BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGỤY HOÀNG ĐÀN TÊN ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC
CÓ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP BƠM
NGHIỆT CHO KHÁCH SẠN NHA TRANG PLACE
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt lạnh)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. LÊ NHƯ CHÍNH NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2014
1
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn Lớp: 52NL
2
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn Lớp: 52NL
Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng
mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”.
Số trang: 106 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 11
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Đánh giá chung: ĐIỂM
Bằng chữ
Bằng số
cho quá trình nghiên cứu để em có thể thực hiện đề tài hoàn chỉnh về mặt nội dung
và hoàn thành trong thời gian quy định.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và những người bạn của em
những người đã luôn giúp đỡ, động viên em hoàn thành tốt đề tài này.
Tuy nhiên, quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận
được sự chỉ bảo của quý Thầy Cô và góp ý của các bạn.
N
Nha Trang, tháng 6 năm 2014.
S
Sinh viên thực hiện
Ngụy Hoàng Đàn
4
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12
1. Tổng quan về năng lượng mặt trời 12
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng năng lượng mặt trời 12
1.2. Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất 15
1.3. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ 19
1.4. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 21
1.5. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất 22
1.6. Bức xạ mặt trời truyền qua kính 25
1.7. Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam 26
1.8. Đo cường độ bức xạ Mặt trời 27
1.9. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng lượng mặt trời 28
1.9.1. Cấu tạo. 28
1.2. Tính toán thiết kế bể chứa 44
2. Chọn hệ thống cung cấp nước nóng 45
2.1. Chọn thiết bị nước nóng năng lượng mặt trời 45
2.1.1. Chọn tấm thu nhiệt 46
2.1.2. Chọn bồn bảo ôn 46
2.2. Chọn bơm nhiệt (Heat pumb) 47
2.2.1. Sơ đồ ứng dụng của bơm nhiệt 47
2.2.2. Sơ đồ kết hợp gia bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời 47
2.2.3. Chọn bơm nhiệt 48
2.2.4. Tính kiểm tra bơm nhiệt (heat pump) 49
2.3. Tính toán thiết kế đường ống dẫn nước nóng, tính chọn bơm tuần hoàn 50
2.3.1. Thiết kế và tính chọn ống dẫn nước nóng 50
6
2.3.1.1. Tính chọn ống dẫn nước trong phòng 50
2.3.1.2. Tính chọn đường ống dẫn nước xuyên tầng 51
2.3.1.3. Tính chọn ống nước hồi 52
2.3.1.4. Tính chọn bơm tuần hoàn 52
2.3.1.5. Chọn bồn chứa nước hồi 56
2.4. Tính thiết kế đường ống dẫn nước lạnh, chọn két nước, tính chọn bơm . 56
2.4.1. Tính thiết kế ống dẫn nước lạnh trong phòng 57
2.4.2. Tính chọn đường ống xuyên tầng. 58
2.4.3. Tính chọn két nước 59
2.4.4. Tính chọn bơm nước cấp 59
CHƯƠNG III: QUY TRÌNH XÂY DỰNG, LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO
QUẢN VÀ SỬA CHỮA 64
1. Xây dựng, lắp đặt hệ thống cấp nước sinh hoạt 64
1.1. Xây dựng bể chứa 64
1.2. Lắp đặt thiết bị thu năng lượng mặt trời 64
1.3. Lắp đặt bơm nhiệt 65
Hình 1.6: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán 23
Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng 24
Hình 1.8: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng 24
Hình 1.9: Hiệu ứng lồng kính 25
Hình 1.10: Nhật xạ kế - Pyranometer 28
Hình 1.11: Trực xạ kế 28
Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời 30
Hình 1.13: Pin Mặt trời 32
Hình 1.14: Hệ thống pin Mặt trời 33
Hình 1.15: Nhà máy điện mặt trời 33
Hình 1.16: Tháp năng lượng mặt trời 33
Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT 34
Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời 35
Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 35
Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT 36
Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT 37
Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt 38
Hình 1.24: ng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng 39
Hình 1.25: Khách sạn Nha Trang Place 41
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy nước nóng năng lượng mặt trời tập trung tuần
hoàn tự nhiên 45
Hình 2.2: Sơ đồ ứng dụng cơ bản của bơm nhiệt 47
9
Hình 2.3: Sơ đồ kết hợp gia bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời 48
Hình 2.4: Đường ống cấp nước nóng 52
Hình 2.5: Đồ thị độ nhớt động học của nước 54
Hình 2.6: Hình ảnh bơm ly tâm 55
Hình 2.7: Đồ thị vùng làm việc bơm ly tâm 56
Hình 2.8: Đường ống nước lạnh 58
11
LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống con người. Xã hội càng
phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Trên thế giới các nước
đang phát triển có nhu cầu năng lượng lớn đến 75%, các nước phát triển cần 25%
tổng nhu cầu năng lượng của thế giới.
