Nghiên cứu mô phỏng số và mô phỏng bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc Nghiên cứu mô phỏng số và mô phỏng bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc Nghiên cứu mô phỏng số và mô phỏng bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc
TỔNG QUAN
Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan
1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta
Nhu cầu sử dụng năng lƣợng trên thế giới:
* Tình hình năng lƣợng thế giới:
Vào đầu thế kỷ 21, thế giới đang đối mặt với nhiều thách thức, trong đó khủng hoảng năng lượng là vấn đề cấp bách nhất Dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) cho thấy, từ năm 2001 đến 2025, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu có thể tăng 54%, từ 404 nghìn triệu triệu Btu lên 623 nghìn triệu triệu Btu Nhu cầu năng lượng chủ yếu sẽ tập trung ở các quốc gia đang phát triển mạnh mẽ như Trung Quốc và Ấn Độ.
Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lƣợng của thế giới từ 1970-2025 ( đơn vị nghìn triệu triệu Btu)[1]
Hình 1.2 Tiêu thụ năng lƣợng phân theo khu vực, từ 1970-2015 (đơn vị nghìn triệu triệu
Hình 1.3 So sánh diễn biến giá dầu thế giới năm 2003-2004[1]
Sự gia tăng dân số nhanh chóng và tốc độ đô thị hóa mạnh mẽ trên toàn cầu đang tạo ra áp lực lớn đối với nhu cầu năng lượng Từ năm 1993, dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5 tỷ người lên gần 7,3 tỷ người vào năm 2015.
Vài nét chung về nhu cầu năng lƣợng của thế giới:
Trong bối cảnh năng lượng toàn cầu, có ba điểm quan trọng cần lưu ý: Thứ nhất, nhu cầu năng lượng thế giới đã tăng đều đặn trong hơn 20 năm qua Thứ hai, cho đến năm 2015, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm tới 90% tổng nhu cầu Cuối cùng, nhu cầu năng lượng của từng khu vực trên thế giới có sự khác biệt rõ rệt.
Hình 1.4 Mức tiêu thụ các nguồn năng lƣợng của thế giới 1970-2025 (đơn vị nghìn triệu triệu
Theo dự báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng năm 2004, nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang tăng nhanh chóng, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch trên thế giới đang dần cạn kiệt Các vấn đề môi trường phát sinh từ quá trình khai thác năng lượng đã thúc đẩy việc khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo nhằm giảm ô nhiễm và bảo vệ nguồn tài nguyên Tuy nhiên, do thiếu các điều luật cụ thể, dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên vẫn được xem là nguồn nhiên liệu chính để đáp ứng nhu cầu năng lượng, điều này có thể dẫn đến sự cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên trong tương lai.
Nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ từ năm 1970 đến 2025, với sự phụ thuộc lớn vào năng lượng hóa thạch Hình ảnh minh họa dưới đây cho thấy tình hình tiêu thụ năng lượng theo nguồn gốc Tuy nhiên, sự gia tăng này đi kèm với ô nhiễm môi trường, góp phần vào biến đổi khí hậu, một vấn đề đang thu hút sự chú ý của toàn thế giới.
Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lƣợng thay thế cho nguồn năng lƣợng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách
Hình 1.5 Lƣợng khí thải CO 2 sinh ra do sử dụng năng lƣợng hóa thạch[1]
Theo dự báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng năm 2004, nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang gia tăng nhanh chóng, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Những vấn đề môi trường phát sinh từ khai thác năng lượng đã thúc đẩy việc sử dụng các nguồn năng lượng thay thế để giảm ô nhiễm và bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên Tuy nhiên, do thiếu các quy định cụ thể, dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên vẫn được sử dụng chủ yếu để đáp ứng nhu cầu năng lượng, dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch trong tương lai gần Hình ảnh dưới đây minh họa tình hình tiêu thụ năng lượng toàn cầu theo từng nguồn từ năm 1970 đến 2025, cho thấy sự gia tăng mạnh mẽ trong nhu cầu năng lượng cùng với các vấn đề ô nhiễm môi trường.
Biến đổi khí hậu là một vấn đề cấp bách đang thu hút sự chú ý toàn cầu Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.
Hình 1.6 Tiêu thụ năng lƣợng thế giới theo nguồn năng lƣợng 1970-2025
( đơn vị nghìn triệu triệu Btu)[1]
Hình 1.7 Biểu đồ tiêu thụ năng lƣợng thế giới của các nguồn năng lƣợng (%)[1]
Nhu cầu sử dụng năng lƣợng tại Việt Nam [1]:
Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên có thể cạn kiệt trước thế giới trong vài thập kỷ tới Các chuyên gia kinh tế năng lượng dự báo rằng trước năm 2020, Việt Nam sẽ cần nhập khẩu khoảng 12%-20% năng lượng.
