Bài báo Nghiên cứu hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 14 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI A RESEARCH ON THE SOLAR HEAT STORAGE SYSTEM Hoàng Dương Hùng Trường ĐH. Bách khoa, ĐH. Đà Nẵng Mai Vinh Hoà Cao đẳng Công nghiệp Huế Đoàn Ngọc Hùng Anh Sở Lao động, Thương binh và xã hội TP. Đà Nẵng TÓM TẮT Ngày nay, bên cạnh các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió, địa nhiệt…năng lượng Mặt trời đã được khai thác và ứng dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng cụ thể và hiệu quả là sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt phục vụ cho sản xuất và sử dụng trong gia đình. Tuy nhiên, do sự lệch pha giữa chu kỳ của năng lượng mặt trời và chu kỳ sử dụng nhiệt trong bình tích trữ nên sự thiếu hụt nguồn nhiệt cho nhu cầu sử dụng trong suốt thời gian ban đêm là không thể tránh khỏi. Hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt ẩn sử dụng chất chuyển pha là môi trường tích trữ có những thuận lợi như; dung lượng tích trữ nhiệt cao, kích thước thiết bị nhỏ gọn và đặc tính đẳng nhiệt trong suốt quá trình chuyển pha. ABSTRACT Today, along with renewable energy resources such as wind and geothermal energy… solar energy has been exploited and applied to domestic and industrial uses. One of the effective applications of solar energy is the use solar collectors in supplying hot water for industrial and domestic purposes. However, the storage of solar energy as sensible heat is not efficient in thermal energy storage because of the sun’s intermittent nature. Conversely, latent heat thermal energy storage systems using paraffin as a storage medium offer some advantages such as their high heat storage capacity, small unit size and isothermal behavior during the phase change period. 1. Đặt vấn đề Do tốc độ phát triển về nhu cầu năng lượng của con người tăng rất nhanh, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn và việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm môi trường mà hậu quả tác hại là đã làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đến cuộc sống hiện nay và tương lai của con người. Do vậy, các nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời (NLMT) đã và đang được nghiên cứu sử dụng ngày càng nhiều nhằm thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống góp phần bảo vệ môi trường. Một thiết bị năng lượng mặt trời đang được dùng rất phổ biến hiện nay là hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời sử dụng trong các hộ gia đình, nhưng trong thực tế quá trình hấp thu NLMT của hệ thống thiết bị và sử dụng năng lượng của hộ tiêu thụ không tương ứng với nhau về mặt thời gian cũng như về công suất nên việc nghiên cứu hệ thống tích trử nhiệt từ nguồn NLMT để cấp nhiệt hiệu quả cho nhu cầu dân dụng và công nghiệp là rất cần thiết và có ý nghĩa rất lớn trong việc góp phần thực hiện chương trình quốc gia về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 15 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Nghiên cứu lý thuyết a) Khảo sát nhiệt độ nước nóng trong bộ thu năng lượng mặt trời Các hệ thống sử dụng nước nóng dùng NLMT trong các hộ gia đình hiện nay đang sử dụng chính bản thân nước làm chất trử nhiệt và được chứa trong bình có bọc cách nhiệt. Trong các hệ thống này nhiệt độ nước trong bình thường thay đổi từ nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường (lúc sáng sớm chưa có NLMT) đến trên 80oC (lúc cường độ bức xạ mặt trời đạt cực đại ) trong khi đó nhiệt độ yêu cầu sử dụng chỉ khoảng dưới 60o Với bộ thu phẳng có diện tích bề mặt hấp thụ 1m C. 2 đặt tại Đà Nẵng có nhiệt độ môi trường t f=30oC cường độ bức xạ trung bình E n = 940 W/m2 khi lưu lượng nước qua bộ thu G =0,002kg/s thì hàm phân