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 , h r2S và h r21 giữa kính chắn 1 và tấm hấp thụ 2. Hao tổn mặt trên và mặt dới đợc biểu diễn bởi các hệ số U t và U B . h r2S 1 2 T A D òn g kh í S 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 1 2 T A D òng kh í S U B U t h r21 h c2I h c1I T A Hình 1. Cấu trúc của collector khôn g kh í 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 Hình 3. Mô hình truyền nhiệt collector không khí Ac h 1 Sr h 1 21r h Sr h 2 Ic h 1 Ic h 2 SA TT , GA TT , Bd h 2 cBA h rBG h II 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. Sr h 1 /1 21 /1 r h Ac h 1 /1 Bd h 2 /1 cBG 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 S 2 T U Q SA TT , GA TT , 1 T B T 1 R 2 R 3 R 4 R 3 R Hình 4. Mô hình tơng tự và mạch tơng đơng của bộ thu Mô hình toán học biểu diễn quá trình năng lợng đợc viết trên các phần tử của bộ thu cho một phần tử chiều dài dy có bề rộng bằng bề rộng tấm thu W. Mô hình đợc xây dựng với các giả thiết: dòng khí chuyển động theo chiều dọc của bộ thu, bỏ qua gradien nhiệt độ theo phơng vuông góc với dòng khí, bỏ qua quá trình dẫn nhiệt của kính chắn và tấm hấp thụ. Phơng trình cân bằng năng lợng trên kính chắn đợc thiết lập từ quá trình trao đổi nhiệt giữa kính chắn với môi chất tải nhiệt và môi trờng bên ngoài: )()()()( 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 CLv t CL + TT = (2) 3 Năng lợng tích lũy trên tấm hấp thụ đợc xác định dựa trên năng lợng thu nhận từ bức xạ mặt trời và quá trình trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt với chất cách nhiệt và môi trờng: )()()()( 2222122122 2 2322 BBdSSrrIIcT TThTThTThTThI t CL = T (3) Trong đó là tích số truyền-hấp thụ tia bức xạ trong khe hở không khí đợc xác định theo các hệ số truyền qua của kính chắn 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 || = + + uyyIAAyIAA qyWTCmTCm (5) q u năng lợng hữu ích đợc xác định bởi: [ ] )( ' AILu TTUSFq = (6) F là hệ số hiệu suất của bộ thu: [] tbtBIcIcrtIcBIcIc IcIcrtIcIcIc UUUUhhhUhUhh hhhUhhh F .)()( )( 2121221 2121221 ' +++++++ + + + = (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 A là lu lợng gió và nhiệt dung riêng không khí trong tấm thu. Trong đó các hệ số truyền nhiệt bức xạ và đối lu đợc xác định nh sau: kk kk IcIc L Nuhh == 21 (9) Trong đó: Số Nusselt đợc xác định theo biểu thức (4.19): () + + + += 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 m kk T Ra = 3 LTg (11) Hệ số truyền nhiệt đối lu giữa kính chắn và môi trờng xung quanh đợc tính theo tốc độ gió v A : h c1A = 2,8 + 3.v A (12) Hệ số truyền nhiệt bức xạ giữa tấm hấp thụ và kính chắn đợc xác định theo biểu thức: 1 11 ))(()1( 21 12 2 1 2 22 12 + ++ = 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 TT TT h = 1 44 1 11 )( (15) Chia hai vế phơng trình cho y và lấy giới hạn khi 0 y nhận đợc dạng phơng trình cân bằng năng lợng: [ 0)('. = AIL I AA TTUSFW 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 TT (17) Dựa trên các công thức tính toán các hệ số hao tổn và các biểu thức từ (6) đến (17) để lập chơng trình tính toán mô phỏng. Chơng trình tính toán viết bằng phần mềm MATLAB địa điểm khảo sát tại Trờng Đại học Nông nghiệp I với các thông số về năng lợng mặt trời, nhiệt độ trung bình mùa hè và mùa đông, tốc độ gió trung bình và các thông số vật liệu chế tạo tấm thu. Kết quả tính toán cho collector không khí với các thông số: chiều dài từ đờng khí vào đến đờng khí ra 1900mm, W = 950mm thời gian tính cho hai ngày 21 tháng 1 và 21 tháng 7. Kết quả đợc mô tả trên hình 5. 5 40 50 60 70 80 90 100 110 NHIET DO TRONG DAN THU 21-7 (ma=0.25kg/s) Nhiet do (Do C) t=8h t=9h t=10h t=11h t=12h 30 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 g à y 21 thán g 1 và 21 thán g 7 4. Kết luận 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 15 20 25 30 35 40 45 NHIET DO TRONG DAN THU 21-1 (t=8h) Chieu dai dan thu (m) Nhiet do (Do C) 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 đầu ra bộ thu đạt 44,11 o C lúc 8 giờ sáng, nhiệt độ cực đại 93,4 o C lúc 12 h tra. Tính toán tơng tự cho ngày 21 tháng 7 nhiệt độ tơng ứng là 62,78 o C và 104,47 o C. Khi thay đổi lu khối của dòng khí từ 0,05kg/s đến 0,25kg/s nhiệt độ dọc theo dàn thu thay đổi nh đồ thị trong các hình 5 và 6. Dựa trên kết quả tính toán mô phỏng có thể lựa chọn các thông số hình học của bộ thu một cách hợp lý theo các loại vật liệu đã chọn. Tài liệu tham khảo Bala, B. K, (1998). Solar Drying Systems: Simulations and Optimization. Agrotech Publishing Academy: Udaipur. Esper, A, 1995. Solarer Tuneltrockner mit photovotaischem Antriessystem. Dissertation. Institut fur agratechnik in den Tropen und Subtropen, Stuttgart. Trần Quang Khánh, Nguyễn Văn Đờng (2004). "Phơng pháp phân tích đánh giá nguồn năng lợng mặt trời trên bề mặt bộ thu năng lợng tấm phẳng". Điện lực, tr 40 Bùi Hải Triều, Trơng thị Toàn (2003). "Mô hình mô phỏng thiết bị và quá trình sấy nông sản bằng năng lợng mặt trời". Khoa học Công nghệ Nhiệt, 52, tr 13 6 . 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 Hình 3. Mô hình truyền nhiệt collector không khí. 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. 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.