Đến năm 2050, nguồn năng lượng tái tạo có thể chiếm từ 50% đến 60% tổng năng lượng, chưa kể đến điện hạt nhân Hiện tại, hệ thống điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Mặc dù thủy điện có tiềm năng phát triển, nhưng nó lại phụ thuộc vào thời tiết và có thể gây ra những biến đổi tiêu cực đến môi trường nếu phát triển quá mức Điện hạt nhân vẫn đang trong giai đoạn chuẩn bị Trong bối cảnh này, sự thiếu hụt điện hoặc sự gia tăng giá xăng có thể gây ra những tác động xấu ngay lập tức đến nền kinh tế.
Mặc dù là một quốc gia đang phát triển, Việt Nam vẫn hòa nhập vào xu hướng toàn cầu Dự báo rằng đến năm 2020, nhu cầu năng lượng trung bình sẽ đạt khoảng 53.6 triệu TOE, trong đó nhu cầu điện dự kiến lên tới 168 tỷ kWh.
1.1.2 Nhu cầu sử dụng bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam
Nhu cầu sử dụng bộ thu gia nhiệt không khí bằng năng lượng mặt trời để sấy sản phẩm nông nghiệp và thủy hải sản tại Việt Nam đang gia tăng mạnh mẽ Ngoài ra, các ngành công nghiệp như gốm, gỗ, thủ công mỹ nghệ và điện tử cũng đang tiêu thụ nhiều nhiên liệu cho quá trình phơi sấy hàng hóa.
Nhu cầu sử dụng không khí nóng trong sinh hoạt và sản xuất ngày càng tăng, nhưng nguồn năng lượng chủ yếu cho quá trình gia nhiệt vẫn là điện năng và năng lượng hóa thạch Gần đây, nhiều cơ sở sản xuất đã bắt đầu ứng dụng năng lượng mặt trời vào quá trình sấy Trong tương lai, dự kiến sẽ có nhiều dự án lớn lắp đặt bộ thu không khí năng lượng mặt trời để phục vụ cho sản xuất.
1.1.3 Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới
Nghiên cứu của Jianjun Hu và cộng sự cho thấy việc sử dụng các tấm chắn bên trong trong bộ thu không khí năng lượng mặt trời thông khí bằng cơ học có khả năng tăng cường quá trình truyền nhiệt đối lưu Kết quả cho thấy rằng các tấm ngăn này không chỉ giảm thiểu sự mất nhiệt bức xạ mà còn cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống với lưu lượng thể tích trong khoảng 20%.
Trong nghiên cứu này, hiệu suất tối ưu đạt khoảng 63% với lưu lượng 40 m³/h.m² và sử dụng 4 tấm chắn Phương pháp này có thể được áp dụng cho nhiều vị trí địa lý khác nhau.
Hình 1.8 Bộ thu kiểu tấm chắn ngang
Cai-hua Liang và cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt không khí năng lượng mặt trời để sưởi ấm các tòa nhà Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của diện tích bộ thu năng lượng mặt trời đến hoạt động của hệ thống tại Nam Kinh Kết quả cho thấy, hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt tăng theo tỷ lệ với diện tích bộ thu năng lượng mặt trời Cụ thể, khi diện tích thu năng lượng mặt trời đạt 40 m², hệ thống công suất 10 kW có thể tiết kiệm đến 24% năng lượng so với trường hợp không sử dụng bộ thu.
Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là quốc gia nông nghiệp hàng đầu, nổi bật với việc xuất khẩu gạo, cà phê, điều và hồ tiêu Với bờ biển dài hơn 3200 km, đất nước này sở hữu nguồn hải sản phong phú, bao gồm nhiều đặc sản quý như tôm, cua và mực Nhu cầu phơi sấy để bảo quản nông sản và thủy hải sản đang gia tăng, tuy nhiên, giá trị các sản phẩm này vẫn còn thấp do người dân chủ yếu áp dụng phương pháp phơi khô thủ công và xuất khẩu thô.
Biến đổi khí hậu đang diễn ra phức tạp, với nhiệt độ trái đất gần đạt ngưỡng nguy hiểm, điều này thúc đẩy xu hướng sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng Trước tình hình khủng hoảng năng lượng hiện nay, việc khai thác các nguồn năng lượng sạch như gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều và sinh khối trở nên bức thiết Công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháp hiệu quả, với nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch, miễn phí, chi phí bảo dưỡng thấp và an toàn cho người sử dụng.