Với tốc độ phát triển chóng mặt của xã hội hiện nay. Do nhu cầu về sự tiện nghi
ngày càng cao, trong đó nước nóng là một nhu cầu thực tiễn. Tuy nhiên để đáp ứng
được lượng nước nóng để phục vụ con người đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng khá
lớn. Trong khi đó Việt Nam là một trong những nước có ánh nắng mặt trời chiếu
sáng nhiều trong ngày.
Để đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng cũng như đảm bảo tiết kiệm về năng
lượng ta ứng dụng năng lượng mặt trời vào sản xuất nước nóng.
Xuất phát từ thực tiễn trên tôi được khoa cơ khí trường Đại Học Nha Trang giao
cho đề tài tốt nghiệp:
“Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết
hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”
Trong thời gian thực hiện đề tài tôi nhận được sự giúp đỡ hưỡng dẫn tận tình của
thầy Th.S Lê Như Chính, cùng với sự nghiên cứu tìm tòi học hỏi đến nay tôi đã hoàn
thành cơ bản các nội dung của đề tài.
Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do thời gian còn hạn chế và bước đầu làm quen
với nghiên cứu khoa học cùng với trang thiết bị phòng thí nghiệm còn thiếu nên kết
quả nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được sự góp ý của
quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn.
Nha Trang, tháng 06 năm 2014
Sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn
Năm 1909, William J. Bailey của công ty thép Carnegie, Mỹ, đã nâng kỹ thuật
lên một bước nữa bằng cách tách máy nước nóng năng lượng mặt trời ra làm hai
phần: một phần hấp thụ nhiệt và một phần trữ nhiệt. Phần hấp thụ nhiệt là các ống
kim loại sơn đen và đặt trong một hộp kính, phần còn lại là một bồn chứa lớn để trữ
nước nóng.
Từ năm 1909, Bailey đã tung sản phẩm của mình ra thị trường và với những ưu
điểm nổi trội, khiến Climax bị loại ra khỏi cuộc chơi. Từ năm 1909 đến 1918, ông
đã bán ra thị trường hơn 4,000 máy hiệu Solar Day-Night.
Trong những năm 1920-1930, những khám phá lớn về khí đốt tại Los Angeles,
Mỹ, đã làm đình trệ sự phát triển ứng dụng của năng lượng mặt trời.
Sau năm 1930, Heater là người kế nghiệp Bailey, đã phát triển rộng rãi dòng máy
Solar Day - Night Heater. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, có những nước mà cả
nửa số dân đã dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời, góp phần tiết kiệm điện
cho các ngành công nghiệp sản xuất khác.
Sự xuất hiện ở một số nước trên thế giới và Việt Nam
Tại Nhật Bản, loại máy nước nóng năng lượng mặt trời có bồn nước hình trụ được
đặt trong hộp kính rất được phổ biến. Năm 1960, người Nhật đã tiếp cận khu vực
Trung Đông bằng những ứng dụng của máy nước nóng năng lượng mặt trời. Đổi lại,
họ được mua dầu mỏ với giá ưu đãi. Nhưng không lâu sau đó, vào năm 1973, giá
dầu mỏ tăng vùn vụt, máy nước nóng năng lượng Mặt trời trở nên có giá.
Khi xuất hiện lệnh cấm vận một số nước Trung Đông, mỗi năm Nhật Bản xuất
sang Trung Đông hơn 100,000 máy nước nóng năng lượng Mặt trời.
14
Khi cuộc khủng hoảng giá dầu lần thứ hai xảy ra (năm 1979), doanh thu của nước
Nhật tăng khủng khiếp chỉ bằng việc xuất khẩu máy nước nóng năng lượng Mặt trời,
trung bình trên 250,000 máy/năm.
Hiện tại, Nhật Bản đang có trên 10 triệu gia đình dùng máy nước nóng năng lượng
Mặt trời.
