Nghiên cứu khả năng sử dụng năng lượng mặt trời phối hợp cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ h2o libr loại single effect

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỐI HỢP CẤP NHIỆT CHO MÁY LẠNH HẤP THỤ H 2 O-LiBr LOẠI SINGLE EFFECT II.. ­ Viết chương trình tính toán Máy lạnh hấp thụ sin

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN TĂNG THÀNH

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỐI HỢP CẤP

LOẠI SINGLE EFFECT

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ NHIỆT

Mã số ngành : 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2005

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP

Cán bộ nhận xét 1 :

Cán bộ nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày … tháng … Năm …

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO –HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày 26 tháng 09 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Công nghệ nhiệt

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỐI HỢP CẤP NHIỆT CHO MÁY LẠNH HẤP THỤ H 2 O-LiBr LOẠI SINGLE EFFECT

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

­ Nghiên cứu lựa chọn loại collector thích hợp để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ

­ Nghiên cứu cách tính toán lượng nhiệt có ích nhận được từ collector

­ Xác định loại máy lạnh hấp thụ và các thông số làm việc liên quan

­ Viết chương trình tính toán Máy lạnh hấp thụ single effect và bức xạ mặt trời , chọn nhiệt độ cấp nhiệt tối ưu

­ Lựa chọn phương án và sơ đồ cấp nhiệt hợp lý

­ Thí nghiệm khả năng cấp nhiệt của năng lượng mặt trời cho Máy lạnh hấp thụ

­ Tính toán số lượng collector cần thiết để cấp nhiệt theo năng suất lạnh

­ Xác định phương án cấp nhiệt bổ sung , thời gian hoạt động cần phải bổ sung từ nguồn nhiệt khác

­ Tính toán đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 26 / 09 / 2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS LÊ CHÍ HIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS TS LÊ CHÍ HIỆP PGS TS LÊ CHÍ HIỆP PGS TS LÊ CHÍ HIỆP

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2005

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn Nguyễn Tăng Thành

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến PGS TS LÊ CHÍ HIỆP đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng và quý giá cho nội dung luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Công Nhân Kỹ Thuật Nhân Đạo đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin gởi lời cảm ơn đến các bạn học cùng lớp Công Nghệ Nhiệt khóa

14 đã giúp đỡ tác giả góp phần vào sự thành công của luận văn

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân thương và bè bạn đồng nghiệp đã động viên tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Kết cấu luận văn gồm 7 chương , trong đó

Chương 1: Đặt vấn đề cho luận văn từ các điều kiện khách quan về tiết kiệm năng lượng , sự phát thải khí CO 2 gây hiệu ưng nhà kính , tác hại của tác nhân lạnh của máy lạnh nén hơi đến tầng ôzôn

Chương 2 : Trình bày các vấn đề tổng quan về năng lượng mặt trời , tiềm năng năng lượng mặt trời , các ứng dụng của năng lượng mặt trời và tình hình hiện nay trên thế giới về sử dụng năng lượng mặt trời vận hành máy lạnh hấp thụ H2O- LiBr

Chương 3 : Trình bày cơ sở lý thuyết về Máy lạnh hấp thụ singgle effect , năng lượng bức xạ mặt trời và các loại collector Đánh giá các loại collector , chọn loại collector phù hợp và hiệu suất của collector ống nhiệt chân không

Chương 4 : Các chương trình tính toán nhỏ cho máy lạnh hấp thụ H2O­LiBr Single effect và năng lượng bức xạ mặt trời So sánh số liệu tính toán với số liệu thực tế và chọn nhiệt độ cấp nhiệt tối ưu để hệ thống đạt hiệu suất cao nhất

Chương 5 : Lựa chọn sơ đồ cấp nhiệt hợp lý và phương án bổ sung năng suất lạnh Thực hiện thí nghiệm khả năng cấp nhiệt của năng lượng mặt trời cho Máy lạnh hấp thụ bằng máy nước nóng mặt trời Xác định thời gian hoạt động cần phải bổ sung từ nguồn nhiệt khác

Chương 6 : So sánh hiệu quả kinh tế cho giải pháp thay thế điều hoà không khí dùng điện năng bằng máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr dùng năng lượng của mặt trời kết hợp nguồn đốt phụ Chọn điều kiện vận hành để đạt hiệu quả kinh tế nhất

Chương 7 : Trình bày các kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo Cuối cùng là các phụ lục mà tác giả đã trích dẫn và sử dụng trong luận văn

MỤC LỤC

Trang CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU

1.2 Vấn đề môi trường khi sử dụng máy lạnh nén hơi 10

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN TÌNH HÌNH HIỆN NAY TRÊN THẾ GIỚI

VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VẬN HÀNH MÁY LẠNH

HẤP THỤ H2O-LiBr

2.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam 14 2.3 Ưùng dụng năng lượng mặt trời cho mục đích điều hoà không khí 18 CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Máy lạnh hấp thụ H2O - LiBr loại Single Effect 23