20 không quá cao, hơi ẩm đƣợc đƣa ra khỏi sản phẩm từ từ, an toàn cho chất lƣợng sản phẩm
Việt Nam, với lợi thế nằm trong dải phân ánh mặt trời nhiều nhất trên thế giới, có khả năng khai thác năng lượng mặt trời để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống Năng lượng mặt trời hiện được ứng dụng rộng rãi trong việc gia nhiệt không khí cho sưởi ấm, sấy, chưng cất nước và làm lạnh Do đó, nâng cao hiệu suất thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời thông qua mô hình hóa và cải tiến thiết bị đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu hiện nay.
Trong bối cảnh công nghệ phát triển mạnh mẽ, mô phỏng số đang trở thành công cụ quan trọng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong ngành kỹ thuật nhiệt Nhu cầu nghiên cứu các đề tài phức tạp với chi phí cao và yêu cầu độ chính xác cao đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải sử dụng phần mềm mô phỏng toán học và vật lý để giải quyết các bài toán truyền nhiệt Để nâng cao hiệu suất bộ thu không khí năng lượng mặt trời phục vụ cho quá trình sấy, tác giả đã quyết định nghiên cứu và tối ưu hóa hiệu suất thu hồi nhiệt của thiết bị này Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc” được chọn nhằm đóng góp vào các nghiên cứu trước đó và phát triển các phương pháp hiệu quả hơn trong lĩnh vực này.
Mục đích của đề tài
Mục đích của nghiên cứu này là mô phỏng số và thực nghiệm một bộ thu không khí mặt trời có vách sóng dọc bên trong, nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi nhiệt Bộ thu không khí năng lượng mặt trời này được thiết kế để phục vụ cho quá trình sấy ở khoảng nhiệt độ thấp, từ 40 độ C trở lên.
Nhiệm vụ , đối tƣợng và giới hạn của đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc
Bài viết kiểm tra và so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm về quá trình trao đổi nhiệt của bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc Từ đó, tác giả đưa ra nhận xét và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi nhiệt của bộ thu này.
Quá trình trao đổi nhiệt của bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc
Bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc bên trong
1.4.3 Giới hạn của đề tài
Nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt của bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Các yếu tố này bao gồm thiết kế cấu trúc, lưu lượng không khí và điều kiện môi trường, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình thu nhiệt Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời trong các ứng dụng thực tiễn.
Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào bộ thu tấm phẳng, mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt của bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc và chế tạo mô hình thực nghiệm Khu vực ứng dụng nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.
1.5 Phương pháp tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Mô hình hóa lý thuyết bộ thu
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics 5.2a và kiểm tra trên mô hình thực nghiệm
Phương pháp tổng quan:Tổng quan các bài báo khoa học liên quan từ đó đưa ra các nhận xét
Phương pháp tính toán lý thuyết
Phương pháp số: Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics 5.2a
Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập mô hình thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm
Phương pháp phân tích so sánh: Phân tích và so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan chung về nguồn năng lƣợng mặt trời
Mặt trời, ngôi sao trung tâm của Thái Dương Hệ, có khối lượng gấp 332.900 lần trái đất, tạo ra nhiệt độ và mật độ cao tại lõi để diễn ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, từ đó giải phóng năng lượng khổng lồ Năng lượng này chủ yếu phát tán vào không gian dưới dạng bức xạ điện từ, với phổ ánh sáng khả kiến từ 400 đến 700 nm Là một sao nhóm I, mặt trời chứa nhiều nguyên tố nặng, và sự hình thành của nó có thể bắt nguồn từ các sóng chấn động của một hoặc nhiều siêu tân tinh lân cận.
Lý thuyết này đề xuất rằng sự phong phú của các nguyên tố nặng như vàng và uranium trong hệ mặt trời có thể xác định loại sao Những ngôi sao chứa nhiều nguyên tố nặng sẽ được phân loại vào nhóm sao đặc biệt.
Các nguyên tố nặng, được hình thành chủ yếu từ các phản ứng hạt nhân trong quá trình hình thành sao siêu mới hoặc qua sự hấp thụ neutron trong các ngôi sao lớn thế hệ hai, đóng vai trò quan trọng trong vũ trụ Cấu trúc của mặt trời không có ranh giới rõ ràng; mật độ khí giảm dần theo hàm mũ khi di chuyển ra xa từ tâm.