bố nhiệt độ nước nóng trong bộ thu theo thời gian trong ngày như hình 1, [2]. t τm τ 6 8 10 12 12,9 14 16 18h 0 20 40 60 80 100 Co 30 â(τ)t (τ)t 95,4 C o94 C o 72 Co 45 Co 64 Co 36 Co Hình 1. Hàm phân bố nhiệt độ của bộ thu đặt cố định t(τ) và khi quay quanh hướng mặt trời t Trong thực tế các hệ thống cung cấp nước nóng thường đặt cố định , theo hình 1, với bộ thu nước nóng bình thường thì trong một ngày có th ời gian nhiệt độ của cả hệ thống rất lớn. Hơn nữa trong thời gian có cường độ bức xạ mặt trời cực đại (12h – 14h) là lúc nhu cầu sử dụng về nước nóng rất ít , nên lượng nước có nhiệt độ cao giữ trong bình với thời gian dài do đó tổn thất nhiệt ra môi trường lớn . Vậy cần phải tính toán để dùng một chất trung gian có thể hấp thụ để giữ lại lượng nhiệt khi cường độ bức xạ mặt trời cao và sử dụng khi cần thiết (ngay cả khi không có NLMT), chất trung gian đó gọi là chất chuyển pha. đ(τ) b) Chọn chất chuyển pha Chất chuyển pha dùng trử nhiệt cần phải chọn những chất có nhiệt độ nóng chảy phù hợp, có nhiệt nóng chảy lớn , không độc hại, không phản ứng hay ăn mòn vậ t liệu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 16 khác và giá thành hợp lý. Bảng 1 là tính chất của một số chất chuyển pha ở các dải nhiệt độ khác nhau có thể sử dụng. Bảng1. Một số chất chuyển pha ở các dải nhiệt độ khác nhau S T T Thông số Môi chất khối lượng riêng (g/cm3 nhiệt dung riêng (J/g.K) ) nhiệt độ nóng chảy (o hệ số dẫn nhiệt (W/mK) C) nhiệt nóng chảy (J/g) giá thành (VNĐ/ kg) 1 Paraffin 0,9 2,7 47- 61 0,25 210 30.000 2 H2 0,997 O 4,18 0 0,58 333,6 3,5 3 NaCl 2,16 0,836 801 6,5 92,8 25.000 4 NaNO 2,257 3 1800 308 0,8 169 95.000 Tùy thuộc vào dải nhiệt độ nước cần sử dụng mà ta chọn các chất chuyển pha có nhiệt độ nóng chảy phù hợp . Với hệ thống cung cấp nước nóng dùng trong hộ gia đình (nhiệt độ 40 oC - 60o c) Tính chọn bộ thu và bình tích trữ nhiệt C) thì chúng ta có thể chọn chất chuyển pha là paraffin, paraffin có một số ưu điểm như ; khả năng tương thích với vật liệu xây dựng thông thường, không phân tầng, tính chất hoá học ổn định, nhiệt nóng chảy cao, an toàn và không phản ứng phụ nên rất phù hợp để làm chất trử nhiệt trong hệ thống cung cấp nước nóng. Đối với hệ thống cung cấp nước nóng dùng trong hộ gia thường có dung tích 80 lít nước với bề mặt hấp thụ nhiệt có diện tích 1 ÷ 2m2 [1]. Hệ thống cung cấp nước nóng có trử nhiệt bằng chất chuyển pha trong nghiên cứu này được tính toán thiết kế gồm 2 collector hấp thụ năng lượng mặt trời có cấu tạo như như hình 2 và một bình trử nhiệt (hình 3). 1 2 3 4 5 6 7 8 a b 1- Lớp cách nhiệt, 2- Lớp đệm tấm phủ trong suốt 3- Tấm phủ trong suốt, 4- Đường nước nóng ra, 5- Bề mặt hấp thụ nhiệt, 6- Lớp tôn bọc, 7- Đường nước lạnh vào, 8- Khung đở Collector Hình 2. Cấu tạo Collector hấp thụ nhiệt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 17 Collector được chế tạo có kích thước 1m 2 Bình tích trử có kích thước cấu tạo như hình 3, chứa lượng nước 80 lít và 19 lít chất paraffin , ở đây paraffin được chứa trong ống Inox Φ = 16mm còn nước được bao phủ bên ngoài ống chứa paraffin. , chiều rộng 9 00mm, chiều dài 1200mm, chiều dày 100mm. Lớp cách nhiệt được làm bằng bông thuỷ tinh dày 50mm; lớp đệm tấm phủ trong suốt được làm bằng đệm cao su; tấm phủ là kính trong suốt với độ dày 4mm; Bề mặt hấp thụ nhiệt gồm tôn mỏng và ống inox Φ = 13mm x 13 ống được sơn đen, ống góp inox có Φ = 21mm, dài 800; khung đở được làm bằng nhôm. 2.2. Nghiên cứu thực nghiệm Hệ thống thiết bị thực nghiệm đã được chế tạo như hình 4. Bình trữ nhiệt được nối với bộ thu gồm 2 collector 1m2 a) Quá tr ình cấp nhiệt . Nước hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời và trao đổi nhiệt với Paraffin trong bình tích trử nhiệt, bắt đầu ở