Ứng dụng phát điện dùng năng lượng mặt trời

Nội dung text: Ứng dụng phát điện dùng năng lượng mặt trời

1. ỨNG DỤNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Đoàn Hữu Liêm Trường Đại học Tiền Giang TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu một ứng dụng phát điện dùng năng lượng mặt trời. Hệ thống trên biến đổi năng lượng mặt trời thành cơ năng để chạy máy phát điện thông qua một gương cầu parabol hội tụ năng lượng bức xạ mặt trời để đốt nóng cho động cơ đốt ngoài Stirling đặt tại tiêu điểm của gương. Trong nghiên cứu này, gương parabol có đường kính khoảng 1,5 m. Động cơ Stirling loại beta, dung tích khoảng 600 cm3, môi chất công tác là không khí, sử dụng cơ cấu truyền động hình thoi. Theo kết quả tính toán ban đầu, công suất của hệ thống đạt 22,82 W và hiệu suất nhiệt đạt 21,87 %. ABSTRACT This article introduces a generatorapplication using solar energy.This system transforms the solar energy to mechanical energy to operate a generator via a parabolic mirror concentrating solar radiation energy to heat the external combustion Stirling engine placed at the focal point of the mirror. In this study, the parabolic mirror diameter is 1.5 m.The Stirling engines is a beta type with a volume of 600 cm3, using air working fluid and a rhombic drive mechanism.According to the initial result, the system poweris22.82 W and thethermal efficiency is 21.87 %. 1. GIỚI THIỆU Ðộng cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài có thể liên tục chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Động cơ Stirling có thể hoạt động được với nhiều loại nguồn nhiệt như: than, củi, xăng, dầu hỏa, gas, Ðặc biệt, động cơ Stirling có thể hoạt động với năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượng sạch và vô tận.Nguyên lý của hệ thống phát điện dùng động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời được sơ đồ hóa trên hình 1.Bộ phận hấp thụ nhiệt từ năng lượng mặt trời có thể là gương parabol cầu, 1
2. gương parabol trụ hay thấu kính Fresnel. Nhiệt hấp thu được từ mặt trời dùng để đốt nóng xylanh và làm quay động cơ Stirling kéo theo máy phát điện. Máy phát điện Bộ phận hấp thụ Động cơ Dòng AC nhiệt từ NLMT Stirling Bộ nạp Pin/ăcquy pin/ăcquy Bộ biến tần Dòng AC Hình 1 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện mặt trời Nội dung bài báo này chủ yếu trình bày bộ phận hấp thụ nhiệt từ năng lượng mặt trời để chạy động cơ Stirling, biến đổi từ nhiệt năng thành cơ năng để chạy máy phát điện. 2. NỘI DUNG THỰC HIỆN 2.1. Nguyên lý chung Nguyên lý kết cấu của hệ thống phát điện dùng động cơ Stirling được trình bày trên hình 2. Hệ thống gồm một gương cầu parabol được đặt trên một đế xoay sao cho bề mặt gương vuông góc với chùm tia mặt trời. Chùm tia mặt trời song song sẽ hội tụ tại tiêu điểm của gương. Động cơ đốt ngoài Stirling được đặt trên giá đỡ sao cho vị trí đầu xylanh giãn nở (đầu nóng) nằm đúng vị trí tiêu điểm của gương. Hình 2 – Nguyên lý kết cấu hệ thống phát điện dùng động cơ Stirling 2.2. Động cơ Stirling Ðộng cơ Stirling được tính toán thiết kế cơ bản dựa trên lý thuyết của Schmidt[8].Dựa vào cấu trúc của động cơ Stirling mà người ta chia động cơ Stirling thành 3 kiểu cơ bản , , . Các kiểu này đều có một điểm chung là có ít nhất 2 buồng làm việc đó là buồng nén và buồng giãn nở trong đó môi chất khí công tác được điền 2
3. kín.Qua nghiên cứu và so sánh các dạng khác nhau của loại động cơ Stirling, chúng tôi đưa ra mẫu động cơ Stirlingkiểu βsử dụng năng lượng mặt trời như hình 3. Hình 3 – Động cơ Stirling kiểu β 1. Xylanh giãn nở. 2. Piston dịch chuyển và bộ hồi nhiệt. 3. Piston lực. 4. Xylanh lực. 5. Cơ cấu truyền động. Trên động cơ Stirling kiểu β, để Piston dịch chuyển đảm bảo quá trình sinh công được liên Piston lực tục thì các bộ phận như piston dịch chuyển, piston lực, bộ hồi nhiệt, B B’ phải được kết nối với nhau thông qua L cơ cấu truyền động hình thoi (hình 4)[10]. A A’ O O’ C C’ R e Y e Hình 4 – Bộ truyền động hình thoi a 2.3. Gương cầu parabol Dựa vào các quá trình nhiệt động trong chu trình lý thuyết động cơ Stirling [5], ta xác định được nhiệt lượng cần cung cấp cho môi chất công tác trong buồng giãn nở trong một chu trình quay của động cơ. Từ đó tính được cường độ bức xạ cần thiết phải cung cấp cho buồng giãn nởtrong thời gian một giây. Từ công thức xác định hệ số tập trung năng lượng bức xạ K của một hệ gương phản xạ và mặt thu [3], ta xác định được tiết diện hứng nắng của gương cầu parabol Fh 3