Cấu trúc bên trong của mặt trời được xác định rõ ràng, với bán kính được đo từ tâm tới cạnh ngoài quang quyển, nơi khí quá lạnh hoặc quá mỏng không thể bức xạ ánh sáng đáng kể, tạo thành bề mặt dễ quan sát nhất bằng mắt thường Mặc dù phần bên trong mặt trời không thể quan sát trực tiếp do nó chắn bức xạ điện từ, ngành nhật chấn học sử dụng sóng ngoại âm đi xuyên qua để đo và hình dung cấu trúc bên trong của ngôi sao, tương tự như cách địa chất học sử dụng sóng từ động đất để nghiên cứu cấu trúc Trái Đất.
Mô hình máy tính về mặt trời cũng sử dụng một công cụ lý thuyết để xác định các lớp bên trong của nó
Hình 2.1 Mặt cắt ngang mặt trời
Lõi của mặt trời chiếm khoảng 0,2 đến 0,25 bán kính của nó, với mật độ lên tới 150g/cm³, gấp 150 lần mật độ nước trên trái đất, và nhiệt độ gần 13.600.000 độ K, trong khi nhiệt độ bề mặt chỉ khoảng 5.800 K Phân tích gần đây cho thấy lõi tự quay nhanh hơn vùng bức xạ Trong hầu hết vòng đời của mặt trời, năng lượng được sinh ra chủ yếu từ phản ứng tổng hợp hạt nhân qua chu trình p–p, biến đổi hydro thành heli, trong khi chỉ dưới 2% heli được tạo ra từ chu trình CNO Lõi là khu vực duy nhất trong mặt trời sản sinh ra nhiệt đáng kể thông qua phản ứng tổng hợp, trong khi phần còn lại của ngôi sao được đốt nóng nhờ năng lượng truyền ra từ lõi.
Năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của mặt trời phải trải qua nhiều lớp trước khi thoát ra ngoài không gian dưới dạng ánh sáng mặt trời hoặc động năng của các hạt Tốc độ của phản ứng này phụ thuộc chủ yếu vào mật độ và nhiệt độ tại lõi, nơi mà các phản ứng diễn ra trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt.
Quá trình cân bằng tự điều chỉnh trong lõi mặt trời diễn ra thông qua việc điều chỉnh tốc độ phản ứng hạt nhân Nếu tốc độ phản ứng tăng lên, lõi sẽ nóng lên và hơi sẽ mở rộng, làm giảm tốc độ phản ứng để ổn định lại trạng thái Ngược lại, nếu tốc độ phản ứng giảm, lõi sẽ lạnh đi và hơi co lại, dẫn đến việc tăng tốc độ phản ứng trở lại mức ban đầu Các photon năng lượng cao (tia gamma) được phát ra trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ bị hấp thụ trong plasma mặt trời ở độ sâu vài milimét và sau đó được tái phát xạ ngẫu nhiên với năng lượng thấp, điều này khiến thời gian để bức xạ đạt đến bề mặt mặt trời trở nên kéo dài.
Thời gian di chuyển của photon từ lõi mặt trời đến bề mặt quang quyển ước tính từ 10.000 đến 170.000 năm Sau khi ra khỏi lớp đối lưu bên ngoài, các photon thoát ra dưới dạng ánh sáng khả kiến Trong khi đó, các neutrino, được sinh ra từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi mặt trời, hiếm khi tương tác với vật chất và hầu như thoát ra ngay lập tức Trong nhiều năm, số lượng neutrino đo được từ mặt trời thấp hơn dự đoán lý thuyết khoảng 3 lần, nhưng sự không nhất quán này đã được giải quyết nhờ khám phá các hiệu ứng dao động neutrino.
Trong quá trình phản ứng, mặt trời mất khoảng 4 triệu tấn khối lượng mỗi giây, nhưng trạng thái của nó sẽ không thay đổi trong hàng tỷ năm tới Hàng ngày, mặt trời sản xuất năng lượng lên tới 9 x 10^24 kWh thông qua phản ứng nhiệt hạch, cho thấy nguồn năng lượng mặt trời là vô tận, sẵn có và có trữ lượng khổng lồ.
2.1.2 Nguồn bức xạ mặt trời
Trong tổng thể bức xạ mặt trời, chỉ có khoảng 3% là liên quan đến các phản ứng hạt nhân diễn ra trong nhân mặt trời Bức xạ gamma ban đầu khi xuyên qua khoảng cách 5.105 km.
