MÔ HìNH HOá Và MÔ PHỏNG QUá TRìNH NĂNG LƯợNG TRONG Bộ THU NHIệT TấM
PHẳNG DùNG KHÔNG KHí LàM CHấT TảI NHIệT
Modelling and simulation energy conversion process in solar energy air flat collector
Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Văn Đờng
Summary
Modelling and simulation are powerful tools to analyse timing processes especially in agricultural
production. The energy conversion in solar energy air flat collector is complicated processes. Based on
analytical model of the objects and assumption in the real situation, simulation results help designer to
select optimal parameters.
Key words: Modelling, simulation, air flat collector 1. Đặt vấn đề
Bộ thu năng lợng mặt trời tấm phẳng sử dụng không khí làm chất tải nhiệt (collector không khí) là
hệ thống có kết cấu tơng đối đơn giản và rẻ tiền. Bộ thu sử dụng cả tia bức xạ trực tiếp và bức xạ
khuếch tán nên rất phù hợp cho các ứng dụng trong nông nghiệp. Việc tính toán thiết kế hệ thống thu
năng lợng mặt trời phụ thuộc vào công suất yêu cầu, địa điểm lắp đặt thiết bị, cờng độ bức xạ năng
lợng mặt trời của vùng khảo sát, cấu trúc thiết bị và vật liệu chế tạo tấm thu. Việc khảo sát quá trình
năng lợng và lấy các đặc tính của bộ thu gặp nhiều khó khăn do hệ thống thiết bị thí nghiệm khá phức
tạp và đắt tiền. Phơng pháp mô phỏng quá trình năng lợng trong collector không khí cho phép khảo
sát chế độ làm việc của bộ thu ở mọi vị trí lắp đặt với kích thớc và vật liệu tuỳ chọn làm cơ sở thiết kế
tối u bộ thu năng lợng mặt trời.
2. Cấu trúc collector không khí, mô hình năng lợng và quá trình truyền
nhiệt
Collector không khí sử dụng trong nông nghiệp thờng sử dụng một lớp kính chắn và có cấu trúc
nh hình 1. Giả thiết S là nguồn năng lợng bức xạ mặt trời nhận đợc trên bề mặt tấm hấp thụ, dòng
khí chuyển động dọc theo khe giữa tấm hấp thụ và kính chắn. Theo Bala (1998), quá trình trao đổi nhiệt
diễn ra bên trong tấm thu đợc biểu diễn bởi các hệ số truyền nhiệt đối lu và bức xạ h
c1I
, h
c2I

U
B
U
t
h
r21
h
c2I
h
c1
I
T
A

Hình 1. Cấu trúc của collector không khí 1
Mô hình năng lợng của collector không khí đợc một số tác giả sử dụng trong việc mô hình
hoá hệ thống sấy bằng năng lợng mặt trời (A. Esper, 1995; Bùi Hải Triều, Trơng Thị Toàn, 2003).
Hình 2 mô tả mô hình năng lợng với các thành phần năng lợng bức xạ tổng gửi đến bề mặt kính chắn
của bộ thu các hao tổn năng lợng do phản xạ, hấp thụ và truyền nhiệt và dòng nhiệt hữu ích.
h
r2S

H

Tấm hấ
p
thụ
Dẫn nhiệ
t
Đối lu
Bức xạ Phản xạ
Kính chắn
Cách nhiệ
t
Đối lu
Dòng nhiệt
hữu ích
Bức xạ tổn
g

Bức xạ
Mặt đấ
t

Hình 2. Mô hình năng lợng của collector không khí

Quá trình truyền nhiệt trong bộ thu đợc mô hình hoá nh hình 3
Tm ,
S
1
T
I
T
2
T
B
T 2

Hình 3. Mô hình truyền nhiệt collector không khí
Các chỉ số sử dụng trong mô hình: T- Nhiệt độ, A- môi trờng xung quanh, I- dòng không khí
trong bộ thu, 1- tấm chắn, 2- tấm hấp thụ, B- tấm đáy, S- bầu trời, G-mặt đất, h- hệ số truyền nhiệt, c-
đối lu, d- dẫn nhiệt và r - bức xạ.
Để tính toán quá trình truyền nhiệt trong bộ thu, sử dụng mô hình tơng tự nhiệt điện đợc mô
tả trên hình 4.


