PHÂN TÍCH EXERGY TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI

BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH EXERGY TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI MÔN HỌC : NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GVHD : PGS-TS NGUYỄN THẾ BẢO HV : NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN MSHV : 2070339 Tp.Hồ Chí Minh – 2021 2 MỤC LỤC PHẦN 1 – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................ 3 1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY ........................ 3 1.2.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................................... 3 1.2.2. Exergy ................................................................................................................................. 5 1.2.3. Phương pháp phân tích exergy ................................................................................... 7 1.2.4. Exergy và sự phát triển bền vững ............................................................................. 10 1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI........................................................................ 15 1.2.1. Các góc mặt trời ............................................................................................................. 17 1.2.2. Bức xạ mặt trời ............................................................................................................... 20 1.2.3. Bộ thu năng lượng mặt trời ........................................................................................ 21 1.2.4. Bộ thu ống chân không ................................................................................................ 26 PHẦN 2 – TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHÔNG .............................................. 30 2.1 TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I ........................................ 31 2.2 PHÂN TÍCH EXERGY THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II ............................................. 33 2.3 NHẬN XÉT KẾT QUẢ ............................................................................................................. 33 2.4 BÀI TÍNH THAM KHẢO .......................................................................................................... 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................... 40

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI

PHÂN TÍCH EXERGY TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI

MÔN HỌC : NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GVHD : PGS-TS NGUYỄN THẾ BẢO

Tp.Hồ Chí Minh – 2021

MỤC LỤC

PHẦN 1 – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY 3

1.2.1 Đặt vấn đề 3

1.2.2 Exergy 5

1.2.3 Phương pháp phân tích exergy 7

1.2.4 Exergy và sự phát triển bền vững 10

1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 15

1.2.1 Các góc mặt trời 17

1.2.2 Bức xạ mặt trời 20

1.2.3 Bộ thu năng lượng mặt trời 21

1.2.4 Bộ thu ống chân không 26

PHẦN 2 – TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHÔNG 30

2.1 TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I 31

2.2 PHÂN TÍCH EXERGY THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II 33

2.3 NHẬN XÉT KẾT QUẢ 33

2.4 BÀI TÍNH THAM KHẢO 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHẦN 1 – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY

1.2.1 Đặt vấn đề

Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng theo định luật nhiệt động I

Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học thể hiện nguyên tắc bảo tồn năng lượng Năng lượng có thể không được tạo ra cũng như không bị phá hủy, theo đó, tổng năng lượng trong một hệ kín luôn được bảo toàn, do đó không đổi và chỉ thay đổi

từ dạng này sang dạng khác

Hình 1: Sự bảo toàn năng lượng theo định luật nhiệt động I Đối với một hệ hở, nếu năng lượng đầu ra khác năng lượng đầu vào thì chứng tỏ nội năng của hệ đó đã thay đổi

Hình 2

Từ đó đưa đến một khái niệm là hiệu suất nhiệt của hệ thống này, tức là khả năng

sử dụng hiệu quả năng lượng của hệ:

𝜂 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡

Tuy nhiên, ta có thể thấy định luật nhiệt động I chỉ mang tính định lượng mà chưa thể hiện được chất lượng hay nói cách khác là mức độ sử dụng được của nguồn năng lượng được khảo sát

Ta lấy một ví dụ cụ thể để hiểu rõ hơn về vấn đề này

Khảo sát một bình đun nước siêu tốc có công suất 1kW, về mặt số lượng, tổng năng lượng đầu vào bằng tổng năng lượng đầu ra vì 1kW điện năng đã hoàn toàn biến thành 1kW nhiệt năng làm cho nước sôi, hiệu suất nhiệt của bình là 100% Tuy nhiên, theo chiều hướng ngược lại, ta không thể dùng 1kW nước sôi ấy để biến ngược lại thành 1kW điện năng như ban đầu được

Rõ ràng, về mặt chất lượng, 1kW điện năng ban đầu có giá trị cao hơn, ta có thể dùng điện để chạy các thiết bị sử dụng điện như máy quạt, bếp điện, tủ lạnh, tivi…, trong khi đó, nước sôi thì chỉ để pha trà, nấu mì gói…

Từ ví dụ này, ta thấy tổng năng lượng của hệ thống không thay đổi, nhưng khả năng sử dụng đã bị giảm đi Việc đánh giá chất lượng của năng lượng đưa ta đến khái niệm exergy (hay availability)