Bức xạ điện từ từ mặt trời trải qua sự biến đổi mạnh mẽ khi đi ra khỏi tâm mặt trời, với bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các dạng bức xạ Khi năng lượng giảm do va chạm và tán xạ, bước sóng chuyển thành bước sóng rơnghen dài hơn Gần bề mặt mặt trời, nơi có nhiệt độ đủ thấp để vật chất tồn tại ở trạng thái nguyên tử, các cơ chế khác bắt đầu hoạt động Đặc trưng của bức xạ điện từ ngoài mặt trời là phổ rộng, với cường độ bức xạ tối đa nằm trong khoảng 10^-1 - 10 μm, và gần một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong vùng bước sóng 0.38 - 0.78 μm, tương ứng với vùng nhìn thấy của phổ.
Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ mặt trời, trong khi tổng xạ là sự kết hợp giữa bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ bên ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ, theo công thức [27].
Q= φ D-T C o (t/100) 4 (2.1) Với θ D-T : Hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời
Hình 2.2 Góc nhìn mặt trời
Khi tia bức xạ đi qua khí quyển, chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzon, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được trái đất Oxy phân tử O2 phân ly thành oxy nguyên tử O khi tiếp xúc với photon có bước sóng ngắn hơn 0,18 μm, dẫn đến việc hấp thụ hoàn toàn năng lượng Phần lớn các nguyên tử oxy tương tác với nhau để tạo thành phân tử ozon O3, mặc dù ôzôn hấp thụ bức xạ tử ngoại với mức độ thấp hơn oxy Dưới tác động của photon có bước sóng ngắn hơn 0,32 μm, ozon sẽ phân tách thành O2 và O.
Toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại chủ yếu được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp chất của O, O2 và O3, tạo ra một quá trình ổn định Khi bức xạ tử ngoại đi qua khí quyển, nó sẽ biến đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn.
Bức xạ với bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và hạt bụi trong không khí mà không làm phá vỡ các liên kết của chúng Các photon này bị tán xạ đều theo mọi hướng, trong đó một số quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ tán xạ chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn, tạo ra màu xanh lam của bầu trời trong sáng mà chúng ta có thể quan sát ở độ cao không lớn Ngoài ra, các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ mặt trời Khi đi qua khí quyển, bức xạ mặt trời còn gặp phải sự hấp thụ đáng kể từ các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, với mức độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở vùng giữa hồng ngoại Trong những ngày quang đãng, bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất đạt khoảng 1000 W/m² vào thời điểm cao nhất.
Lý thuyết về năng lƣợng bức xạ mặt trời
2.2.1Tính toán năng lƣợng mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào góc nghiêng của tia sáng và độ dài đường đi của chúng trong khí quyển, liên quan đến độ cao của mặt trời Yếu tố chính xác định cường độ bức xạ tại một điểm cụ thể là quãng đường mà tia sáng đi qua, trong đó sự mất mát năng lượng do tán xạ và hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý Mối quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể được xác định bằng một phương trình cụ thể.
Trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm
2.2.2 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Hệ số khối không khí m là tỷ lệ giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng, tức là khi mặt trời ở vị trí thiên đỉnh.
Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự sự phát tán của bầu khí quyển
Tổng xạ là tổng hợp của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt, thường được đề cập đến là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, hay còn gọi là bức xạ cầu trên bề mặt.
Cường độ bức xạ (W/m²) là thước đo năng lượng bức xạ mặt trời chiếu đến một bề mặt, tính trên mỗi đơn vị diện tích Thông số này phản ánh mức độ năng lượng mà bề mặt nhận được từ ánh sáng mặt trời.
29 cường độ bức xạ trực xạ E trx , cường độ bức xạ tán xạ E tx và cường độ bức xạ quang phổ E qp
Năng lƣợng bức xạ (J/m 2 ): là năng lƣợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian
Giờ mặt trời là thời gian được xác định dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời Theo quy ước, giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mà mặt trời đạt đến thiên đỉnh của người quan sát.
Góc vĩ độ là vị trí góc tương ứng với vĩ độ Bắc hoặc Nam so với đường xích đạo của Trái Đất, trong đó hướng Bắc được coi là hướng dương.
Góc nghiêng : góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang:
( >90 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)
Góc phương vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến:
Góc giờ mặt trời là góc chuyển động của mặt trời theo hướng đông hoặc tây so với kinh tuyến địa phương, do quá trình trái đất quay quanh trục của nó Mỗi giờ tương ứng với giá trị 15 độ, trong đó buổi sáng được tính là (-) và buổi chiều là (+).