CHƯƠNG 4 : CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN

4.1 Tính toán năng lượng Bức xạ mặt trời nhận được bởi Collector 49

4.3 Khảo sát nhiệt độ nước nóng cấp nhiệt tối ưu cho máy lạnh

CHƯƠNG 5 : LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CẤP NHIỆT –

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

CHƯƠNG 6 : SO SÁNH HIỆU QUẢ KINH TẾ

6.1 Tính toán kinh tế 1 với máy nước nóng mặt trời 100 6.2 Tính toán kinh tế 2 với collector ống nhiệt chân không 118 6.3 Tính toán kinh tế 3 với điều kiện tốt nhất 138 6.4 Tính toán lượng giảm phát thải khí CO 2 142 CHƯƠNG 7 : CÁC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CÁC KÝ HIỆU

b góc nghiêng Collector

d góc lệch của mặt trời

g góc phương vị của bề mặt khảo sát

h hiệu suất nhiệt

q góc tới của tia trực xạ q

qZ góc thiên đỉnh của mặt trời

r hệ số phản xa

t hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia mặt trời

w, wS góc giờ mặt trời

A độ cao của người quan sát , bình phát sinh

a bội số tuần hoàn , góc cao độ của mặt trời

COP hệ số hiệu quả của máy lạnh

G cường độ bức xạ mặt trời ,lượng bức xạ trên 1m 2 diện tích khảo

sát trong 1 giây

H lượng bức xạ trên 1m 2 diện tích khảo sát trong 1 ngày

HE thiết bị trao đổi nhiệt

I lượng bức xạ trên 1m 2 diện tích khảo sát trong 1 giờ

k hệ số truyền nhiệt , hệ số chuyển đổi nhiệt của collector

mr lưu lượng tác nhân lạnh

n số thứ tự ngày trong năm

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU 1.1 VẤN ĐỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Hiện nay năng lượng đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của thế giới từ nhiều thập niên qua Nhu cầu phát triển luôn đòi hỏi năng lượng

Nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt , các nguồn năng lượng hoá thạch như dầu mỏ , than đá … đã và đang được khai thác triệt để , trữ lượng đang giảm dần Theo tính toán với nhu cầu sử dụng năng lượng như hiện nay , khoảng 50 năm nữa nguồn dầu mỏ có thể cạn kiệt

Nguồn năng lượng thủy điện cũng đã được khai thác hết khả năng , tất cả các

vị trí có thể phát điện đều đã lắp đặt nhà máy phát điện

Để bổ sung nguồn năng lượng , hiện nay có 2 xu hướng :

­ Một là tìm kiếm các nguồn năng lượng để thay thế nguồn năng lượng truyền thống Ngoài năng lượng hạt nhân , thì các nguồn năng lượng tái tạo đang được quan tâm và phát triển

­ Hai là sử dụng năng lượng 1 cách hiệu quả , hợp lý hơn , trong đó đang được

chú ý là vấn đề thu hồi nhiệt thải

1.2 VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG KHI SỬ DỤNG MÁY LẠNH NÉN HƠI

1.2.1 Phát thải khí CO 2 khi đốt các nhiên liệu hoá thạch gây hiệu ứng nhà kính

Việc đốt các năng lượng hoá thạch ( dầu mỏ , than đá …) sẽ phát thải vào môi trường các khí CO, CO2 , NOx, SOx Các khí NOx, SOx có thể gây nên mưa axít gây

ô nhiễm Khí CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính làm nóng traí đất

Với dự tính dân số trên trái đất là 6 tỉ người với mức phát thải CO2 cho mỗi người là 1 tấn CO2 / người / năm Lượng phát thải CO2 trong 1 năm sẽ là 6 tỉ tấn Cộng với 1 tỉ tấn CO2 / năm do phá rừng Tổng lượng phát thải CO2 trong 1 năm sẽ là 7 tỉ tấn / năm Tương đương với tăng 1 % trong 1 năm ( lượng CO2 trong bầu khí quyển hiện nay là 700 tỉ tấn )

Tới năm 2100 lượng CO2 trong bầu khí quyển sẽ tăng gấp đôi Hậu quả là làm biến đổi khí hậu , băng tan và mực nước biển tăng lên

Nếu việc phát thải khí CO2 như hiện nay thì hậu quả về môi trường rất là nghiêm trọng Dự kiến tới năm 2100 nhiệt độ trái đất có thể tăng thêm 5.6 o C , mực nước biển có thể tăng khoảng 0.88 m và khoảng 1/3 diện tích đất liền sẽ chìm trong nước

Hiện nay hiệp định KYOTO về giảm phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính đang được các nước xúc tiến ký kết để giảm mức phát thải xuống bằng năm 1990 Việc này đồng nghĩa với việc phải giảm sử dụng các nguồn năng lượng hoá thạch

và thay vào đó là các nguồn năng lượng tái tạo Theo tài liệu [8]

