô bằng năng lượng mặt trời

Có hai phương pháp dùng NLMT làm khô sản phẩm, đó là phơi và sấy NLMT

a Phơi: Phơi được thực hiện ngoài trời, chi phí lao động cao, yêu cầu mặt bằngrộng, khó kiểm soát quá trình làm khô sản phẩm, chất lượng có thể giảm do phảnứng sinh hóa và vi sinh, nhiễm ban đo côn trùng (ruồi nhặng), dé trộn lẫn với đất

cát hoặc các tạp chất, sản phẩm bị ảnh hưởng nặng nề khi gặp thời tiết mưa bão Phơi còn là một quá trình chậm.

b Say năng lượng mặt trời: sấy bằng NLMT là dùng thiết bị hap thụ NLMT vabiến năng lượng đó thành nhiệt năng dé làm nóng không khí dẫn qua sản phẩm sấylàm khô sản phâm một cách gián tiếp không sử dụng trực tiếp NLMT NLMT lànguồn năng lượng sạch, vô tận không tốn tiền, không ô nhiễm, đồi dào và khôngthé bị độc quyền sở hữu Nó có chu kỳ (ngày nắng đêm không, không phải lúc naocũng có ánh nang mặt trời) do đó yêu cầu phải tồn trữ năng lượng, phải cần cónguồn nhiệt phụ trợ khi không có ánh nắng mặt trời, NLMT có cường độ tùy thuộc

thời gian trong ngày, có mật độ thấp, phân tán nên cần bộ thu nhiệt.

Có thé nhận thay rằng phơi là phương pháp thông dụng nhất đề làm khô nông sảnthực phẩm ở các nước ASEAN Tuy nhiên ngày nay việc sử dụng máy sấy NLMTđơn giản và cả máy hiện đại cũng bắt đầu thông dụng

2.2.2 Dinh nghĩa thiết bị say bằng năng lượng mặt trời

Thiết bị sấy bằng NLMT là thiết bị có thể hấp thụ được NLMT và biến nănglượng đó thành nhiệt năng dé làm nóng không khí dẫn qua san phâm sấy làm khôsản phẩm Hiện nay trong các thiết bị say bằng NLMT thông thường sẽ gồm có các

Dùng mặt hấp thụ có dang uốn sóng, dùng phoi sắt tiện nhuộm đen hoặc sơn dentrộn với bồ hóng dé quét mặt hap thụ và số mặt trong suốt tăng lên 2 hoặc 3 lớp thìnhiệt độ hấp thụ cảng cao Bộ phận thu nhiệt loại này có khả năng thu được cả tán

xạ nghĩa là lúc trời không mưa nhưng mây che ánh nắng thì bộ thu nhiệt vẫn thu

được nhiệt.

2.2.4 Một số dạng máy sấy năng lượng mặt trời

Hiện nay, trên thế giới máy sấy bang năng lượng mặt trời đang ngày càng được

sử dụng rộng rãi dé sấy nông sản Sau đây là một số dạng máy sấy đang được sửdụng trên thế giới:

May say NLMT với bộ phận thu nhiệt nối với buồng sấy

Máy NLMT hiệu ứng nhà kính (Greenhouse effect — GHE).

May sấy ham dùng NLMT

May sấy năng lượng mặt trời dang tủ

Máy sấy dạng nhà phủ plastic (trực tiếp)

Máy sấy mặt trời gián tiếp

Máy sấy dạng ống khói

2.2.4.1 Máy sấy NLMT với bộ phận thu nhiệt nối với buồng sấy

Các thành phan chính của loại máy sấy này gồm có: bộ phận thu nhiệt mặt trời,quạt dé vận chuyên không khí nóng từ bộ phận thu đến buồng sấy, và buồng sấynơi đó sản phâm sấy được xếp thành những lớp mỏng Quá trình sấy xảy ra tương

tự như say không khí nóng của máy say thông thường Vì vậy, có thé hoàn tat việcsây bằng cách cung cấp nhiệt độ yêu cầu trong khoảng 40 — 50°C, độ âm 50 — 60%

và vận tốc khí sấy 1,5 — 2m/s Một số ưu điểm của máy sấy nảy là bộ phận thu cũng

có thé dùng như mái che cho máy Tuy nhiên, theo nghiên cứu của các chuyên giatrong lãnh vực này thì chỉ phí ban đầu cho máy sấy loại này thì tương đối cao hơncác dạng máy sấy sau đây