h/1
rBG
h/1
Ic
h
1
/1
Ic
h
2
/1
SA
TT ;
2
T
S
GA
TT ;
I
T
Sr
h
2
/1
1
T
B
T
U
Q

)()()()(
1221111111
1
1311
TThTThTThTTh
t
T
CL
rSSrAAcIIc
+=



(1)
Trong đó

1
,C
1
- khối lợng riêng và nhiệt dung riêng của kính chắn.
Cân bằng năng lợng của dòng khí trong bộ thu đợc thiết lập dựa trên quá trình trao đổi nhiệt
giữa tấm hấp thụ và kính chắn:
)()(
221133 IIcIIc
I
AAII
I
III
TThTTh
y


1
, hệ số hấp thụ của tấm thu

2
, và hệ số phản xạ của kính

1




=
12
21
)1(1




(4)
Các hệ số truyền nhiệt đợc xác định dựa trên tính chất của vật liệu và nhiệt độ của các bề mặt trao đổi
nhiệt.
3. Tính toán mô phỏng nhiệt độ trong collector không khí
Tính toán mô phỏng nhiệt độ trong collector không khí dựa trên phơng trình cân bằng năng
lợng của một đơn vị phần tử khe hở không khí trong bộ thu [1],[5]:
0 ||
=

+

=
(7)
U
L
là hệ số hao tổn toàn phần đợc xác định bởi:
[ ]
)(
)()(
2121221
2211212221
IcIcrtIcIcIc
tIcBIctIcBIcrtBIctBtIcBIcIc
L
hhhUhhh
UhUhUhUhhUUhUUUhUhh
U
+++
++
+
+
+
++
=
(8)
S - cờng độ năng lợng mặt trời trên bề mặt tâm hấp thụ là một đại lợng vật lý thay đổi theo vị trí
khảo sát và thời gian trong ngày đợc xác định bằng mô phỏng theo phơng pháp khí tợng học bề mặt
(Trần Quang Khánh, Nguyễn Văn Đờng, 2004)
W - bề rộng khe hở không khí, m
A
và C










+= 1
5830
cos.
cos.
1708 8,1sin
1
cos.
1708
144,11
3/1
3/1




Ra
RaRa
Nu (10)
Số Rayleigh đợc xác định theo công thức:

4

++
=



TTTT
h
r
(13)
Hệ số truyền nhiệt bức xạ giữa tấm thu và không gian bên ngoài đợc xác định theo biểu thức:
12
22
22
TT
h
S
Sr

=


44
)(. TT


(14)
Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ kính chắn ra không gian đợc xác định theo biểu thức:
A
S
Sr

dy
Cm
]
dT
(16)
Giả thiết F và U
L
không phụ thuộc vào vị trí trên bộ thu. Giải phơng trình (9) với điều kiện
biên T
Iy
=T
Ii
nhận đợc nhiệt độ của dòng khí dọc theo chiều dài của tấm thu:
)/(
'
AAL
CmyWFU
L
AIi
L
e
U
S
TT

=

AIy
U
S

40
50
60
70
80
90
100
NHIET DO TRONG DAN THU 21-1 (ma=0,25k g/ s)
Nhiet do (Do C)
t=8h
t=9h
t=10h
t=11h
t=12h
Hình 5 Nhiệt độ dàn thu trong ngày 21 tháng 1 và 21 tháng 7
Khảo sát nhiệt độ trong dàn thu khi thay đổi lu lợng gió tại một thời điểm nhất định trong
Hình 5. Nhiệt độ dàn thu trong ngày 21 tháng 1 và 21 tháng 7 Hình 5. Nhiệt độ dàn thu trong ngày 21 tháng 1 và 21 tháng 7
Hình 5. Nhi
ệ
t đ
ộ
dàn thu tron
g
n

ma=0,25kg/s
ma=0,05kg/s
Hình 6. Nhi
ệ
t đ
ộ
dàn thu khi tha
y
đổi lu l
ợ
n
g

g
ió
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
30
35
40
45
50
55
60
65
NHIET DO TRONG DAN THU 21-7 (t=8h)
Chieu dai dan thu (m)
Nhiet do (Do C)
ma=0,05kg/s
ma=0,25kg/s
Kết quả tính toán nhiệt độ theo thời gian trong ngày 21 tháng 1với lu lợng gió 0.25kg/s nhiệt độ