1.2.2 Tác hại suy giảm tầng ôzôn của tác nhân lạnh sử dụng trong các

máy lạnh kiểu nén hơi

Trong kỹ thuật lạnh và điều hoà không khí hiện nay , các loại máy lạnh kiểu nén hơi vẫn còn chiếm 1 tỷ trọng đáng kể , loại máy lạnh hấp thụ vẫn còn chưa được sử dụng ở nhiều quốc gia

Các máy lạnh kiểu nén hơi sử dụng các loại tác nhân lạnh hiện nay ít hay nhiều đều gây nên hiệu ứng suy giảm tầng ôzôn và hiệu ứng nhà kính làm nóng trái đất Các loại tác nhân lạnh thay thế dù có giải quyết được vấn đề làm suy giảm tầng ôzôn nhưng hiệu ứng nhà kính vẫn chưa giải quyết được

CÁC VẤN ĐỀ KHÁC

Aùp lực của việc thiếu năng lượng điện cho nhu cầu phát triển buột các quốc gia phải tìm các nguồn năng lượng khác để thay thế Năng lượng mặt trời là 1 trong các lựa chọn

Đối với việc sử dụng Năng lượng mặt trời cho nhu cầu điều hoà không khí có thuận lợi là Năng lượng mặt trời đồng biến với nhu cầu điều hoà không khí

Collector có thể dễ dàng biến đổi trực tiếp Năng lượng mặt trời thành nước nóng để cấp cho máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr loại Single Effect Hiện nay công

nghệ chế tạo máy lạnh hấp thụ và collector đã rất hoàn thiện và phát triễn

1.3 ĐẶT VẤN ĐỀ CHO LUẬN VĂN

Trên các cơ sở đó luận văn này nhằm nghiên cứu phương án sử dụng phối hợp năng lượng mặt trời với một nguồn đốt phụ ( có thể là gas , dầu … ) để cấp nước nóng cho Máy Lạnh Hấp Thụ H2O-LiBr loại Single Effect cho mục đích điều hoà không khí

Phương án này nếu thực hiện được có thể tiết kiệm năng lượng và góp phần giải quyết vấn đề môi trường

Luận văn cũng nhằm đánh giá tính khả thi về kinh tế và kỹ thuật của 1 phương án cụ thể , so sánh với phương án dùng điện năng và đưa ra kết luận trung thực và

khách quan

1.4 ÝÙNGHĨA

Luận văn có ý nghĩa đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật và về mặt kinh tế của phương án sử dụng năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho Máy Lạnh Hấp Thụ , và cung cấp thêm một vài thông tin cho các nghiên cứu sau này

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN TÌNH HÌNH HIỆN NAY TRÊN THẾ GIỚI VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VẬN

HÀNH MÁY LẠNH HẤP THỤ H2O-LiBr 2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân khổng lồ Mặc dù theo lý thuyết thì đến một ngày nào đó thì mặt trời sẽ không tồn tại nữa , nhưng thời gian là rất lớn nên có thể nói đây là nguồn năng lượng gần như là vô tận

Có 1 vấn đề thú vị là hầu hết các nguồn năng lượng được sử dụng ( ngoài trừ năng lượng hạt nhân ) đều xuất phát từ Mặt trời : Năng lượng thuỷ điện , năng lượng hoá thạch, năng lượng gió, năng lượng sóng, năng lượng thuỷ triều, năng lượng địa nhiệt …

Năng lượng mặt trời truyền đến trái đất dưới dạng tia bức xạ Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển khá ổn định Năng lượng bức xạ mặt trời nhận được trên một bề mặt có diện tích 1m 2 đặt bên ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia tới là khoảng 1353W/m 2 ( còn gọi là hằng số mặt trời )

Khi tia bức xạ mặt trời xuyên qua bầu khí quyển để tới bề mặt trái đất , do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia mặt trời sẽ phải chịu hiện tượng hấp thụ và phản xạ Kết quả là càng đến gần bề mặt trái đất , cường độ tia bức xạ sẽ càng giảm

Nói chung năng lượng bức xạ mặt trời tuỳ thuộc rất nhiều vào vị trí địa lý của nơi khảo sát Trong đó Việt nam là vùng nhiệt đới nắng , nóng có rất nhiều tiềm

năng về Năng lượng bức xạ mặt trời

Theo tài liệu [4]

2.2 TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam

Việt nam là vùng nhiệt đới nắng , nóng có rất nhiều tiềm năng về Năng lượng bức xạ mặt trời

Dưới đây là các số liệu tổng bức xạ trung bình /ngày suốt 12 tháng tại 12 địa

điểm khảo sát trên lãnh thổ Việt Nam (Theo tài liệu [10])

Bảng 2.1 Tổng lượng bức xạ mặt trời trung bình / ngày trong 12 tháng (KWh/m 2 ) KHU VỰC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm CAO BẰNG