Góc tới là góc giữa tia bức xạ và pháp tuyến của bề mặt, trong khi góc thiên đỉnh z là góc giữa phương thẳng đứng và tia bức xạ tới Đối với bề mặt nằm ngang, góc thiên đỉnh tương đương với góc tới.
Góc cao mặt trời : góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh
Góc phương vị là góc nằm trong mặt phẳng ngang, được đo từ trục phương Nam đến hình chiếu trên mặt phẳng ngang của tia mặt trời Nếu hình chiếu lệch về phía đông, góc này sẽ có dấu (-), trong khi nếu lệch về phía tây, nó sẽ có dấu dương.
Góc lệch là vị trí của mặt trời so với giờ mặt trời, được xác định là 12 giờ trên mặt phẳng xích đạo của Trái Đất, với hướng Bắc là hướng dương.
-23.45 0 23.45 0 Góc lệch có thể tính toán theo phương trình Cooper [27]:
) (2.3) Trong đó n là thứ tự ngày của 1 năm
Hình 2.3 Các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa góc tới và các góc khác nhƣ sau:
Cosθ = sin sinθ.cos - sinδ cos sin β cos +cos cos cos cos
+ cos sin sin cos cos + cos sin sin sin
Và cos = cos z cos + sin z sin cos( s - )
Trong đó: cos z = cos cos cos + sin sin
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang:
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển
Lý thuyết tính toán bộ thu
được xác định theo phương trình[27]:
) cos z Năng lƣợng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày [27]:
Với z là góc giờ mặt trời lặn (tức là góc giờ khi z = 90 0 ) cos z = -
Năng lƣợng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể đƣợc xác định [27]:
2.3 Lý thuyết tính toán collector
2.3.1 Kết cấu bộ thu tấm phẳng gia nhiệt không khí
Bộ thu phẳng gia nhiệt không khí, hay còn gọi là bộ thu không khí, hoạt động dựa trên nguyên lý cấu tạo gồm tấm kính đậy, tấm hấp thụ, kênh dẫn khí và đáy cách nhiệt.
Bộ nung không khí được cấu tạo với các kênh dẫn có thể đặt ở nhiều vị trí khác nhau: a-nằm giữa tấm hấp thụ và đáy cách nhiệt; b-nằm giữa kính và tấm hấp thụ; c-nằm hai bên tấm hấp thụ Các hình dạng và cấu tạo của tấm hấp thụ cũng được thể hiện qua các hình d, e, f.
Kênh dẫn có thể được bố trí theo nhiều cách khác nhau, bao gồm việc đặt kênh dẫn giữa tấm hấp thụ và đáy cách nhiệt, giữa kính và tấm hấp thụ gần đáy, hoặc chia đôi tấm hấp thụ để tạo ra hai kênh dẫn song song giữa kính và đáy.
Tấm hấp thụ bức xạ Mặt Trời có nhiều dạng như phẳng, có cánh hoặc rãnh chữ Z để tăng diện tích hấp thụ Kênh dẫn thường có tiết diện hình chữ nhật, kích thước từ 0,015 x 0,020 m đến 1,00 m, với chiều dài từ 2 đến 5 m tùy theo yêu cầu nhiệt độ đầu ra Đáy và thành kênh dẫn thường dày từ 5 đến 7 cm, làm bằng bọt xốp ethylen hoặc bông thủy tinh Tấm hấp thụ được chế tạo từ kim loại như thép, nhôm hoặc đồng, dày từ 0,3 đến 0,5 mm và được phủ lớp sơn hấp thụ chọn lọc Kính đậy có độ dày 4 đến 5 mm, thường là kính xây dựng đã qua xử lý nhiệt để giảm nội ứng suất và có hàm lượng oxit sắt thấp, với hệ số truyền qua từ 0,88 đến 0,90 Dòng khí trong kênh dẫn có thể sử dụng phương pháp đối lưu cưỡng bức hoặc đối lưu tự nhiên.
2.3.2 Tính toán nhiệt bộ thu tấm phẳng
Khảo sát chi tiết quá trình xảy ra trong khoảng không gian giữa tấm hấp thụ và tấm kính phủ dưới cùng:
Hình 2.5 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa tấm kính phủ và tấm hấp thụ
Khi một tia bức xạ đi qua các tấm kính phủ với hệ số truyền qua và chiếu vào tấm hấp thụ có hệ số hấp thụ, tấm hấp thụ sẽ hấp thụ một lượng năng lượng xác định Phần còn lại sẽ bị phản xạ ngược về phía đáy tấm kính phủ cuối cùng, rồi lại phản xạ trở về tấm hấp thụ, tiếp tục nhận thêm năng lượng Quá trình này lặp lại nhiều lần cho đến khi không còn năng lượng nào được hấp thụ Tổng số lần hấp thụ trên tấm hấp thụ có thể được tính bằng công thức [27].