Phân loại exergy:

- Exergy vật lý (Physical exergy)

- Exergy hóa học (Chemical exergy)

- Exergy động năng (Kinetic exergy)

- Exergy thế năng (Potential exergy)

- Exergy nhiệt năng (bao gồm vật lý và hóa học)

Hình 4: Bốn loại exergy của nhiên liệu

Hình 6: Viên đạn bay với tốc độ cao có khả năng sát thương lớn

1.2.3 Phương pháp phân tích exergy

Trở lại hình vẽ trên, lúc này năng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra sẽ được phân ra thành hai phần: exergy và anergy

Hình 7 Exergy là phần năng lượng sử dụng được, anergy là phần năng lượng vô ích Lúc này, hiệu quả sử dụng năng lượng được đánh giá bằng hiệu suất nhiệt động II

𝜂 =𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡

Ex (1 o)

h

Tergy Q

T

( )o h

TAnergy Q

TQTTQT

Ở đầu ra, phần exergy bị sụt giảm một lượng gọi là irreversibility

Irreversibility: lượng tổn thất exergy ~ lượng exergy bị phá hủy do tồn tại tính không thuận nghịch trong hệ thống khảo sát

I = Ex1 – Ex2

Hình 8: Sự không thuận nghịch của quá trình

Ví dụ một vài yếu tố không thuận nghịch gây nên tổn thất exergy:

 Ma sát (trong chuyển động)

 Nhiệt trở (trong truyền nhiệt)

 Điện trở (trong các thiết bị điện)

 Tổn thất áp suất (môi chất chuyển động trong đường ống, thiết bị) …

Hình 9: Ma sát

Hình 10: Quả banh ném xuống sẽ nảy lên và dần dừng lại do ma sát và truyền

nhiệt với bề mặt tiếp xúc Như vậy, với phương pháp phân tích exergy ta sẽ có cái nhìn tổng quan, xác định được việc sử dụng năng lượng có hiệu quả không, từ đó có thể xác định được những chỗ nào cần cải tiến, nâng cao kĩ thuật để tối ưu hóa hiệu quả

1.2.4 Exergy và sự phát triển bền vững

Các nguồn năng lượng có tầm ảnh hưởng cực kì quan trọng tới sự sinh tồn và phát triển của xã hội Vì thế, việc sử dụng năng lượng phải hợp lý và hiệu quả để tạo tiền đề cho

sự phát triển bền vững của con người

Các phương pháp phân tích exergy ngày càng thể hiện sự quạn trọng vì chúng hữu ích trong việc cải thiện hiệu suất

Các môi liên hệ giữa exergy với năng lượng và môi trường chứng tỏ răng exergy có liên quan trực tiếp đến sự phát triển bền vững

Khi phân tích exergy, ta sẽ quan tâm đến tổn thất exergy, bởi vì đây là chỗ cần phải cải tiến để giảm sự lãng phí năng lượng

Tuy nhiên trong một hệ thống, việc giảm tổn thất exergy ở chỗ này có thể làm tăng exergy

ở chỗ khác Cho nên, ta phải có cái nhìn tổng thể, xem xét trên quy mô hệ thống để có giải pháp hợp lý

Trong kỹ thuật, các sơ đồ lưu lượng thường được sử dụng để mô tả dòng năng lượng hoặc exergy qua một quá trình

Hình 11: Dòng năng lượng và eexergy trong nồi hơi

Hình 12: Dòng năng lượng và exergy của nhà máy nhiệt điện

 Exergy – sự phá hủy trật tự và tạo ra hỗn loạn: phá hủy trật tự và tạo ra sự hỗn loạn là một dạng thiệt hại môi trường Entropy là thước đo sự hỗn loạn còn exergy

Hình 14: Phá núi để khai thác đá

Để làm giảm tác động môi trường liên quan tới suy thoái tài nguyên, ta dùng hai phương pháp: tăng hiệu suất và sử dụng các nguồn tài nguyên bên ngoài trái đất như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt…