2.4 3.6 2.2 2.0 2.2 2.2 7.0 4.3 6.3 5.5 5.5 5.5

3.0 4.2 2.5 2.4 2.3 2.0 7.5 5.2 6.6 5.9 6.2 5.7

4.0 4.7 2.5 3.4 3.3 3.3 5.8 5.8 5.7 5.6 5.3 5.6

5.3 5.1 4.6 5.2 5.3 5.1 6.2 6.4 5.0 4.5 4.1 4.9

5.3 4.9 4.0 5.5 5.5 5.3 4.6 5.9 4.9 4.2 4.2 4.3

5.9 4.8 3.9 5.3 5.7 5.7 4.7 6.5 5.1 4.6 4.3 4.4

5.8 4.7 4.3 5.1 5.2 4.7 3.4 5.7 5.0 4.2 4.2 4.1

5.2 4.8 4.4 4.7 4.8 4.0 4.5 5.2 4.8 4.2 4.3 4.3

4.2 4.4 3.8 4.1 4.1 3.1 4.7 4.2 4.5 3.9 4.2 4.6

3.2 3.7 3.6 3.3 3.4 2.0 5.6 3.0 4.3 4.2 4.4 4.8

2.8 3.2 3.0 2.8 3.0 2.0 5.5 2.5 4.6 4.4 4.3 4.9

4.1 4.3 3.4 3.8 3.9 3.4 5.4 4.8 5.2 4.7 4.6 4.8

Bảng 2.2 : Số giờ nắng trung bình / ngày trong 12 tháng ( giờ / ngày) 

KHU VỰC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm CAO BẰNG

2.0 1.6 1.7 5.1 8.8 8.9

2.4 1.4 2.3 3.4 8.8 9.3

3.7 2.7 4.6 6.9 7.7 8.8

5.3 5.3 7.3 8.3 6.3 6.9

4.5 5.2 6.7 7.9 5.7 5.9

5.4 5.9 7.6 8.3 5.8 6.0

5.6 5.3 5.8 6.7 5.6 5.8

5.5 5.4 5.2 5.8 5.4 5.6

4.2 5.3 4.6 4.7 5.9 5.7

3.6 4.2 3.2 4.0 6.7 6.3

2.9 3.5 2.8 3.6 7.2 6.7

3.9 4.0 4.5 5.8 6.8 7.0

Ở các tỉnh phía Nam số giờ nắng trung bình trong ngày khoảng 6.5 giờ , cường độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày trong 12 tháng đạt 5 KWh/m 2 ngày Từ mùa khô chuyển sang mùa mưa tổng lượng bức xạ trung bình giảm khoảng 20% Ở các tỉnh phía Bắc số giờ nắng trung bình chỉ đạt 4.1 giờ /ngày và cường độ bức xạ trung bình khoảng 4 KWh/m2 ngày

Một cách khái quát thì lượng bức xạ mặt trời ở các tỉnh phía Bắc giảm 20% so với các tỉnh miền Trung và miền Nam Nếu xem xét cụ thể ở 1 số tỉnh thì sự

chênh lệch này càng lớn có thể lên đến 50%

Điều quan trọng nữa là ở các tỉnh phía Bắc lượng bức xạ mặt trời không phân phối đều trong năm Vào mùa đông , mùa xuân mưa phùn kéo dài hàng chục ngày liên tục và nguồn bức xạ mặt trời dường như không đáng kể chỉ còn khoảng 1 - 2 KWh/m2 ngày Còn đối với các tỉnh phía Nam và thành phố Hồ Chí Minh mặt trời chiếu rọi quanh năm , ổn định kể cả vào mùa mưa

Có thể kết luận rằng bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn của các tỉnh miền Trung và miền Nam trong đó có thành phố Hồ Chí Minh

TỔNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TRUNG BÌNH / NGÀY

Hình 2.1 Đồ thị bức xạ mặt trời (KWh/m 2 .ngày)

2.2.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời của thành phố Hồ Chí Minh

Thành phố Hồ Chí Minh có tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn Cường độ bức xạ mặt trời trung bình khá cao : 5.2 KWh/m 2 /ngày , cao nhất là 6.6

KWh/m 2 /ngày vào tháng 3 và thấp nhất là 4.3 KWh/m 2 /ngày vào tháng 11 trong

mùa mưa Số giờ nắng khá cao là 2299 giờ / năm Đó là điều kiện cho việc ứng

dụng năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao

Dưới đây là số liệu số giờ nắng trung bình hàng ngày tại Thành phố Hồ Chí

Minh theo các tháng (Theo tài liệu [1])

Bảng 2.3 : Số giờ nắng trung bình hàng ngày tại Thành phố Hồ Chí Minh

2.3 ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO MỤC ĐÍCH ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ

2.3.1 Ưùng dụng năng lượng mặt trời cho mục đích điều hoà không khí

Việc sử dụng năng lượng mặt trời cho mục đích làm lạnh và điều hòa không khí có thuận lợi là nhu cầu sử dụng lạnh đồng biến với cường độ bức xạ mặt trời nhận được Tuy nhiên do mâu thuẩn giữa giá thành và hiệu quả kinh tế mang lại cho nên trong một thời gian dài vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế

Mặc dù vậy , bằng các nổ lực không ngừng của các nhà nghiên cứu , việc ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh và điều hòa không khí càng ngày càng chứng tỏ tính cấp thiết và khả thi , nhất là ở các nước có điều kiện thiên nhiên thuận lợi như Việt Nam

Những năm gần đây , do những yêu cầu về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường , phương án này hiện đang là một trong các hướng được ưu tiên khuyến

khích phát triễn

2.3.2 Tình hình hiện nay trên thế giới về sử dụng năng lượng mặt trời vận

hành máy lạnh hấp thụ H 2 O-LiBr

Cần phải nói rằng hiện nay hệ thống máy lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời chưa phải là sản phẩm công nghiệp hoàn chỉnh mà vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triễn

Các công trình nghiên cứu, thử nghiệm tập trung ở các trường đại học của các nước phát triễn , dưới đây sẽ trình bày 1 số nghiên cư gặp được

a Hệ thống tại Cabo Rojo, Puerto Rico : Tài liệu [13]

Do trường Đại học Puerto Rico nghiên cứu và lắp đặt Hệ thống cấp nhiệt năng lượng mặt trời gồm 66 collector tấm phẳng với diện tích 115,4 m 2 , máy

lạnh hấp thụ H2O-LiBr Singgle Effect có năng suất lạnh 35 KW , tháp giải nhiệt có năng suất 84KW , bình chứa nước nóng có dung tích 5700 lít và AHU có lưu

lượng 1800lít / giờ

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống máy lạnh hấp thụ mặt trời ở Cabo Rojo, Puerto Rico

b Hệ thống tại Treptow Berlin ( Đức ) Tài liệu [14]

Được Đại học Kỹ thuật Berlin thiết kế và lắp đặt với năng suất lạnh nhỏ ( bé hơn 30 KW ) với mục đích làm lạnh cho các văn phòng làm việc , sử dụng máy lạnh hấp thụ H2O-LiBr Singgle Effect

Do trên thị trường châu Aâu không có máy lạnh hấp thụ ở công suất bé hơn 30

KW nên các nhà nghiên cứu đã thiết kế riêng máy lạnh hấp thụ 10 KW cấp nhiệt bằng nước nóng

Thông số của Máy lạnh hấp thụ của ĐỨC cấp nhiệt bằng nước nóng có năng

suất lạnh 10 KW cho ở hình sau

Hình 2.4 Máy lạnh hấp thụ cấp nhiệt bằng nước nóng của Đức

Một hệ thống hoàn chỉnh đã được sử dụng từ tháng 8/ 2003 để làm lạnh văn phòng ở Phonix Sonnen Warme AG ( Berlin Treptow ) Theo các kết quả nghiên cứu thì sử dụng các collector thu năng lượng mặt trời là các collector phẳng sẽ hiệu

quả kinh tế hơn

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống máy

lạnh hấp thụ mặt trời ở Treptow

Berlin ( Đức )

c Hệ thống của Đại hoc Jordan Tài liệu [4]

Do các nhà nghiên cứu của đại học Jordan thiết kế và thử nghiệm

Các collector tấm phẳng có diện tích tổng cộng 14m 2 được bố trí làm 2 dãy , mỗi dãy gồm 6 collector được ghép nối tiếp với nhau Mục đích của việc ghép nối tiếp là để gia tăng nhiệt độ nước nóng cấp cho máy lạnh hấp thụ

Nhiệt độ nước nóng ra khỏi collector có thể đạt 75 – 100 o C

Thời gian thử nghiệm từ 11h – 15 h , theo kết quả thử nghiệm tỉ số năng suất lạnh /m 2 collector dao động từ 0,3 – 0,7 Kw/m 2 collector

d Hệ thống của dự án SOLHEATCOOL Tài liệu [15]

Mục đích của dự án là nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời để làm mát các tòa nhà vào mùa hè

Sử dụng máy lạnh hấp thụ Singgle Effect làm việc với dung dịch H2O-LiBr Nước nóng được cấp từ 2 loại collector mặt trời khác nhau là collector dạng tấm phẳng và collector dạng ống rút chân không

Diện tích collector là 62 m 2 , thể tích thùng chứa 500 lít , năng suất lạnh 10

KW Nhiệt độ nước nóng vào và ra khỏi collector 75,5 o C và 82,5 o C , lưu lượng

3100 lít/h Nhiệt độ nước nóng vào và ra khỏi bình phát sinh 82 o C và 78 o C , lưu

lượng 3300 lít/h

2.3.3 Đánh giá

Việc sử dụng năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ hiện nay trên thế giới không có sản phẩm công nghiệp mà vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm Chủ yếu chỉ tìm gặp được các hệ thống ở dạng thử nghiệm và nghiên cứu của các trường đại học và một số dự án

Việc áp dụng vào thực tế có thể gặp nhiều khó khăn và không đạt hiệu quả kinh tế

Các nguyên nhân có thể là :