Tính năng lƣợng bức xạ hấp thụ
Năng lƣợng bức xạ chiếu tới gồm ba thành phần: trực xạ, tán xạ và phản xạ mặt đất
Bức xạ tổng trên mặt phẳng nằm nghiêng [27]:
Trong đó: ρD: hệ số phản xạ từ mặt đáy của tấm phủ cuối cùng ρ G : hệ số phản xạ mặt đất α: hệ số hấp thụ của bề mặt hấp thụ
: góc nghiêng bộ thu η: hệ số xuyên qua của tấm phủ trong suốt
(ηα) G : hệ số hấp thụ - xuyên qua của thành phần phản xạ
(ηα) B : hệ số hấp thụ - xuyên qua của thành phần trực xạ
(ηα)D: hệ số hấp thụ - xuyên qua của thành phần tán xạ
I B : trực xạ trên mặt phẳng nằm ngang
I D : tán xạ trên mặt phẳng nằm ngang
R B : hệ số chuyển đổi thành phần trực xạ từ mặt phẳng nằm ngang sang mặt phẳng
Có thể tính gần đúng:( ) = 1,01
Tính hệ số hấp thụ :
Theo Brandemuehl và Beckman (1980) có tính góc tới hiệu dụng cho thành phần tán xạ từ bầu trời e,D và thành phần phản xạ mặt đất e,G e,D = 59,68 – 0,1388 + 0,001497 2 e,G = 90 – 0,5788 + 0,002693 2
Tính thành phần trực xạ:
Tính cho thành phần tán xạ:
Tính cho thành phần phản xạ mặt đất:
Trong đó: e : góc tới hiệu dụng n: hệ số hấp thụ tại góc tới hiệu dụng
Tính hệ số xuyên qua :
Hình 2.6 Quy ƣớc các góc
Hệ số khúc xạ: Đối với kính trong suốt, có thể lấy n = 1,526
Các thành phần song song và vuông góc của bức xạ phản xạ:
Hệ số phản xạ vuông góc:
Hệ số phản xạ song song:
Nếu bộ thu có n k tấm kính phủ thì r đƣợc tính nhƣ sau:
Hệ số xuyên qua có kể đến hấp thụ:
Lấy K = 4m -1 nếu kính chất lƣợng thấp
K = 32m -1 nếu kính chất lƣợng cao
Hệ số truyền qua – hấp thụ của thành phần trực xạ:
Hệ số truyền qua – hấp thụ của thành phần tán xạ:
Hệ số truyền qua – hấp thụ của thành phần phản xạ mặt đất:
Tính tổn thất năng lƣợng của bộ thu
Tổn thất năng lƣợng từ bộ thu [27]:
Với: U L : hệ số tổn thất nhiệt toàn phần (W/m 2 K)
T p : nhiệt độ tấm hấp thụ ( )
T a : nhiệt độ môi trường xung quanh ( )
Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần đƣợc tính: U L = U t + U b + U e
Trong đó: U t : hệ số tổn thất nhiệt qua mặt trên (W/m 2 K)
U b : hệ số tổn thất nhiệt qua mặt đáy (W/m 2 K)
U e : hệ số tổn thất nhiệt qua mặt bên (W/m 2 K)
Hình 2.7 Mạng lưới nhiệt trở trong bộ thu tấm phẳng
Tính tổn thất nhiệt từ mặt trên bộ thu:
Trong điều kiện ổn định, nhiệt lƣợng truyền từ tấm hấp thụ đến tấm kính phủ cũng bằng năng lượng truyền từ kính phủ ra bên ngoài môi trường
Nhiệt lượng được truyền từ bề mặt tấm hấp thụ có nhiệt độ T p đến tấm kính phủ với nhiệt độ T g, sau đó từ tấm kính phủ ra môi trường xung quanh có nhiệt độ T a thông qua hai cơ chế chính là đối lưu và bức xạ.