2.2.4.2 Máy sấy hiệu ứng nhà kính (GHE)

Theo nghiên cứu của chuyên gia Kamaruddin Abdullah (2003), trước đây ôngnhận thấy rằng có thể giảm bớt chi phí ban đầu của hệ thống sấy năng lượng mặt

trời bằng việc sử dụng cơ chế hiệu ứng nhà kính, vì chức năng của bộ thu nhiệtmặt trời có thé thay thế bằng cấu trúc trong suốt và đồng thời cũng là chức năngbuông sấy Từ quan điểm về chức năng và cấu trúc, hệ thống sấy năng lượng mặttrời (GHE) như hình 2.1 về cơ bản giống như một nhà kính.

Toàn bộ vách được lam từ các vật liệu trong suốt như sợi thủy tinh, chất déo ổnđịnh, hay tam polycarbonhydrate Những tấm trong suốt được cô định trên khung

đỡ hoặc cột chống thép nối bằng bulông và đệm kin bằng cao su, dé ngăn can sự rò

ri của khí âm vào trong buông sấy, không khí chi vô buồng sấy từ cửa vào Bangcách sử dụng vật liệu trong suốt bao phủ toàn bộ máy, hệ thống có thé tiếp xúc trực

tiếp giữa tia mặt trời và sản phẩm, nghĩa là đạt được hiệu quả sấy tương tự như

phương pháp phơi Có một tâm thép phủ đen để tăng thêm sự hấp thụ bức xạ mặttrời bên trong kết cấu, tam thép được đặt ở phía trên của kết cấu hoặc ở cả hai bêngan vách Tùy thuộc vào loại sản phẩm sấy mà các san sấy, buồng hay thùng sấy cóthé đặt ở trung tâm của kết cau trong suốt này, dé được tiếp xúc tối đa với khôngkhí say Quạt thối không khí vào và hút khí thoát ra được lắp ở vị trí thích hợp bên

trong cấu trúc dé đảm bảo khí say được phân bố đồng đều trong buồng Có thé lắp

đặt một bộ PDID (dụng cụ cảm biến vi phân áp suất) dé giảm chi phí của hệ thống

xử lý không khí say Dé mở rộng thời gian hoạt động của máy sấy vào ban đêm vàkhi thời tiết xấu, cần hỗ trợ máy sấy NLMT bằng hệ thống nhiệt phụ trợ dùng lò đốtsinh khối hay dầu liên hợp với bộ trao đổi nhiệt Bộ trao đổi nhiệt được đặt ở vị tríthích hợp trong buồng sấy dé bảo đảm phân bé đều nhiệt độ say.

— ee eK eee COVER

ng rNcùng - anh

: s„'EANosRa

|

`RECIRCULATION

FLAP

——_——— `

EXPANSION CHAMBER BATCH ORYER

AIR DUCT PASSAGE

BASEMENT

Ghi chi: Expansion chamber: buông giãn nở nhiệt Air duct: ông dẫn khí Batch dryer: sấy mẻ Passage: loi di Basement: nền nha Recirculation flap: nắp đậy khép kin tuân hoàn Fan: quạt Absorber: bộ phận hấp thu Transparent cover: tam phú giữ nhiệt.

Hình 2.2 Máy sấy nhà kính

2.2.4.3 Máy sấy hầm (Tunnel dryer) dùng năng lượng mặt trời

May say ham NLMT gồm: khung thép, tam phủ chất dẻo trong, tam kim loạiphủ đen, sản sấy, quạt công suất 50 Hp chạy bằng quang điện (PV) và bình điện

Về nguyên lý, máy sấy ham NLMT có nhiều điểm giống máy GHE, cụ thé trongviệc dùng các tia mặt trời truyền đến dé sấy nhờ tam phủ trong suốt Máy sấy chia

làm hai phần Phan thứ nhất có chức năng của bộ thu nhiệt mặt trời, rộng 2m và dải