­ Giá thành Collector quá cao

­ Nhiệt độ tạo được từ năng lượng mặt trời không cao làm hệ số hiệu quả COP của máy lạnh hấp thụ thấp và hiệu quả hệ thống thấp

­ Diện tích cần thiết để lắp đặt collector quá lớn

­ Lắp đặt và vận hành hệ thống phức tạp hơn nhiều so với máy lạnh nén hơi

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 MÁY LẠNH HẤP THỤ H 2 O - LiBr LOẠI SINGLE EFFECT

Năng lượng mặt trời tuy số lượng thì có nhiều nhưng nhiệt độ thì không cao lắm nếu sử dụng các loại Collector thông thường ( không sử dụng các Collector tập trung ) Do đó chỉ phù hợp cấp nhiệt cho loại Single Effect Trong giới hạn của luận văn này chỉ đề cập đến máy lạnh hấp thụ H2O - LiBr loại Single Effect

Dung dịch loãng trong bình hấp thụ D được bơm qua bộ trao đổi nhiệt HE vào bình phát sinh A , dung dịch được hơi nước gia nhiệt , vì nước có nhiệt độ sôi rất thấp so với LiBr do đó dung dịch loãng đươc gia nhiệt đến nhiệt độ nhất định nước sẽ bay hơi Hơi tác nhân lạnh ở trạng thái quá nhiệt bay ra từ bình phát sinh và vào bình ngưng tụ B được là mát bằng nước giải nhiệt và ngưng tụ lại thành lỏng tác nhân lạnh

Lỏng tác nhân lạnh đi qua ống tiết lưu chữ U vào bình bay hơi C và được bơm lên phun thành giọt nhỏ trên bề mặt chùm ống bay hơi

Nước tác nhân lạnh hấp thu nhiệt của nước cần làm lạnh và bay hơi , hơi nước tác nhân lạnh đi qua tấm chắn phân ly nước rồi đi xuống bình hấp thụ D Dung dịch trung gian trong bình hấp thụ được bơm đẩy phun nhỏ giọt để hấp thụ hơi tác nhân lạnh và trở thành dung dịch loãng , trong quá trình hấp thụ cósản sinh ra nhiệt nên cần phải làm mát bình hấp thụ

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của MLHT H2O-LiBr loại Single-Effect

A: Bình phát sinh ; B: Bình ngưng ; C: Bình bốc hơi ; D: Bình hấp thụ

3.1.3 Biểu diễn quá trình

a Biểu diễn quá trình trên đồ thị i-c

Hình 3.2 Đồ thị i – c

của Máy lạnh hấp thụ

H2O – LiBr Single Effect

b Biểu diễn trên đồ thị lg p-T và giản đồ Duhring :

Hình 3.3 Đồ thị log p

– T của Máy lạnh hấp

thụ H2O – LiBr Single

Vùng kết tinh

1- Dung dịch loãng bắt đầu sôi và bay hơi trong bình phát sinh

2- Hơi nước ở trạng thái quá nhiệt bay ra ra khỏi bình phát sinh

2’- Nước ngưng tụ trong bình ngưng

3- Hơi nước đi vào bình bốc hơi sau khi đi qua cơ cấu giảm áp

3’- Nước ở trạng thái lỏng sôi ứng với áp suất p0

3”- Hơi nước bão hòa khô bay ra khỏi bình bốc hơi để đi vào bình hấp thụ

4- Dung dịch loãng ra khỏi bình hấp thụ để đi vào bộ trao đổi nhiệt

5- Dung dịch đậm đặc sau khi ra khỏi bộ trao đổi nhiệt để đi vào cơ cấu giảm áp 6- Dung dịch đậm đặc rời khỏi bình phát sinh để đi vào bộ trao đổi nhiệt

7- Dung dịch loãng ra khỏi bộ trao đổi nhiệt để đi vào bình phát sinh

Tính toán nhiệt động

= + 

1 

a  ( 

c 

. 

a 

i  ). 

1 

a  ( 

+qh : nhiệt lượng cấp vào bình phát sinh A , kJ/kg

+cs : nồng độ dung dịch đậm đặc rời khỏi bình phát sinh A, kg tác nhân lạnh/kg dd

+cW : nồng độ dung dịch loãng đi vào bình phát sinh A, kg tác nhân lạnh/kg dd +a : bội số tuần hoàn, kg dd loãng/kg tác nhân lạnh

· Bình ngưng tụ B : 

2  ' 

= +

1 

a  ( 

1 

a  ( 

a  ) 

i 

i  ).( 

+qa : nhiệt lượng mà bình hấp thụ D phải nhả ra ứng với 1kg tác nhân lạnh đi vào bình

+qk : nhiệt lượng mà 1kg tác nhân lạnh nhả ra ở bình ngưng B

Tài liệu tham khảo phần này là là tài liệu [3] và [4]