Trong đó: h c,p-g : hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ tấm hấp thụ đến tấm kính phủ
(W/m 2 K) ζ = 5,67.10 -8 W/m 2 K 4 hằng số Stefan - Boltzamann εp: hệ số phát xạ của tấm hấp thụ ε g : hệ số phát xạ của tấm kính phủ Đối với góc nghiêng β ≤ 60 0 , hc,p-g đƣợc tính theo Hollands:
Gọi là độ lệch collector
Tiêu chuẩn Nusselt đƣợc tính [27]:
Trong đó: Ra là tiêu chuẩn Rayleigh [27]:
L: khoảng cách từ tấm hấp thụ đến tấm kính phủ (m) k: hệ số dẫn nhiệt của chất lưu (W/m.K)
Ra: tiêu chuẩn Rayleigh g: gia tốc trong trường (m/s 2 ) β’=1/T : hệ số giãn nở vì nhiệt (1/K)
Pr: tiêu chuẩn Prandtl υ: độ nhớt động học (m 2 /s)
Các thông số tra theo nhiệt độ trung bình T = (T p +T g )/2 ( ), với lưu chất là không khí
Nếu bộ thu đặt thẳng đứng, Nu đƣợc tính theo Shewen (1996) [27]:
Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ đƣợc tính [27]:
Tổn thất nhiệt từ tấm kính phủ ra môi trường xung quanh [27]:
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ kính phủ đến môi trường xung quanh do gió được ký hiệu là h c,g-a, trong khi đó, hệ số bức xạ từ kính phủ đến môi trường xung quanh được ký hiệu là h r,g-a.
Nhiệt trở tổng ở mặt trên bộ thu [27]:
Tổn thất nhiệt từ đỉnh của collector [27]:
Trong trường hợp collector có hai tấm phủ thì tổn thất nhiệt sẽ giảm
Trong đó tổn thất nhiệt từ tấm phủ thứ nhất đến tấm thứ hai đƣợc tính nhƣ sau:
Hệ số bức xạ nhiệt đƣợc tính nhƣ sau:
Với εg 1 và εg 2 là hệ số phát xạ của lớp kính phủ thứ nhất và thứ hai
Ta có thể tính tổn thất nhiệt qua mặt trên của bộ thu có n tấm kính phủ theo công thức của Klein (1975) [27]:
Tổn thất nhiệt từ đáy của bộ thu [27]:
(Bỏ qua tổn thất nhiệt do bức xạ)
Trong đó: t b : bề dày lớp cách nhiệt (m)
41 k b : hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt (W/m.K) h c,b-a : hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt dưới đến môi trường (W/m 2 K)
Tổn thất nhiệt từ mặt bên được xác định bởi bề dày lớp cách nhiệt (t e) tính bằng mét, hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt (k e) tính bằng watt trên mét nhân độ Kelvin (W/m.K), và hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ mặt bên đến môi trường (h c,e-a) tính bằng watt trên mét vuông nhân độ Kelvin (W/m²K).
Thường U e có giá trị nhỏ hơn U t và U b nhiều nên trong tính toán có thể bỏ qua
Hiệu suất của bộ thu đƣợc định nghĩa nhƣ sau [28]:
Phương trình cân bằng năng lượng được viết như sau [28] :
H : năng lƣợng bức xạ đến bộ thu trên một đơn vị diện tích bề mặt nằm ngang ( W/m 2 )
R b : hệ số chuyển đổi từ mặt phẳng nằm ngang sang mặt phẳng nằm nghiêng
A c : diện tích của bộ thu tấm phẳng (m 2 )
Q U , Q L và Q S tương ứng với năng lượng có ích, năng lượng tổn thất và năng lượng tích trữ loại vật liệu cấu tạo bộ thu, ( W)
Trong nghiên cứu này, năng lƣợng có ích đƣợc tính nhƣ sau [28] :
Trong đó, F R là hệ số dịch chuyển nhiệt bộ thu;
( ) là tích số truyền-hấp thụ;
T out : nhiệt độ đầu ra không khí, ;T in : nhiệt độ đầu vào không khí, ;
Ta : Nhiệt độ môi trường xung quanh, ;
UL : Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của bộ thu, W/m2.K
Để tối ưu hóa hiệu suất bộ thu, cần tăng nhiệt lượng có ích (QU) và giảm tổn thất nhiệt (QL) Việc tăng lưu lượng không khí (m) qua bộ thu giúp giảm tổn thất nhiệt do đối lưu và bức xạ từ tấm hấp thụ ra môi trường, tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc giảm nhiệt độ không khí đầu ra Do đó, việc kiểm soát lưu lượng qua bộ thu là cần thiết để đảm bảo nhiệt độ đầu ra phù hợp với mục đích ứng dụng của đề tài.