§m ; phan thứ hai là buồng sấy có sàn lưới và lớp bông thủy tinh cách nhiệt Buồngsây dài 10m, rộng 2m và cao 0,43m trên sản Toàn bộ máy được làm từ các modun

dé dang di chuyển và lắp đặt Có thé dé dang cải biên máy say ham NLMT để xử lý

quá trình sấy bằng cách đưa vào các mảng buồng sấy và thêm nguồn nhiệt phụ trợ

dẫn khí say Air outlet: khí vào

Hình 2.3 Máy sấy ham2.2.4.4 Máy sấy năng lượng mặt trời dang tủ

Máy gồm các bộ phận sau: Một hộp bằng gỗ chứa hạt, đáy cách nhiệt, mái phủkính trong suốt, khay phủ lưới kim loại giữ hạt Khay đặt trong máy sấy được lấy ranhờ cửa thoát Lỗ thông hơi ở mặt đáy để không khí sạch vào trong buồng sấy, vàcác lỗ thoát ở phía trên dé khí âm nóng thoát ra ngoài

Dạng máy này được thiết kế đơn giản, hoạt động theo kiểu đối lưu tự nhiên.Nhiệt được tạo ra trong buồng sấy cũng như trên chính sản phẩm sấy qua sự hấp

thụ bức xạ mặt trời, dẫn đến sự bốc ẩm từ vật liệu say, o may say nay thoi gian say

giảm 1/2 đến 1/3 so với cách phơi truyền thong

Máy sấy dạng này mái được phủ tam plastic trong suốt cho bức xa mặt trời đi

qua Nhiệt được tích trong buồng sấy cũng như trực tiếp trên chính sản phẩm sấy

qua sự hấp thụ bức xạ mặt trời dẫn đến sự bốc 4m từ vật liệu sấy Khung lưới kim

loại trong buồng sấy có nhiệm vụ giữ vật liệu sấy và thoát không khí nóng âmxuống dưới sàn Lỗ thông khí ở phía trên để không khí sạch vào trong buông sấy,không khí âm nóng thoát ra ngoài theo ống dẫn nhờ quạt sấy

Hình 2.5 — Sơ đồ nguyên lý sấy hạt NLMT nhà phủ plastic2.2.4.6 Máy sấy năng lượng mặt trời gián tiếp

a 2i Không khí nóng

aN Tấm phủ trong

Tấm hấp thụ màu đen

Silô chứa hat Quạt say

Hình 26 May sấy hạt với bộ thu nhiệt NLMT phân chia

Mat cắt tiết điện bộ thu nhiệt

Hình 2.7 Ứng dụng năng lượng mặt trời sấy hạt nhiệt độ thấp

Không khí được làm nóng trong bộ thu nhiệt được quạt say dua dén buồng say,

nơi có san phâm sấy Dang máy sấy này có ưu điểm san phâm sấy không trực tiếptiếp xúc ánh sáng mặt trời nên sản phẩm không bị phân hủy bởi ánh nắng mặt trời

và tránh bị ảnh hưởng bởi thời tiết Sản phẩm say, buồng sấy được bố trí trong nhàchứa.

2.2.4.7 Máy sấy năng lượng mặt trời dạng ống khói

Máy sấy này bao gồm một bộ đốt nóng không khí đơn giản, buồng sấy và mộtống khói cao để tăng khả năng đối lưu không khí Bộ đốt nóng được làm bằngnhững thanh tre dài phủ tam PVC trong suốt, mặt đáy được phủ tro trâu dé hấp thụmặt trời và đốt nóng không khí Vật liệu sấy trong buồng sấy trên sàn tre Khôngkhí nóng đi xuyên qua lớp vật liệu lên ống khói Ong khói là một trụ dài, khung

bằng tre được phủ PVC den dé giữ không khí nóng Trên đỉnh ống có nắp bảo vệ

vật liệu say với khoảng trông thoát khí nóng âm ra ngoài.

Hình 2.8 Sơ do máy say hạt dạng ống khói

O Việt Nam, các dạng bộ thu nhiệt như trên đã và dang trong giai đoạn nghiên

cứu, mong muôn tìm ra một mô hình nào đó với yêu câu công nghệ đơn giản nhât,

có hiệu quả tốt nhất phù hợp ở Việt Nam

2.2.5 Một số dạng bộ thu nhiệt

Sau đây là một số hình dạng bộ thu nhiệt Plastic hiện đang được sử dụng vàomục đích sây trên thê giới

THÀNH BAO QUANH TẤM PHỦ PE ;