3.2 NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI

3.2.1 Một số khái niệm và công thức tính toán

a Các thông số xác định vị trí của mặt trời

- Góc cao độ của mặt trời a Là góc tạo bởi tia trực xạ và hình chiếu của nó lên mặt phẳng nằm ngang

Góc cao độ phụ thuộc vào thời điểm và địa điểm khảo sát

- Góc lệch của mặt trời d : Là góc tạo bởi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo của Trái đất

360 Sin

45 ,

- Góc giờ của mặt trời w : Là góc tạo bởi tia trực xạ và đường nối điểm khảo sát với vị trí cao nhất (thiên đỉnh) của mặt trời trong ngày

- Góc thiên đỉnh của mặt trời qZ : Là góc tạo bởi tia trực xạ và đường thẳng góc với mặt phẳng nằm ngang tại vị trí khảo sát Ta có:

Trong đó f là vĩ độ của vị trí khảo sát

Khi qZ = 90 0 , tương ứng ta sẽ xác định được góc giờ wS lúc mặt trời mọc hoặc

lúc mặt trời lặn ứng với mặt phẳng nằm ngang

- Góc tới của tia trực xạ q : Cosq = Sind.Sinf.Cosb – Sind.Cosf.Sinb.Cosg + Cosd.Cosf.Cosb.Cosw

+ Cosd.Sinf.Sinb.Cosg.Cosw + Cosd.Sinb.Sing.Sinw (3.13 )

3.2.2 Bức xạ mặt trời

Các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát:

· G [W/m 2 ]: lượng bức xạ trên 1m 2 diện tích trong thời gian 1 giây

· I [J/m 2 ]: lượng bức xạ trên 1m 2 diện tích trong thời gian 1 giờ

· H [J/m 2 ]: lượng bức xạ trên 1m 2 diện tích trong thời gian 1 ngày

Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển

Hằng số mặt trời : GSC = 1353 W/m 2

Cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là:

=

365

n

360 Cos

033 ,

0

1

G

Trong đó:

· GSC – hằng số mặt trời

· n – số thứ tự của ngày trong năm, qui ước lấy giá trị n của ngày 1 tháng

giêng là 1

Lượng bức xạ trong 1 ngày Ho (J/m 2 )

365

n

360 Cos

033 ,

0

1

=

365

n

360 Cos

033 ,

0

1

G

A SC

180 Sin Sin

B = d f w p + d f w

· w có đơn vị là độ và biến đổi trong khoảng từ –wS cho đến +wS (tức là

từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn)

Lượng bức xạ trong 1 giờ Io (w 1 - w 2 = giờ) (J/m 2 )

=

365

n

360 Cos

033 ,

0

1

G

A SC

· C=Sind.Sinf.Cosb.15p/180+2Cosd.Cosf.CoswTB.Sin(7.5p/180)

3.2.3 Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất

Lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển bao gồm 2 thành phần: 

( ) ( ) ( )

2

Cos

1

G

G

G

G T = b b + d + b + d + b r - b (3.19 )

Với b là góc nghiêng của bề mặt nghiêng đang khảo sát

Trong đó r là hệ số phản xạ của mặt đất, Liu và Jordan đề nghị lấy: 

­ r = 0,2 : nơi không có tuyết phủ. 

­ r = 0,7 : nơi có tuyết phủ

Lượng hóa mức độ trong sáng của bầu trời

Theo những giả thiết đã nêu về sự phân bố và hướng của tia khuếch tán, ta có

thể xem: 

­ Những ngày bầu trời trong sáng: R = R b . 

­ Những ngày bầu trời bị mây và sương mù: R d = 1

tb là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ:

Trong đó 

­ A là độ cao của người quan sát, km. 

­ Gb là thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu

chuẩn đến 1 m 2 bề mặt nằm ngang

Công thức kS sử dụng được cho bất kỳ giá trị nào của qZ ứng với độ cao khảo

sát nhỏ hơn 2,5 km

Nếu vị trí khảo sát thuộc vùng nhiệt đới thì nên nhân thêm hệ số hiệu chỉnh,

02 ,

3.3 CÁC LOẠI COLLECTOR MẶT TRỜI

3.3.1 Collector mặt trời :

a Nguyên tắc hoạt động

Collector mặt trời là loại thiết bị thu nhận năng lượng bức xạ mặt trời , chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và truyền cho chất công tác ( thường là nước hay không khí ) Bộ phận quan trọng nhất của Collector là bề mặt hấp thụ

Trong thực tế có nhiều loại collector mặt trời nhưng đều là biến thể của 2 loại

cơ bản là collector tấm phẳng và collector tập trung

Nếu bề mặt thu nhận năng lượng mặt trời di chuyển cùng với sự di chuyển của mặt trời thì khả năng thu nhận năng lượng sẽ tốt hơn nhưng phát sinh vấn đề kỹ thuật phức tạp Thường collector tập trung được cho quay theo mặt trời còn

collector tấm phẳng được bố trí cố định

Trong phần này chúng ta chỉ quan tâm đến các collector có chất công tác là nước và có thể tạo nhiệt độ đủ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ

b Các dạng Collector

Collector dạng tấm phẳng :