4. E t - 1 F = F . 1 + E h t R Gương cầu parabol được chế tạo bằng các tấm inox hoặc nhôm hình vành khăn (hình 6) sau đó ghép lại thành biên dạng gần đúng của cung parabol (hình 5). Hình 5 – Biên dạng gần đúng của gương parabol Ri Ri+1 Hình 6 – Biên dạng khai triển cung parabol 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chương trình MATLAB tính toán thông số bộ truyền và động cơ cho kết quả trong bảng 1: Bảng 1: Thông số động cơ Stirling Đường kính xylanh giãn nỡ 65 mm Góc lệch pha giữa 2 piston 90 độ Đường kính xylanh lực 65 mm Dung tích 608 cm3 Đường kính piston dịch chuyển 63 mm Môi chất công tác Không khí Đường kính piston lực 65 mm Áp suất trung bình 0,59 bar Chiều dài hành trình piston 52,52 mm Công suất 22,82 W Nhiệt độ xylanh giãn nở 300 oC Hiệu suất nhiệt 21,87 % Nhiệt độ xylanh làm mát 30 oC Trên hình 7 và 8 ta thấy thể tích môi chất công tác biến thiên theo quy luật hình sin và góc lệch pha giữa hai piston bằng π/2. Điều này phù hợp với các giả thiết ban đầu của chu trình Schmidt dùng để tính toán động cơ Stirling[8]. 4
5. Hình 7 – Đồ thị biểu diễn góc lệch pha Hình 8 – Đồ thị biểu diễn thể tích tức thời của buồng nén và buồng giãn nở Hình 9 biểu diễn sự sai khác giữa chu trình Stirling lý tưởng và chu trình thực tế của động cơ. Sự sai khác này có thể do các nguyên nhân sau: - Do quá trình truyền nhiệt tại các xylanh của động cơ không hoàn toàn lý tưởng. Nhiệt độ môi chất công tác không thể đảm bảo là hằng số trong suốt quá trình giãn nở đẳng nhiệt nên không thể đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt như chu trình lý tưởng. - Do chuyển động thực tế của hai piston là luôn luôn dịch chuyển nên trên đồ thị P – V của động cơ thực tế không thể đạt được các quá trình đẳng tích lý tưởng. - Do trong động cơ luôn tồn tại một phần không gian chết làm giảm áp suất của chu trình. 5
6. Hình 9 – Đồ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng Để cung cấp đủ nhiệt lượng cho động cơ Stirling trên hoạt động cần gương cầu parabol có kích thước trong bảng 2: Bảng 2: Thông số gương cầu parabol Chiều dài Góc chắn Bán kính Chiều sâu cung parabol cung tròn X(i) mm Y(i) mm R(i) mm θ(i) độ 0 0 0 0 0 1 93,75 4,88 93,88 359,51 2 187,50 19,53 188,76 357,59 3 281,25 43,95 285.64 354,47 4 375,00 78,13 385.43 350,26 5 468,75 122,07 488.97 345,12 6 562,50 175,78 597.01 339,19 7 656,25 239,26 710.23 332,64 8 750,00 312,50 829.20 325,62 6
7. Hình 10 – Thông số chế tạo gương parabol 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mô hình hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời sử dụng gương cầu parabol và động cơ Stirling kiểu beta với thông số như trên cho công suất Li = 22,82 W, hiệu suất nhiệt η = 21,87 % và có kích thước nhỏ gọn hơn rất nhiều lần so với động cơ Stirling được thiết kế trong tài liệu [1] (600 cm3 so với 208 dm3). Tuy công suất thiết kế chưa được cao nhưng đây là một hướng mới trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời. Biện pháp hiệu quả nhất để nâng cao công suất cho động cơ thiết kế là lắp thêm bộ phận tăng áp. Tuy nhiên biện pháp này đòi hỏi phải kết hợp với các biện pháp làm kín không gian công tác, không để bị rò rỉ môi chất, đây là vấn đề quan trọng nhất khi muốn phát triển động cơ Stirling phát điện có công suất lớn. Ngoài ra, do chuyển động quay của trái đất nên vị trí tương đối của trái đất so với mặt trời luôn thay đổi theo thời gian. Để tận dụng tối đa nguồn năng lượng bức xạ từ mặt trời cần phải thiết kế thêm hệ thống định hướng tự động để đảm bảo cho mặt hứng nắng của gương parabol luôn xoay thẳng góc với hướng chiếu của tia nắng. 7
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoàng Dương Hùng, Phan Quý Trà, Phan Quang Xưng, Nghiên cứu động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2005. [2]. Lê Xuân Hòa, Kỹ thuật nhiệt, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM, 2004. [3]. Nguyễn Bốn, Hoàng Dương Hùng, Giáo trình chuyên đề Năng lượng mặt trời, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2004. [4]. Nguyễn Chí Ngôn, Cao Hoàng Long, Lưu Trọng Hiếu, Một giải pháp ứng dụng năng lượng mặt trời, Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Cần Thơ, 2011. [5]. Nguyễn Lưu Thịnh, Phân tích đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling, Trường Đại học Thủy sản, 2005. [6]. A.R. El Ouederni, M. Ben Salah, F. Askri, M. Ben Nasrallah, F. Aloui, Experimental study of a parabolic solar concentrator,Revue des Energies Renouvelables Vol. 12 N°3, 2009, 395 – 404. [7]. Halit Karabulut, Hüseyin Serdar Yücesu, Can Çınar, Fatih Aksoy, An experimental study on the development of a β-type Stirling engine for low and moderate temperature heat sources,Applied Energy 86,2009, 68–73. [8]. Koichi Hirata, Schmidt theory for Stirling engines, National Maritime Research Institute (Japan), 2000. [9]. Yong Tao, Denisse Aranda, Kevin LaMott, Stephen Wood, Solar Stirling Engine for Remote Power and Disaster Relief – Final Report, Florida International University, 2010. [10]. Siegfried Herzog, Analysis of the symmetric Rhombic Drive, Penn State University, 2005. 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.