TAM HAP THU sel

I TAM HAP THU PE

f

PAY CÁCH NHIET PAY CACH NHIET

a) B6 thu dang phang

OGAZL x

1 Tấm phủ trong suốt 2 Tam hap thụ nhiệt 3 Bộ phận cách nhiệt

b) Các dạng khác của bộ thuHình 2.9 Một vài sơ đô kết cấu bộ thu nhiệtNgoài ra còn có các đạng bộ thu nhiệt hội tụ sử dụng hệ thống quang học phản xạhay khúc xạ dạng này ít ứng dụng say nông sản vì giá thành cao, đòi hỏi kỹthuật chế tạo phức tạp

Từ các dạng bộ thu nhiệt tham khảo trên, chúng tôi phân tích lựa chọn dạng bộ

thu nhiệt (Xem chi tiết mục 4.1.1) dé liên hợp với máy say STR -1

2.3 Giới thiệu Máy sấy STR-1

Trong mục này ta tìm hiểu cau tạo máy say STR 1 và kỹ thuật say STR 1, từ đóphân tích khả năng sử dụng bộ thu nhiệt NLMT- liên hợp máy sấy STR I

2.3.1 Cấu tạo máy sấy STR 1: gồm buông sấy, quạt sấy và phan cấp nhiệt

a Buồng sấy: gồm 2 buồng, mỗi buồng chứa 500kg hạt; là bồ cót tre uốn thànhhai vòng tròn đồng tâm, đường kính vòng ngoài 1,Im; đường kính vòng trong0,4m; chiều cao buồng: 1,15m Lớp cót bên trong được đỡ bằng vòng sắt ® 6.Nhiệm vụ 2 lớp cót tre là chứa hạt va dé không khí say xuyên qua dé dàng, đườngkính cot có thé thay đổi được cho phù hợp với dạng vật liệu sấy

b Quạt sấy: là quạt hướng trục hai tầng, công suất động cơ 3/4 HP, thôi gió từống trong xuyên qua lớp hạt mang 4m ra ngoài Khi sấy nông san áp lực gió tạo raphải lớn hơn 20mm H20 với lưu lượng khoảng 0,6 m3/s Động cơ điện sử dung làloại Ipha 220 V, tốc độ quay 2800 vòng/phút.

c Phần cấp nhiệt: Hiện tại phan cấp nhiệt của máy sấy STR 1 được thiết kế sửdụng than tổ ong hoặc điện trở Nhưng để giảm chỉ phí cho việc sử dụng nănglượng này, năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu triển khai ứng dụng

Để minh họa chúng ta xem sơ đồ cau tạo máy sấy STR- 1

Qua tìm hiểu cấu tạo, kỹ thuật sấy máy sấy STR 1 với phần cấp nhiệt sử dụngthan tổ ong hoặc cấp nhiệt bằng điện trở ở trên cho thấy với việc sử dụng nguồnnhiệt thu được từ năng lượng mặt trời bé trợ vào ban ngày thay cho than tổ ong hay

điện trở có tính khả thi cao Hơn nữa máy sấy STR 1 chủ yếu sử dụng sấy nông sảnvới quy mô hộ gia đình sản xuất nhỏ, ít có khả năng đầu tư ban đầu lớn vì vậy việc

sử dụng bộ thu nhiệt với nguyên vật liệu chế tạo sẵn có ở thị trường, giá thành rẻ(với bộ thu nhiệt dài 12m, đường kính 0,8m giá thành chế tạo khoảng 1 triệu đồng)tiết kiệm năng lượng tiêu hao thì rất phù hợp với nhu cầu thực tế

2.3.3 So đồ bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời liên hợp máy say STR -1

Nếu thay thế phần cấp nhiệt bằng bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời Ta có sơ

đồ liên hợp như sau:

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu mô hình hóa bộ thu nhiệtnăng lượng mặt trời loại ống phủ plastic, khảo nghiệm kiểm chứng mô hình tìm cácthông số tối ưu cho mô hình đây là vấn mới chưa được tìm hiểu nghiên cứu, haynói cách khác nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu thí nghiệm bộ thu nhiệt tạo điềusây đã biết, nghĩa là với lượng gió và nhiệt độ bộ thu nhiệt có được sẽ cho kết quả

say tương đương với bộ cấp nhiệt lò than tổ ong Khi khảo nghiệm chúng tôi thaybuồng say bằng thiết bị ông khảo nghiệm (hình 2.12).