Hình 15: Điện gió và điện MT

 Lượng phát thải chất thải exergy: exergy kết hợp với các phát thải khí thải có khả

năng gây thiệt hại về môi trường, trong đó exergy của chất thải là hệ quả của việc

môi trường bị mất cân bằng, gây ra sự thay đổi

Hình 16: khí thải CO2 ảnh hưởng đến việc tiếp nhận và tái bức xạ của bức xạ

mặt trời từ trái đất

 Exergy và sự phát triển bền vững: sự phát triển bền vững bao gồm tiềm năng kinh

tế như vậy, các phương pháp liên quan exergy và kinh tế cũng tăng cường sự

liên kết giữa exergy và sự phát triển bền vững

Tóm lại, để phát triển bền vững cần:

- Tăng hiệu suất exergy

- Giảm suy thoái môi trường có liên quan đến exergy

- Sử dụng các nguồn tài nguyên bền vững

1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hình 17 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng cổ xưa nhất, được sử dụng sớm nhất

Từ xa xưa, con người đã biết dùng ánh nắng mặt trời để làm khô quần áo, phơi lúa, làm muối, dùng thuyền buồm mượn lực của gió (gió cũng từ năng lượng mặt trời mà ra)

Hình 18: Người nông dân đang cùng nhau phơi lúa

Hinh 19: Nét đẹp trên cánh đồng muối

Hình 20: Thuyền buồm nâu thời xưa Ngày nay, khi các nguồn năng lượng ngày càng khan hiếm, thì việc khai thác được năng lượng mặt trời là điều được mọi người quan tâm

Hình 21

Để xác định thành phần trực xạ tới trên một mặt định hướng bất kì trên mặt đất, người

ta cần phải xác định giá trị thành phần năng lượng trực xạ tới bề mặt trên theo phương vuông góc với nó

Nếu gọi  là góc giữa tia tới có cường độ bức xạ I và pháp tuyến của bề mặt quan sát, thì thành phần tới của tia vuông góc với bề mặt sẽ là I.cos Góc tới  phụ thuộc vào nhiều thông số khác như vĩ độ ϕ của địa phương quan sát, độ xích vĩ mặt trời δ, góc phương vị γ, góc giờ của mặt trời ω, góc nghiêng  của mặt quan sát so với mặt nằm ngang …v.v Ta sẽ đi qua phần định nghĩa các góc này

1.2.1 Các góc mặt trời

a Vĩ độ (latitude angle) ϕ: là khoảng cách góc giữa điểm P Bắc (hay Nam) và xích đạo Nó là góc giữa đường OP và hình chiếu của OP trên mặt phẳng xích đạo Điểm O biểu diễn tâm trái đất

b Góc giờ (hour angle) ω: là góc được đo trong mặt phẳng xích đạo của trái đất giữa hình chiếu của và hình chiếu của đường nối tâm mặt trời và trái đất

c Độ xích vĩ mặt trời δ (sun’s declination) là khoảng cách góc giữa tia mặt trời Bắc (hay Nam) và xích đạo Nó là góc giữa đường kéo dài từ tâm mặt trời đến tâm trái đất và hình chiếu của đường thẳng này trên mặt phẳng xích đạo

Hình 22: Các góc Mặt trời

Góc δ có thể được xác định bằng công thức Cooper:

(1)

Trong đó: n là ngày của năm tính từ ngày 1 tháng 1 Ví dụ ngày 15/1 thì n = 15

d Góc thiên đỉnh Z(Zenith angle): là góc giữa các tia mặt trời và pháp tuyến của mặt phẳng nằm ngang ở P (đường kéo dài) Như vậy nó là góc tới trên mặt phẳng ngang

e Góc cao α (altitude angle): là góc trong mặt phẳng thẳng đứng giữa các tia mặt

về phương Đông lấy dấu âm và về phương Tây mang dấu dương Cần chú ý là một số tài liệu lấy dấu ngược lại

g Góc nghiêng  (slope): là góc giữa bề mặt và mặt phẳng nằm ngang

h Góc phương vị γc : là góc nằm trong mặt phẳng ngang được đo từ phương Nam đến hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng ngang

i Góc giờ mặt trời lặn

(2)

j Lúc này ta tính được góc tới  bằng công thức bên dưới:

cos = sinδ.sinϕ.cos – sinδ.cosϕ.sin.cosγc + cosδ.cosϕ.cos.cosω +

cosδ.sinϕ.sin.cosγc.cosω + cosδ.sin.sinγc.sinω (3)