nhiệt độ môi trường. Paraffin được nung nóng từ từ, đầu tiên là nhiệt hiện, đến khi đạt đến nóng chảy. Tích trử năng lượn g dạng nhiệt ẩn đạt được khi Paraffin tan chảy ở nhiệt độ không đổi 59 ± 2 mắc song song như hình 4. Nước trong hệ thống được chuyển động tuần hoàn tự nhiên, nước cấp vào dưới bình tích trử và lấy ra từ phía trên bình. o 1. Ống nước nóng từ colletor vào C. Sau khi tan chảy hoàn toàn nếu lượng nhiệt lớn 2. Ống lắp nhiệt kế đo nhiệt độ paraffin 3. Ống thông hơi 4. Ống nước nóng đem đi sử dụng 5. Ống nước lạnh vào collector 6. Ống lắp nhiệt kế đo nhiệt độ paraffin 7. Ống nước lạnh cấp vào bình Hình 4. Thiết bị thực nghiệm Hình 3. Cấu tạo bình tích trữ nhiệt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 18 hơn từ nước làm cho Paraffin quá nhiệt, nhờ vậy lại tích trử nhiệt hiện. Quá trình cấp nhiệt tiếp tục cho đến khi Paraffin và nước đạt được cân bằng nhiệt. Nhiệt độ của và nước ở vị trí khác nhau được ghi lại sau mỗi 20 phút. Quá trình xả nước được tiến hành bằng cách lấy một lượng nước nóng từ bình chứa và hòa trộn với nước lạnh để đạt được nhiệt độ 45o Bảng 2. Số liệu nhiệt độ nước và paraffin đầu vào, ra của bình chứa C cho việc sử dụng trực tiếp và bình chứa được cấp nước lạnh lại để duy trì mức nước trong bình không đổi. Thời gian ( phút) Giờ trong ngày tnv (o t C) nr (o t C) pv (o t C) pr (o Thời C) gian ( phút) Giờ trong ngày tnv (o t C) nr (o t C) pv (o t C) pr ( oC) 20 7h20 28 28 28 28 340 12h40 68 54 67.5 54 40 7h40 33 28 31 28 360 13h00 70 56 70 56 60 8h00 37 29 34 28 380 13h20 71 58 71 57 80 8h20 40 29 36 29 400 13h40 70 58 70 58 100 8h40 43.5 33.5 39 30 420 14h00 69 59 69 59 120 9h00 47 35 43 32 440 14h20 69 60 68 59 140 9h20 50 36 46 34 460 14h40 69.5 61 69 60 160 9h40 55 37 50 36 580 15h00 69.5 61 68 60.5 180 10h00 57 39 54 38 500 15h20 69 61 68 60.5 200 10h20 59.5 41 57 40.5 520 15h40 69 60.5 68 60.5 220 10h40 61 43 57 42.5 540 16h00 69 60.6 67 60.5 240 11h00 61 44 60.5 44 560 16h20 68.5 60.5 66 60.5 260 11h20 62.5 46 61.5 46 580 16h40 68 60 65 60 280 11h40 64 48 63 48 600 17h00 68 60 65 59 300 12h00 66 51 65 50 620 17h20 67.5 59.5 64 58.5 320 12h20 67.5 53.5 66.5 52 640 17h40 67 59 64 58.5 Từ số liệu đo được ta thấy n hiệt độ của nước ở đầu vào bình chứa tăng đều cho đến khi đạt nhiệt độ khoảng 61 oC (sau khoảng 3 giờ kể từ lúc bắt đầu đo là 7h sáng), ở đó nó duy trì không đổi trong khoảng 40 phút. Tron g suốt thời gian này, chất chuyển pha trải qua sự biến đổi pha đẳng nhiệt ở 59 ± 20C. Sau đó, nhiệt độ nước tăng lên 10oC, và đạt đến nhiệt độ lớn nhất là 71o Nhiệt độ nước ở đầu ra bình chứa trong nữa khoảng thời gian đầu tăng đều nhưng chậm do lưu lượng nước thấp. Sau khoảng 6 giờ thì nhiệt độ nước ở đầu ra đạt khoảng 58 ± 0.5 C. oC. Lúc này paraffin trong bình chứa ở đầu vào và đầu ra đều trong quá TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 19 trình tan chảy. Sau đó nhiệt độ nước đầu ra duy trì đều và giảm nhẹ do cường độ bức xạ Mặt trời giảm dần và tắt hẳn. Hình 5. Giá trị nhiệt độ đo được của nước và paraffin theo thời gian trong ngày Quá trình gia nhiệt từ nước sang Paraffin ở phần trên của bình xảy ra khá nhanh được cho thấy khi nhiệt độ của nước và Paraffin tương đối bằng nhau. Khi nhiệt độ Paraffin đạt 58o d) Quá trình xả nước sử dụng C thì Paraffin bắt đầu quá trình tan chảy và quá trình này xảy ra đẳng nhiệt trong vòng 40 phút rồi sau đó nhiệt độ Paraffin tiếp tục tăng. Quá trình cấp nhiệt kết thúc khi nhiệt độ Paraffin và nhiệt độ nước cân bằng. Nhiệt độ của nước và paraffin trong suốt quá trình xả từng mẻ được đo lại theo biểu đồ hình 6. Nước nóng được xả từ bình tích tr ử và trộn với nước lạnh để có nước nóng ở nhiệt độ trung bình 45o 0 10 20 30 40 50 60 70 80 20 60 10 0 14 0 18 0 