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 gn 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 mt 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 b năng lượng mt trời đang được dng rất
phổ biến hiện nay là hệ thống nước nóng dng năng lượng mt trời sử dụng trong các hộ
gia đnh, nhưng trong thc tế quá trnh hấp thu NLMT của hệ thống thiết b và sử dụng
năng lượng của hộ tiêu thụ không tương ứng với nhau về mt thời gian cng như về công
suất nên việc nghiên cứu hệ thống tích trử nhiệt t 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 thc hiện chương trnh 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) Kho st nhit đ nưc nng trong b thu năng lưng mt tri
Các hệ thống sử dụng nước nóng dng NLMT trong các hộ gia đnh hiện nay
đang sử dụng chính bản thân nước làm chất trử nhiệt và được chứa trong bnh có bc
cách nhiệt. Trong các hệ thống này nhiệt độ nước trong bnh thường thay đổi t nhiệt độ
bằng nhiệt độ môi trường (lc sng sm chưa c NLMT) đến trên 80oC (lc cường độ
bc x mt trời đt cc đi ) trong khi đó nhiệt độ yêu cầu sử dụng ch khoảng dưới
60o
Với bộ thu phng có diện tích bề mt hấp thụ 1m
C.
2 đt tại Đà Nng có nhiệt độ
môi trường tf=30oC cường độ bức xạ trung bnh En = 940 W/m2
khi lưu lượng nước qua
bộ thu G =0,002kg/s th hàm phân bố nhiệt độ nước nóng trong bộ thu theo thời gian
trong ngày như hnh 1, [2].
t
τ
m
τ
6 8 10 12 12,9 14 16 18h
0
20
40
60
80
100 C
o
30
â(τ)
t
(τ)
t
95,4 C
o
94 C
o
72 C
o
45 C
o
64 C
o
36 C
o
Hình 1. Hàm phân b nhiệt độ ca bộ thu đt c đnh t(
τ
) và khi quay quanh hưng mt trời t
Trong thc tế các hệ thống cung cấp nước nóng thường đt cố đnh , theo hình 1,
với bộ thu nước nóng bnh thường th trong một ngày có th ời gian nhiệt độ của cả hệ
thống rất lớn. Hơn na trong thời gian có cường độ bức xạ mt trời cc đại (12h – 14h)
là lc nhu cầu sử dụng về nước nóng rất ít , nên lượng nước có nhiệt độ cao gi trong
bnh với thời gian dài do đó tổn thất nhiệt ra môi trường lớn . Vậy cần phải tính toán để
dng một chất trung gian có thể hấp thụ để gi lại lượng nhiệt khi cường độ bức xạ mt
trời cao và sử dụng khi cần thiết (ngay c khi không c NLMT), chất trung gian đó gi là
chất chuyển pha.
đ(
τ
)
b) Chọn chất chuyển pha
Chất chuyển pha dng trử nhiệt cần phải chn nhng chất có nhiệt độ nóng chảy
ph hợp, có nhiệt nóng chảy lớn , không độc hại, không phản ứng hay ăn mn 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  các dải nhiệt
độ khác nhau có thể sử dụng.
Bng1. Một s cht chuyn pha ở cc di nhiệt độ khc 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 H20,997
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
Ty thuộc vào dải nhiệt độ nước cần sử dụng mà ta chn các chất chuyển pha có
nhiệt độ nóng chảy ph hợp . Với hệ thống cung cấp nước nóng dng trong hộ gia đnh
(nhiệt độ 40 oC - 60o
c) Tính chọn b thu và bình tích trữ nhit
C) th chng ta có thể chn chất chuyển pha là paraffin, paraffin có
một số ưu điểm như ; khả năng tương thích với vật liệu xây dng thông thường, không
phân tầng, tính chất hoá hc ổn đnh, nhiệt nóng chảy cao, an toàn và không phản ứng
phụ nên rất ph hợp để làm chất trử nhiệt trong hệ thống cung cấp nước nóng.
Đối với hệ thống cung cấp nước nóng dng trong hộ gia thường có dung tích 80
lít nước với bề mt 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 mt trời có cấu tạo như như hnh 2 và một bnh trử
nhiệt (hình 3).
1
2
34567
8
a
b
1-
Lp cch nhiệt,
2- Lp đệm tm ph trong sut
3- Tm ph trong sut,
4- Đường nưc nóng ra,
5- Bề mt hp thụ nhiệt,
6- Lp tôn bọc,
7- Đường nưc lnh vào,
8- Khung đở Collector
Hình 2. Cu to Collector hp 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
Bnh tích trử có kích thước cấu tạo
như hnh 3, chứa lượng nước 80 lít và 19
lít chất paraffin,  đây paraffin được chứa
trong ống Inox Φ = 16mm cn 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 mt 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 đ
được làm bằng nhôm.
2.2. Nghiên cứu thực nghim
Hệ thống thiết b thc nghiệm đã được chế tạo như hnh 4. Bình tr nhiệt được
nối với bộ thu gồm 2 collector 1m2
a) Quá tr ình cấp nhit . Nước
hấp thụ năng lượng bức xạ mt trời và
trao đổi nhiệt với Paraffin trong bnh
tích trử nhiệt, bắt đầu  nhiệt độ môi
trường. Paraffin được nung nóng tt,
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
nhiệt độ không đổi 59 ± 2
mắc
song song như hình 4. Nước trong hệ
thống được chuyển động tuần hoàn t
nhiên, nước cấp vào dưới bnh tích trử
và lấy ra t phía trên bnh.
o
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 nưc nóng đem đi sử dụng
5. Ống nưc lnh vào collector
6. Ống lắp nhiệt kế đo nhiệt độ paraffin
7.
Ống nưc lnh cp vào bình
Hình 4. Thiết b thc nghiệm
Hình 3. Cu to bnh tch trữ nhiệt
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(36).2010
18
hơn tnước làm cho Paraffin quá nhiệt, nhờ vậy lại tích trử nhiệt hiện. Quá trnh cấp
nhiệt tiếp tục cho đến khi Paraffin và nước đạt được cân bằng nhiệt.
Nhiệt độ của và nước v trí khác nhau được ghi lại sau mỗi 20 pht. Quá trnh
xả nước được tiến hành bằng cách lấy một lượng nước nóng tbnh chứa và ha trộn
với nước lạnh để đạt được nhiệt độ 45o
Bng 2. S liệu nhiệt độ nưc và paraffin đầu vào, ra ca bnh cha
C cho việc sử dụng trc tiếp và bnh chứa được
cấp nước lạnh lại để duy tr mức nước trong bnh 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
T số liệu đo được ta thấy n hiệt độ của nước đầu vào bnh chứa tăng đều cho
đến khi đạt nhiệt độ khoảng 61 oC (sau khong 3 giờ k từ lc bắt đầu đo là 7h sng),
đó nó duy trì không đổi trong khoảng 40 pht. Tron g suốt thời gian này, chất chuyển
pha trải qua s biến đổi pha đng nhiệt  59 ± 20C. Sau đó, nhiệt độ nước tăng lên 10oC,
và đạt đến nhiệt độ lớn nhất là 71o
Nhiệt độ nước đầu ra bnh chứa trong na khoảng thời gian đầu tăng đều
nhưng chậm do lưu lượng nước thấp. Sau khoảng 6 giờ th nhiệt độ nước đầu ra đạt
khoảng 58 ± 0.5
C.
oC. Lúc này paraffin trong bình chứa  đầu vào và đầu ra đều trong quá