Hình 23

b Bức xạ mặt trời từng giờ tổng tới một mặt phẳng ngang có định ngoài khí quyển

I0 được tính bằng công thức dưới đây

(4)

c Chỉ số quang mây giờ KT =

d Thành phần tán xạ giờ Id được tính từ công thức:

- Thứ nhất: giả thiết sự phân tán bức xạ mặt trời là phân tán thuận, do đó hầu hết bức xạ đều từ hướng mặt trời Nói cách khác, bức xạ được xem như tất cả là trực xạ, do đó R = Rb Giả thiết này phù hợp nhất vào các ngày quang mây

- Thứ hai: giả thiết thành phần khuếch tán là đẳng hướng, có nghĩa là được phân bố thống nhất trên bầu trời giả thiết này sử dụng vào những ngày có sương mù Lúc này Rd = 1

Từ đó ta tính được cường độ tổng xạ đến mặt phẳng nghiêng theo giờ:

1.2.3 Bộ thu năng lượng mặt trời

Để sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời khổng lồ, con người đã nghiên cứu và phát minh ra nhiều loại thiết bị gọi là bộ thu năng lượng mặt trời Có nhiều loại bộ thu dựa vào cấu tạo và mục đích sử dụng của chúng Ta sẽ nói qua các loại và đi sâu vào bộ thu ống chân không sẽ được dùng ở phần tính toán

a Bộ thu tấm phẳng

Hình 24

Hình 25

Sự hoạt động của bộ thu tấm phẳng dựa trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng

(9) Trong đó:

- H: năng lượng bức xạ tới trên một đơn vị diện tích bề mặt nằm ngang (W/m2)

- Rb: hệ số chuyển đổi từ mặt phẳng ngang sang mặt phẳng nghiêng

- Ac: diện tích bộ thu

- Qu: năng lượng có ích bộ thu nhận được

- Ql: năng lượng thất thoát ra môi trường xung quanh

- Qs: năng lượng để làm nóng các vật liệu của bộ thu

b Bộ thu ống chân không

Được sử dụng rộng rãi trong thập niên gần đây, bộ thu ống chân không vừa có ưu điểm

rẻ tiền, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hiệu quả sử dụng cao lại bền và dễ thay thế sửa chữa

Hình 26 Người ta có thể kết nối nhiều cụm nhỏ để tạo ra một hệ thống lớn, cung cấp cho nhu cầu nước nóng lớn ở nhà hàng, khách sạn…

Hình 27

c Bộ thu ống chân không dạng ống nhiệt

Hình 28

d Pin mặt trời

Hình 30

e Nhà máy điện mặt trời dạng collector tập trung

Hình 31

Hình 32

1.2.4 Bộ thu ống chân không

Ống chân không được làm từ hai ống kính trong suốt, phần ở giữa được hút hết không khí tạo ra môi trường chân không hoàn toàn để loại bỏ trao đổi nhiệt đối lưu

và dẫn nhiệt Vì thế ống chân không có nhiệt độ làm việc cao hơn và hiệu suất làm việc có thể lên tới 72%

Để duy trì độ chân không giữa hai ống kính người ta sử dụng chất thu khí barium Khi chế tạo các ống chân không chất thu khí này được đưa vào ở nhiệt độ cao hình thành lớp phủ barium ở đáy ống Lớp barium hấp thụ các khí CO, CO2, N2, O2, H2O và H2 ở ống chân không khi bảo quản và vận hành, giúp duy trì độ chân không trong ống Lớp barium cũng là chất chỉ thị cho tình trạng của ống chân

Hình 33

Hình 34

Để tính nhiệt lượng hữu ích của bộ thu, ta đi vào tính toán các thành phần sau

Dự tính nhiệt lượng trung bình vào mỗi ống (q, W/ống)

Tính các phần dưới đây, để ra được kết quả η1 và η2 , so sánh 2 kết quả này và chọn q làm sao để 2 kết quả này bằng nhau

𝐴𝑎 𝐼

- nhiệt độ trung bình trong bộ thu

- nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu

η0 = 0.536, a = 0.824, b = 0.0069

Từ nhiệt độ nước vào tra thông số vật lý của nước trên đường bão hòa

Hệ số Reynolds phụ thuộc vào đường kính ống

a0, a1, n lần lượt là hệ số quan hệ thứ 1, thứ 2 và thứ 3;