22 0 26 0 30 0 34 0 38 0 42 0 46 0 50 0 54 0 58 0 62 0 66 0 Thời gian (phút) N hi Giá trị nhiệt độ nước đầu vào bình chứa Giá trị nhiệt độ nước đầu ra bình chứa C. Sau đó bình tích trử được điền đầy lượng nước lạnh bằng lượng nước lấy đi. Nhiệt độ của nước trong bình tăng và sau một thời gian khoảng 5 đến 10 phút, một mẻ khác của nước nóng được xả ra và trộn với nước lạnh. Sau khi nước nóng được lấy ra 0 10 20 30 40 50 60 70 80 20 60 10 0 14 0 18 0 22 0 26 0 30 0 34 0 38 0 42 0 46 0 50 0 54 0 58 0 62 0 66 0 Thời gian (phút) N h i Nhiệt độ paraffin đầu vào bình chứa Nhiệt độ paraffin đầu ra bình chứa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 1 0 5 1 1 0 1 1 5 1 2 0 Thời gian (phút) N h i Nhiệt độ nước đầu vào Nhiệt độ paraffin đầu vào Hình 6. Nhiệt độ đo được trong quá trình xả nước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 20 khoảng 30 lít thì nhiệt độ nước và paraffin bằng nhau. Nếu tiếp tục lấy nước thì nhiệt độ nước sẽ giảm thấp hơn nhiệt độ paraffin. Lúc này quá trình gia nhiệt của paraffin cho nước sẽ bắt đầu. Khi paraffin đạt khoảng 59± 2oC là quá trình chuy ển pha của paraffin và tiếp tục gia nhiệt cho nước trong khoảng thời gian 50 phút. Quá trình xả nước nóng cứ tiếp tục cho đến khi nhiệt độ Paraffin đạt 45oC. Tổng lượng nước xả ra và pha thành nước 45o Quá trình xả nước cũng được tiến hành tương tự với h ệ thống cung cấp nước nóng không có chất chuyển pha trử nhiệt có bình chứa 100 lít nước (kích thước bình chứa như hệ thống có chất chuyển pha ) và 2m C được giữ lại và đo được 248 lít. 2 bộ thu năng lượng mặt trời thì lượng nước 45 o Vậy từ kết quả thực nghiệm ta thấy với hai hệ thống có kích thước giống nhau và được sử dụng trong điều kiện như nhau thì hệ thống có chất chuyển pha cho ta một lượng nước nóng lớn hơn. C thu được là 210 lít. 3. Kết luận Như vậy, với thể tích bình chứa bằng thể tích bình chứa của hệ thống không sử dụng chất chuyển pha, hệ thống có chứa paraffin có thể cung cấp một sản lượng nước nóng lớn hơn là 38 lít/ngày (ở 45o Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng Mặt trời có sử dụng chất chuyển pha có thể được thiết kế , chế tạo với quy mô lớn hơn để cung cấp cho nhu cầu trong công nghiệp. Trong thực tế tùy theo nhiệt độ yêu cầu mà chúng ta có thể chọn loại bộ thu và chất chuyển pha thích hợp . Nếu sử dụng bộ thu có khả năng hấp thụ tốt thì hệ thống có sử dụng chất chuyển pha thích hợp để trử nhiệt sẽ tiết kiệm được thể tích bình chứa và là sự lựa chọn kinh tế hơn cho các thiết bị khác cho việc tích trử năng lượng nhiệt Mặt trời. C), nhưng giá thành đầu tư ban đầu của hệ thống này lớn hơn do phải tốn chi phí cho chất chuyển pha và các ống chứa chất đó. Tuy nhiên với giá vật liệu, giá paraffin và giá thành thiết bị hiện nay thì theo tính toán với lượng nước nóng thu được nhiều hơn đó thì sau 5 tháng hệ thống hoạt động có thể bù lại chi phí chênh lệnh do đầu tư thêm bộ phận trử nhiệt bằng chất chuyển pha . TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Hoàng Dương Hùng, Năng lượng Mặt trời lí thuyết và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật. năm 2007. [2] Nguyễn Bốn – Hoàng Dương Hùng , Hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong panel mặt trời , Tạp chí khoa học và công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật , số 25+26 năm 2000. [3] Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, năm 2001. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 21 [4] John A. Duffie, William A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, A Wiley - Interscience Publication, năm 1991. [5] Anthony F. Mills, Heat and Mass Transfer, University of California at Los Angeles. Năm 1995. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010 1