@)

oA

® @)

1 Ong khảo nghiệm 2 Bộ thu nhiệt phủ plastic 3 Quạt sấy

Hình 2.12 So đồ bộ thu nhiệt NLMT kết hop với ong khảo nghiệm

2.4 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình toán

Đề xây dựng mô hình toán, trước tiên ta cần phải tìm hiểu các phương pháp xâydựng mô hình, kế đến tìm hiểu lý thuyết về sự tương tác của bức xạ mặt trời với vật

chất, sau đó tham khảo thêm lý thuyết mô hình toán tính hiệu suất nhiệt bộ thu

nhiệt dạng phẳng, và cuối cùng tham khảo một số tính chất vật liệu bộ thu nhiệt.

2.4.1 Các phương pháp xây dựng mô hình

Trong nghiên cứu khoa học, người ta thường sử dụng 3 loại mô hình hóa đểnghiên cứu các qui luật của quá trình vận động của sự vật: mô hình hóa thống kê làdùng quy hoạch thực nghiệm, bồ trí thí nghiệm, thu thập các số liệu liên quan xâydựng phương trình hồi quy Mô hình hóa vật lý là dùng các phương pháp đồngdạng không thứ nguyên xây dựng lên hàm liên quan giữa các thông số phụ thuộcvới các hệ số được xác định qua bồ trí thí nghiệm Mô hình toán học dựa và cácđịnh luật cân bằng năng lượng, các định luật toán học xây dựng nên hàm tươngquan giữa các thông số và các hệ số được xác định qua bé trí thí nghiệm Kết quacuối cùng của việc nghiên cứu mô hình hóa là xây dựng lên phương trình hay hệ

phương trình toán học mô tả, biểu diễn sự vận động của đối tượng nghiên cứu.

Mô hình toán học được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học Với các dữliệu cho trước mô hình toán học có thể tiên đoán được các kết quả một nhanhchóng, chính xác Dựa vào các kêt quả tiên đoán được, có thê giải quyét các vân dé

trong thực tế: tối ứu hóa quy trình công nghệ sản xuất, tối tru hóa trong thiết kế chếtạo Mô hình toán thể hiện được bản chất của sự vật hiện tượng

Tuy nhiên khi xây dựng mô hình toán người nghiên cứu không thể tìm đượcchính xác các hệ số trong mô hình toán vì nó liên quan đến tính chất vật liệu, tínhdẫn truyền của chất khí, các đối tượng nhiễu cho nên không thé nghiên cứu đượchết bản chất của chúng dan đến mô hình toán không thể chính xác 100% so vớithực tế thực nghiệm

Xây dựng mô hình toán cho bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời loại ống phủ plastic

là dùng các quy luật truyền nhiệt, truyền chất, truyền động lượng, phương trình cânbằng năng lượng đề xây dựng mô hình toán Ở cấp độ luận văn này chúng tôi mongmuốn tìm ra mô hình toán mô tả bộ thu nhiệt dạng ống phủ plastic với việc tìm cácthông số trong mô hình với độ chính xác chấp nhận được vì đây cũng là quá trìnhtập làm quen với việc nghiên cứu khoa học.

2.4.2 Tương tác của bức xạ mặt trời với vật chất

Ban đầu ta tìm hiểu định nghĩa các hệ số tương tác giữa chùm tia bức xạ và vậtchất và bức xạ truyền qua môi trường không hoàn toàn trong suốt từ đó tìm được hệ

sỐ truyền qua T để tính thông lượng bức xạ mà mặt hấp thụ nhận được làm cơ sở

tính hiệu suất nhiệt của bộ thu nhiệt

2.4.2.1 Định nghĩa các hệ số tương tác giữa chùm tia bức xạ và vật chat

Gia sử bức xạ mặt trời có năng lượng Eo tác dụng lên một vật, khi tiếp xuc VỚIvật chùm tia sẽ bị tách ra thành 3 thành phan: phản xạ, hấp thy, truyền qua

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

b= B+ Eat (2.1) Trong đó

E;: năng lượng bức xạ bị phản xạ

Ea: năng lượng bức xạ bị hấp thụEx: năng lượng bức xa bị truyền quaChia 2 về phương trình cho Eo ta có:

1= Ei/ Eo +Ea/ Eo + Ev/ Eo (2.2)

Ta goi:

¿ EoE/Eo=p gọi là hệ số phản xạ Eọ Er

E,/ Eo= ơ gọi la hệ số hấp thu ` °

E,/ Eo=t gọi là hệ số truyền qua \

Néua=1t=0 thì p =1 ta có vật trang tuyệt đối E, Nv ‘

Nếu p=rt=0thì œ =1 ta có vật đen tuyệt đối * _

Nếu p=a=0 thi t =1 ta có vật trong suốt E,

a Hệ sô phản xạ:

Khả năng truyền nhiệt qua bề mặt phụ thuộc vào chiều dai sóng, góc tới củachùm tia bức xạ, vào chiết suat n, vào hệ sô suy giảm k khi xuyên qua lớp vật liệunày Trước tiên ta xét hiện tượng phản xạ xảy ra giữa các bề mặt song song TheoFresnel hệ số phản xạ được định nghĩa như sau:

nị : Chiết suất môi trường 1

nạ : Chiết suất môi trường 2

Hình 214 Hiện tượng phản xạ qua hai môi trườngQuan hệ giữa chiết suất môi trường 1 và 2 tương ứng với các góc tới và góc khúc

xạ được liên hệ với nhau qua biéu thức Snell sau đây

H2 sin đụ

Khi biết góc tới Ø, và chiết suất mị n; thì từ 2 phương trình trên ta có thé tínhđược hệ số phản xạ trên mặt phân cách giữa 2 môi trường nếu tia tới trùng vớiphương pháp tuyến thì ta có công thức gần đúng

a= i E 2) (2.5)

To m+n

Nếu môi trường 1 là không khí

2p= d+ =| act (2.6)

Io m+]

b Hệ sô truyền qua

Trong các thiết bị năng lượng mặt trời thường được phủ bằng loại vật liệu dạngtắm mỏng hoặc màng mỏng trong suốt Khi tính hệ số phản xạ phái tính cho cả 2mặt phân cách của màng phủ vì cả 2 đều gây ra tốn hao năng lượng do hiện tượngphản xạ

Hình 215 — Mô tả hiện tượng phan xạ mat trên và mặt dướiTheo hình vẽ tổng tat cả các số hạng sau n lần phan xa ta sẽ nhận được biéu thức

2.4.3.1 Hiệu ứng nhà kính và nguyên lý cấu tạo bộ thu phẳng

Cấu tạo gồm:

1- Tâm kính đậy ĐI |

2-Lop cách nhiệt 2

x z a

3-Tam hap thu 3

4-Tia vào có bước sóng ngăn

5-Tia nhiệt phat xạ từ tam hap thu

Tia nhiét bi phan xa

Hình 2.16 So đồ cấu tao hộp bay nhiệtNguyên lý hoạt động: Tam kính đậy chi cho các bức xạ mặt trời có bước sóng1< 0,7 um truyền qua còn những bức xạ lớn hơn bị kính ngăn lại Tia bức xạ mặttrời sau khi truyền qua tấm kính phủ chiếu lên tam hấp thụ, tam nay hấp thụ nănglượng BXMT chuyển hóa thành nhiệt làm tấm hap thụ nóng lên trở thành nguồnphát ra tia bức xạ nhiệt có bước sóng 1 > 0,7um bị kính ngăn lại phản xa trở về tamhấp thụ làm cho nó ngày càng nóng hơn Các thành bên và dưới được cách nhiệt

làm cho BXMT bị giữ trong hộp, đây được gọi là nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”

2.4.3.2 Quá trình hấp thụ năng lượng trên tấm hấp thụ

Tam hap thu sơ TP 2e2 (1-p) 204

Hình 2.17 Mô tả quá trình hấp thụ năng lượng trên tam hấp thụ

Giả thiết khi có 1 tia bức xạ sau khi xuyên qua tam phủ có hệ số truyền qua làT= Ta Tr đập lên tâm hấp thụ có hệ số hap thụ là œ sẽ bị hap thụ 1 lượng xác định

là ta Do tam hap thụ không phải là đen tuyệt đối nên phan còn lại (1-œ)t sẽ phan

xạ về phía đáy của tam kính và phản xa trở về tam hap thụ 1 lượng (1-a)tpa cứ nhưvậy tổng tat cả n lần hấp thụ trên tắm hap thụ được cho bởi công thức

(ta) =ta Sđ—#)ø„]Ì"=——?4Z_— (2.12)

mo I~d-Ø)z¿