Tại Australia, Solarhart là nhà sản xuất tiên phong khi cải tiến bộ hấp thụ nhiệt
Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, máy nước nóng năng lượng mặt trời nói
riêng và các thiết bị dùng năng lượng mặt trời nói chung đã nhen nhóm xuất hiện tại
Việt Nam nhưng mới chỉ ở dạng nghiên cứu của các trường đại học hoặc viện nghiên
cứu.
Đến đầu năm 2000, máy nước nóng năng lượng mặt trời đã có hình thức thương
mại nhưng đa phần nhập ngoại như Solarhart và Edwards (Australia), Solar Meru
(Malaysia), Solar Heps (Israel)
1.2. Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.10
5
km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức
xạ điện tứ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng
ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà
năng lượng cúa chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có sóng dài. Như
vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt
mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và
các cơ chế bắt đầu xảy ra.
16
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là
một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10
-1
- 10 μm và
hầu như một nữa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 –
0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực
xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển. Tính
đối với 1 m
2
)
100
5762
.(67,5.
4
60.360
32.14,3.2
≈ 1353 W/m
2Hình 1.3: Góc nhìn mặt trời
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn nên có thể
xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
17 Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp
thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng
lượng được truyền trực tiếp tới trái đất. Đầu tiên oxy phân tử bình thường O
2
phân
của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ
này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng mặt trời bức xạ tới truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày
quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất trong khoảng 1000W/m
2
.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó
trên trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quảng đường đó
gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa
vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng
quỷ đạo của nó quang mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5
C
và thực tế
xem như chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những dao động quan trọng về
độ dài ngày và đêm trong năm.
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố: góc
nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường
đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt
trời (góc giữa phương từ điểm quang sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi
qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào
đó trên trái đất là quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ
thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau:
E
ng
= E
o
(1+0,033cos
365
Trực xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Đây là dòng bức xạ có hướng và có cụ thể thu được ở các bộ phận thu được kiểu tập
trung (hội tụ).
Tán xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự
phát tán của bầu khí quyển.
Tổng xạ: Là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng
xạ trên bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
Cường độ bức xạ (W/m
2
): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề
mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ bao gồm cường
độ bức xạ E
trx
, cường độ bức xạ tận E
trx
và cường độ bức xạ quang phổ E
qp
.
Năng lượng bức xạ (j/m
2
) là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại
lượng bằng tích phân trong một khoảng thời gian, nhất định (thường là 1 giờ hay 1
ngày).
Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu
trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc
mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
20
đó.
21
Góc thiên đỉnh
z
, là góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trường hợp nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới .
Góc cao mặt trời
s
, là góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức
là góc phụ của thiên đỉnh.
Góc phương vị mặt trời
s
, là góc lệch so với phương nằm ngang của hình chiếu
bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu
hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
Góc lệch
, là vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức
là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất,
với hướng phía bắc là hướng.
-23,45
0
23,45
0
Góc lệch có thể tính toán theo phương trình của cooper:
= 23,45.sin (360
365
n
EE
cos.
365
.360
cos.033.01
.
22
Thay giá trị cos
z
vào phương trình trên ta có
ngo
E
.
tại thời điểm bất kỳ từ lúc
mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn là:
sin.sin
180
sin.cos.cos
365
360
cos.033.01
3600.24
.
s
s
o
ngayo
n
E
E
Với
s
là góc giờ mặt trời lặn (tức là góc giờ khi
z
sin.sin
180
sinsincos.cos
365
360
033.01
3600112
12
21.
n
E
x
E
ogioo
d2
, E
d3
và bức xạ từ các
bề mặt khác lân cận E
r
:
E
= E
b
+ E
d1
+ E
d2
+ E
d3
+ E
r
Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy người ta
giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ của mặt đất là đẳng hướng,
nghĩa là tổng hợp của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất
là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt. Như vậy tổng
xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ E
b
.B
b
và tán xạ trên mặt nằm ngang
E
d
Trong đó: E
z
là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang, 24
(1 + cos)/2 = F
cs
là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
(1 - cos)/2 = F
cg
là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
R
g
là hệ số phản xạ bức xạ của môi trường xung quanh.
Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng
Và ta có tỷ số bức xạ B
b
của bề mặt nghiêng góc so với bề mặt nằm ngang:
zzn
n
bng
n
b
E
E
E
E
B
Copyright: Tài liệu đại học ©