 - góc nghiêng của ống so với trục đứng;

L – chiều dài nhận nhiệt của ống;

Grd* - hệ số Grashof phụ ( dựa trên đường kính ống);

n – hệ số giãn nở nhiệt của nước

Qw – nhiệt lượng trung bình đi vào ống ( theo diện tích hấp thu)

Kn – độ dẫn nhiệt của nước;;

ϑ – độ nhớt động học;

Năng lượng hữu ích Qu:

Qu_bộ thu = qw.Ntube.As-tube

Trong đó:

As-tube – diện tích nhận bức xạ của mỗi ống

Ntube – số lượng ống

PHẦN 2 – TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHÔNG

Trong báo cáo này, ta lấy thông tin bức xạ mặt trời tại Tp.HCM để tính

Xét một bộ thu ống chân không như hình:

Hình 35 Lấy số liệu bộ thu theo ví dụ 3.2 trang 155 sách Giáo trình Năng lượng tái tạo & Sự phát triển bền vững ( Nguyễn Thế Bảo)

• Nhiệt độ nước vào thiết bị bằng nhiệt độ môi trường: tin = ta = 30.7°C

• Nhiệt độ các tầng trong bình chứa:

γ = 0°,  = 15°,  = 20°, ω = 30°

cos = cos.cos(ϕ-).cosω + sinϕ.sin(ϕ-) = 0.785

Rb = cos/cosz = 0,91 – hệ số chuyển đổi trực xạ

• Dự tính nhiệt lượng trung bình vào mỗi ống q = 57 W/ống

• Qu – Lượng nhiệt bộ thu hấp thụ được:

Qu = q.N = 57 x 18 = 1026 W

• Tra nhiệt độ nước vào tin và tính toán hệ số Reynold: Red = 166.4 Lưu lượng khối lượng qua mỗi ống:

m = 0.00232kg/s Nhiệt độ nước ra khỏi ống: t_out = 54.4°C

Ta lặp lại tính toán với q = 55 W

• Dự tính nhiệt lượng trung bình vào mỗi ống q = 55 W/ống

• Qu – Lượng nhiệt bộ thu hấp thụ được:

Qu = q.N = 55 x 18 = 990 W

• Tra nhiệt độ nước vào tin và tính toán hệ số Reynold: Red = 164

Lưu lượng khối lượng qua mỗi ống:

m = 0.00229kg/s Nhiệt độ nước ra khỏi ống: t_out = 54.31°C

𝜂 = 𝜂 + 𝑎 ̅ + 𝑏( ̅ ) = 51.9%

η0 = 0.536, a = 0.824, b = 0.0069

Như vậy, giữa hai hiệu suất chọn và thực tế có chênh lệch

Ta lặp lại tính toán với q = 53.4 W

• Qu – Lượng nhiệt bộ thu hấp thụ được:

Qu = q.N = 53.4 x 18 = 961.2 W

• Tra nhiệt độ nước vào tin và tính toán hệ số Reynold: Red = 162

Lưu lượng khối lượng qua mỗi ống:

m = 0.00226kg/s Nhiệt độ nước ra khỏi ống: t_out = 54.2°C

̅

• Lượng nhiệt thất thoát

 Theo bảng kết quả ta thấy, nếu tính theo định luật nhiệt động I hiệu suất cao nhưng tính theo exergy lại rất thấp, như vậy loại bộ thu ống chân không quả thật chỉ phù hợp lấy nhiệt để làm nóng nước

 Lý do hiệu suất exergy thấp là do bức xạ MT đến collector phân tán có mật độ dòng nhiệt thấp, nhiệt độ hấp thụ ở collector (lưu chất tải nhiệt) thấp, muốn tăng exergy cần phải tăng mật độ dòng nhiệt tới collector, ví dụ như dùng collector tập trung…

 Những yếu tố trong hệ thống có tính không thuận nghịch: nhiệt trở của quá trình truyền nhiệt do bức xạ từ MT tới collector, (khí quyển, mây, hơi nước bụi, các lớp kính collector), nhiệt trở của collector, nhiệt trở dẫn nhiệt, đối lưu…

 Khi đánh giá hiệu quả năng lượng của một quá trình cần quan tâm cả số lượng và chất lượng lựa chọn nguồn năng lượng phù hợp với nhu cầu sử dụng