Một collector tấm phẳng bao gồm 1 bề mặt hấp thụ , các tấm phủ trong suốt , khung đỡ và cách nhiệt

Trong điều kiện thành phố Hồ Chí Minh để nhận được lượng bức xạ mặt trời lớn nhất collector tấm phẳng nên được đặt với góc ghiêng b = 12 – 15 o và góc phương vị g = 0

Collector tấm phẳng có cấu tạo đơn giản , dễ gia công , không cần bảo trì thường xuyên, giá thành rẻ Tuy nhiên do tổn thất nhiệt nhiều nên nhiệt độ của chất làm việc không cao

Hình 3.4 Cấu tạo collector tấm phẳng

Hình 3.5 Collector tấm phẳng

Collector dạng tập trung

Hình 3.6 Collector tập trung

Collector tập trung thường được cho quay theo mặt trời để đảm bảo các tia trực xạ có thể phản chiếu tốt nhất đến bề mặt hấp thụ của collector , cần chú ý hình dạng của bề mặt hứng tia trực xạ và bề mặt tiếp nhận cũng ảnh hưởng đến hiệu quả thu nhận năng lượng

Nhiệt độ của chất làm việc có thể đạt lớn hơn 100 o C , có thể dùng cấp nhiệt được cho máy lạnh hấp thụ single effect và cả double effect Tuy nhiên gia công và bảo trì khó khăn , giá thành cao và có vấn đề khó khăn phức tạp khi cho quay theo mặt trời

Collector dạng ống chân không

Đây là biến thể của collector dạng tấm phẳng , giá thành hiện nay cũng khá đắt Tuy nhiên hiệu quả hấp thu nhiệt cao hơn nhiều so với loại tấm phẳng do giảm được các tổn thất Có thể sử dụng ở những vùng ít nắng và nhiệt độ ngoài trời thấp

Do những ưu điểm trên nên trong những năm gần đây người ta thường dùng loại Collector dạng ống chân không để cấp nhiệt cho các loại máy lạnh hấp thụ dùng trong điều hoà không khí

Collector dạng ống chân không được cấu tạo từ nhiều ống chân không ghép

song song đặt trên cùng một tấm phẳng nằm nghiêng

Hình 3.7 Collector ống chân không

Cấu tạo ống chân không bao gồm một vỏ bọc hình trụ bằng thủy tinh , bên trong có 2 ống dẫn chất làm việc bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt được đấu nối tiếp với nhau , hai ống này được liên kết với nhau bằng bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời có bề ngang gần bằng đường kính trong của vỏ bọc thủy tinh và có bề dài bằng chiều dài ống Bên trong vỏ bọc bằng thủy tinh người ta rút chân không , chính nhờ độ chân không này mà các tổn thất nhiệt giảm đi rất đáng kể

Hình 3.8 Cấu tạo collector ống chân không

Trong các hệ thống nước nóng mặt trời sự chuyển động của nước là do đối lưu tự nhiên Các ống chân không có dạng ống nghiệm với 2 lớp , ở giữa 2 lớp này là chân không Cả hai lớp đều làm bằng thủy tinh , lớp bên ngoài hoàn toàn trong suốt , còn lớp bên trong được sơn chất hấp thụ chọn lọc

Do đối lưu tự nhiên nên hiệu quả hấp thụ năng lượng thấp hơn so với loại có

ống dẫn chất làm việc

Hình 3.8 Trao đổi nhiệt trong máy nước nóng mặt trời

Hình 3.9 Cấu tạo ống chân không

Collector dạng ống nhiệt chân không

Bên trong ống chân không người ta đặt thêm ống nhiệt bằng đồng Tùy vào ứng dụng người ta sẽ chọn áp suất và chất làm việc bên trong ống nhiệt

Nguyên tắc hoạt động theo nguyên lý của ống nhiệt : chất làm việc sẽ nhận nhiệt bức xạ mặt trời , bay hơi và di chuyển lên phía trên , sau đó nhả nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và di chuyển xuống dưới để tiếp tục nhận nhiệt Nếu chất làm việc là nước thì người ta phải giảm áp suất trong ống nhiệt bé hơn khí quyển để đảm bảo bay hơi được với nhiệt độ < 100 o C

Do khả năng dẫn nhiệt của ống nhiệt rất cao ( khoảng vài ngàn lần đến vài chục ngàn lần so với khả năng dẫn nhiệt của bạc ) nên hiệu quả hấp thu năng lượng cao hơn so với loại ống chân không và nhiệt độ đạt được cũng cao hơn

Hình 3.10 Cấu tạo collector ống nhiệt chân không

Collector dạng ống nhiệt chân không có thể sử dụng ở những vùng ít nắng và nhiệt độ ngoài trời thấp, tuy nhiên giá thành rất đắt

Hiện nay collector ống nhiệt được xem là cơ hội để phát triển hệ thống điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời