ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

BÁO CÁO TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI

PHÂN TÍCH EXERGY
TRONG HỆ THỐNG NHIỆT MẶT TRỜI

MƠN HỌC

:

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

GVHD

:

PGS-TS NGUYỄN THẾ BẢO

HV

:

NGUYỄN MAI BÍCH TIÊN

MSHV

:

2070339

Tp.Hồ Chí Minh – 2021


MỤC LỤC
PHẦN 1 – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................ 3
1.1

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY ........................ 3

1.2.1.

Đặt vấn đề .......................................................................................................................... 3

1.2.2.

Exergy ................................................................................................................................. 5

1.2.3.

Phương pháp phân tích exergy ................................................................................... 7

1.2.4.

Exergy và sự phát triển bền vững ............................................................................. 10

1.2


KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI........................................................................ 15

1.2.1.

Các góc mặt trời ............................................................................................................. 17

1.2.2.

Bức xạ mặt trời ............................................................................................................... 20

1.2.3.

Bộ thu năng lượng mặt trời ........................................................................................ 21

1.2.4.

Bộ thu ống chân khơng ................................................................................................ 26

PHẦN 2 – TÍNH TỐN HIỆU SUẤT BỘ THU ỐNG CHÂN KHƠNG .............................................. 30
2.1

TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I ........................................ 31

2.2

PHÂN TÍCH EXERGY THEO ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II ............................................. 33

2.3


NHẬN XÉT KẾT QUẢ ............................................................................................................. 33

2.4

BÀI TÍNH THAM KHẢO .......................................................................................................... 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................... 40

2


PHẦN 1 – GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG & PHÂN TÍCH EXERGY
1.2.1.

Đặt vấn đề

Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng theo định luật nhiệt động I
Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học thể hiện nguyên tắc bảo tồn năng lượng.
Năng lượng có thể khơng được tạo ra cũng như khơng bị phá hủy, theo đó, tổng
năng lượng trong một hệ kín ln được bảo tồn, do đó không đổi và chỉ thay đổi
từ dạng này sang dạng khác.

Hình 1: Sự bảo tồn năng lượng theo định luật nhiệt động I
Đối với một hệ hở, nếu năng lượng đầu ra khác năng lượng đầu vào thì chứng tỏ
nội năng của hệ đó đã thay đổi.

3



Hình 2
Từ đó đưa đến một khái niệm là hiệu suất nhiệt của hệ thống này, tức là khả năng
sử dụng hiệu quả năng lượng của hệ:

𝜂=

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡

Tuy nhiên, ta có thể thấy định luật nhiệt động I chỉ mang tính định lượng mà chưa
thể hiện được chất lượng hay nói cách khác là mức độ sử dụng được của nguồn
năng lượng được khảo sát.
Ta lấy một ví dụ cụ thể để hiểu rõ hơn về vấn đề này.

Hình 3
4


Khảo sát một bình đun nước siêu tốc có cơng suất 1kW, về mặt số lượng, tổng
năng lượng đầu vào bằng tổng năng lượng đầu ra vì 1kW điện năng đã hoàn toàn
biến thành 1kW nhiệt năng làm cho nước sơi, hiệu suất nhiệt của bình là 100%.
Tuy nhiên, theo chiều hướng ngược lại, ta không thể dùng 1kW nước sôi ấy để
biến ngược lại thành 1kW điện năng như ban đầu được.
Rõ ràng, về mặt chất lượng, 1kW điện năng ban đầu có giá trị cao hơn, ta có thể
dùng điện để chạy các thiết bị sử dụng điện như máy quạt, bếp điện, tủ lạnh, tivi…,
trong khi đó, nước sơi thì chỉ để pha trà, nấu mì gói…
Từ ví dụ này, ta thấy tổng năng lượng của hệ thống không thay đổi, nhưng khả
năng sử dụng đã bị giảm đi. Việc đánh giá chất lượng của năng lượng đưa ta đến
khái niệm exergy (hay availability).
1.2.2.


Exergy

Exergy của hệ A: là lượng cơng lý thuyết lớn nhất có thể nhận được khi cho hệ A
biến đổi từ trạng thái đang khảo sát đến trạng thái chết (Dead state).
Dead state – trạng thái chết: là trạng thái cân bằng nhiệt và cơ với môi trường
xung quang của hệ được khảo sát.
Phân loại exergy:
-

Exergy vật lý (Physical exergy)

-

Exergy hóa học (Chemical exergy)

-

Exergy động năng (Kinetic exergy)

-

Exergy thế năng (Potential exergy)

-

Exergy nhiệt năng (bao gồm vật lý và hóa học)

5



Hình 4: Bốn loại exergy của nhiên liệu

Hình 5: Exergy thế năng của nước
6


Hình 6: Viên đạn bay với tốc độ cao có khả năng sát thương lớn
1.2.3.

Phương pháp phân tích exergy

Trở lại hình vẽ trên, lúc này năng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra sẽ được phân ra
thành hai phần: exergy và anergy.

Hình 7
Exergy là phần năng lượng sử dụng được, anergy là phần năng lượng vơ ích. Lúc này,
hiệu quả sử dụng năng lượng được đánh giá bằng hiệu suất nhiệt động II
𝜂 =

𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡

7


Exergy  Q(1 

Anergy  Q(


To
)
Th

To
)
Th

 To  
 1   Qu
Tu 

 To  
 1   Qs
 Ts 

Ở đầu ra, phần exergy bị sụt giảm một lượng gọi là irreversibility.
Irreversibility: lượng tổn thất exergy ~ lượng exergy bị phá hủy do tồn tại tính khơng
thuận nghịch trong hệ thống khảo sát
I = Ex1 – Ex2

Hình 8: Sự khơng thuận nghịch của q trình
Ví dụ một vài yếu tố không thuận nghịch gây nên tổn thất exergy:
 Ma sát (trong chuyển động)
 Nhiệt trở (trong truyền nhiệt)
 Điện trở (trong các thiết bị điện)
 Tổn thất áp suất (môi chất chuyển động trong đường ống, thiết bị) ….

8



Hình 9: Ma sát

Hình 10: Quả banh ném xuống sẽ nảy lên và dần dừng lại do ma sát và truyền
nhiệt với bề mặt tiếp xúc
Như vậy, với phương pháp phân tích exergy ta sẽ có cái nhìn tổng quan, xác định được
việc sử dụng năng lượng có hiệu quả khơng, từ đó có thể xác định được những chỗ nào
cần cải tiến, nâng cao kĩ thuật để tối ưu hóa hiệu quả.
9


1.2.4.

Exergy và sự phát triển bền vững

Các nguồn năng lượng có tầm ảnh hưởng cực kì quan trọng tới sự sinh tồn và phát triển
của xã hội. Vì thế, việc sử dụng năng lượng phải hợp lý và hiệu quả để tạo tiền đề cho
sự phát triển bền vững của con người.
Các phương pháp phân tích exergy ngày càng thể hiện sự quạn trọng vì chúng hữu ích
trong việc cải thiện hiệu suất.
Các môi liên hệ giữa exergy với năng lượng và mơi trường chứng tỏ răng exergy có liên
quan trực tiếp đến sự phát triển bền vững.
Khi phân tích exergy, ta sẽ quan tâm đến tổn thất exergy, bởi vì đây là chỗ cần phải cải
tiến để giảm sự lãng phí năng lượng.
Tuy nhiên trong một hệ thống, việc giảm tổn thất exergy ở chỗ này có thể làm tăng exergy
ở chỗ khác. Cho nên, ta phải có cái nhìn tổng thể, xem xét trên quy mơ hệ thống để có
giải pháp hợp lý.
Trong kỹ thuật, các sơ đồ lưu lượng thường được sử dụng để mơ tả dịng năng lượng
hoặc exergy qua một q trình.


Hình 11: Dịng năng lượng và eexergy trong nồi hơi

10


Hình 12: Dịng năng lượng và exergy của nhà máy nhiệt điện

11




Exergy – sự phá hủy trật tự và tạo ra hỗn loạn: phá hủy trật tự và tạo ra sự hỗn
loạn là một dạng thiệt hại môi trường. Entropy là thước đo sự hỗn loạn còn exergy
là thước đo sự trật tự.
Trong một môi trường, entropy càng cao càng hỗn loạn hơn entropy thấp, hệ có
exergy cao thì trật tự hơn exergy thấp.
Ví dụ hình 5: trong cùng mơi trường áp suất, chất rắn sẽ có entropy thấp hơn chất
lỏng, và đồng thời chất rắn sẽ có khả năng sinh cơng cao hơn chất lỏng có nghĩa
là exergy cao hơn.

Hình 13



Sự suy thoái tài nguyên: nguồn tài nguyên được định nghĩa như một loại vật liệu,
được tìm thấy trong thiên nhiên hoặc là nhân tạo. Sự suy thoái tài nguyên là một
dạng thiệt hại về môi trường.

12



Hình 14: Phá núi để khai thác đá
Để làm giảm tác động mơi trường liên quan tới suy thối tài nguyên, ta dùng hai
phương pháp: tăng hiệu suất và sử dụng các nguồn tài nguyên bên ngoài trái đất
như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt…

Hình 15: Điện gió và điện MT
13




Lượng phát thải chất thải exergy: exergy kết hợp với các phát thải khí thải có khả
năng gây thiệt hại về mơi trường, trong đó exergy của chất thải là hệ quả của việc
môi trường bị mất cân bằng, gây ra sự thay đổi.

Hình 16: khí thải CO2 ảnh hưởng đến việc tiếp nhận và tái bức xạ của bức xạ
mặt trời từ trái đất


Exergy và sự phát triển bền vững: sự phát triển bền vững bao gồm tiềm năng kinh
tế. như vậy, các phương pháp liên quan exergy và kinh tế cũng tăng cường sự
liên kết giữa exergy và sự phát triển bền vững.
Tóm lại, để phát triển bền vững cần:
-

Tăng hiệu suất exergy

-


Giảm suy thối mơi trường có liên quan đến exergy

-

Sử dụng các nguồn tài nguyên bền vững

14


1.2 KHÁI NIỆM VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hình 17
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng cổ xưa nhất, được sử dụng sớm nhất.
Từ xa xưa, con người đã biết dùng ánh nắng mặt trời để làm khô quần áo, phơi lúa, làm
muối, dùng thuyền buồm mượn lực của gió (gió cũng từ năng lượng mặt trời mà ra).

Hình 18: Người nông dân đang cùng nhau phơi lúa

15


Hinh 19: Nét đẹp trên cánh đồng muối

Hình 20: Thuyền buồm nâu thời xưa
Ngày nay, khi các nguồn năng lượng ngày càng khan hiếm, thì việc khai thác được năng
lượng mặt trời là điều được mọi người quan tâm.
Năng lượng mặt trời được khảo sát ở đây là bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời bao gồm
trực xạ, tán xạ và phản xạ. Vì thành phần phản xạ rất nhỏ so với 2 thành phần còn lại,
nên ta bỏ qua.

16


Hình 21
Để xác định thành phần trực xạ tới trên một mặt định hướng bất kì trên mặt đất, người
ta cần phải xác định giá trị thành phần năng lượng trực xạ tới bề mặt trên theo phương
vng góc với nó.
Nếu gọi  là góc giữa tia tới có cường độ bức xạ I và pháp tuyến của bề mặt quan sát,
thì thành phần tới của tia vng góc với bề mặt sẽ là I.cos. Góc tới  phụ thuộc vào
nhiều thông số khác như vĩ độ ϕ của địa phương quan sát, độ xích vĩ mặt trời δ, góc
phương vị γ, góc giờ của mặt trời ω, góc nghiêng  của mặt quan sát so với mặt nằm
ngang …v.v.. Ta sẽ đi qua phần định nghĩa các góc này.
1.2.1.

Các góc mặt trời

a. Vĩ độ (latitude angle) ϕ: là khoảng cách góc giữa điểm P Bắc (hay Nam) và xích
đạo. Nó là góc giữa đường OP và hình chiếu của OP trên mặt phẳng xích đạo.
Điểm O biểu diễn tâm trái đất.
b. Góc giờ (hour angle) ω: là góc được đo trong mặt phẳng xích đạo của trái đất giữa
hình chiếu của và hình chiếu của đường nối tâm mặt trời và trái đất.
17


c. Độ xích vĩ mặt trời δ (sun’s declination) là khoảng cách góc giữa tia mặt trời Bắc
(hay Nam) và xích đạo. Nó là góc giữa đường kéo dài từ tâm mặt trời đến tâm trái
đất và hình chiếu của đường thẳng này trên mặt phẳng xích đạo.

Hình 22: Các góc Mặt trời


Góc δ có thể được xác định bằng cơng thức Cooper:

(1)

Trong đó: n là ngày của năm tính từ ngày 1 tháng 1. Ví dụ ngày 15/1 thì n = 15
d. Góc thiên đỉnh Z(Zenith angle): là góc giữa các tia mặt trời và pháp tuyến của
mặt phẳng nằm ngang ở P (đường kéo dài). Như vậy nó là góc tới trên mặt phẳng
ngang.
e. Góc cao α (altitude angle): là góc trong mặt phẳng thẳng đứng giữa các tia mặt
trời và hình chiếu của tia này trên mặt phẳng ngang. Ta có: α + Z = 900.
f. Góc phương vị γ (Azimuth angle): là góc trong mặt phẳng ngang được đo từ trục
phương Nam đến hình chiếu trên mặt ngang của tia mặt trời. Từ đúng hướng Nam
18


về phương Đông lấy dấu âm và về phương Tây mang dấu dương. Cần chú ý là
một số tài liệu lấy dấu ngược lại.
g. Góc nghiêng  (slope): là góc giữa bề mặt và mặt phẳng nằm ngang.
h. Góc phương vị γc : là góc nằm trong mặt phẳng ngang được đo từ phương Nam
đến hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng ngang.
i.

Góc giờ mặt trời lặn

(2)

j.

Lúc này ta tính được góc tới  bằng cơng thức bên dưới:
cos = sinδ.sinϕ.cos – sinδ.cosϕ.sin.cosγc + cosδ.cosϕ.cos.cosω +

cosδ.sinϕ.sin.cosγc.cosω + cosδ.sin.sinγc.sinω

Hình 23
19

(3)


1.2.2.

Bức xạ mặt trời

Sau khi đã có có giá trị các góc mặt trời, ta cần tìm giá trị thành phần trực xạ để sau
đó tính ra giá trị tổng bức xạ đến bề mặt cần khảo sát.
a. Mật độ dịng trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính the 1m2 bề mặt đất vng góc với
tia trực xạ Gsc = 1353W/m2
b. Bức xạ mặt trời từng giờ tổng tới một mặt phẳng ngang có định ngồi khí quyển
I0 được tính bằng cơng thức dưới đây

(4)
c. Chỉ số quang mây giờ KT =
d. Thành phần tán xạ giờ Id được tính từ cơng thức:

(5)

 Id = I.KT
Trong đó I là bức xạ giờ đo được trên bề mặt trái đất.
e. Thành phần trực xạ giờ : Ib = I - Id

(6)


f. Tỉ số giữa bức xạ tổng trên một mặt nghiêng với bức xạ tổng trên một mặt ngang:
R=
R =

.Rb + .Rd

(6)

(7)

Người ta đưa ra hai giả thiết để làm cơ sở cho sự hiệu chỉnh sự phân bố tán xạ trên bầu
trời.
20


-

Thứ nhất: giả thiết sự phân tán bức xạ mặt trời là phân tán thuận, do đó
hầu hết bức xạ đều từ hướng mặt trời. Nói cách khác, bức xạ được xem
như tất cả là trực xạ, do đó R = Rb. Giả thiết này phù hợp nhất vào các ngày
quang mây.

𝑅 =
-

( ).

.


.
.




( ).

.





(8)

Thứ hai: giả thiết thành phần khuếch tán là đẳng hướng, có nghĩa là được
phân bố thống nhất trên bầu trời. giả thiết này sử dụng vào những ngày có
sương mù. Lúc này Rd = 1.

Từ đó ta tính được cường độ tổng xạ đến mặt phẳng nghiêng theo giờ:

𝐼 =𝐼 𝑅 +
1.2.3.

1 + cos 
1 − cos 
𝐼 +𝜌
𝐼
2

2

Bộ thu năng lượng mặt trời

Để sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời khổng lồ, con người đã nghiên cứu và phát
minh ra nhiều loại thiết bị gọi là bộ thu năng lượng mặt trời. Có nhiều loại bộ thu dựa vào
cấu tạo và mục đích sử dụng của chúng. Ta sẽ nói qua các loại và đi sâu vào bộ thu ống
chân không sẽ được dùng ở phần tính tốn.
a. Bộ thu tấm phẳng

Hình 24
21


Hình 25
Sự hoạt động của bộ thu tấm phẳng dựa trên cơ sở định luật bảo tồn năng lượng.
(9)
Trong đó:
-

H: năng lượng bức xạ tới trên một đơn vị diện tích bề mặt nằm ngang (W/m 2)

-

Rb: hệ số chuyển đổi từ mặt phẳng ngang sang mặt phẳng nghiêng

-

Ac: diện tích bộ thu


-

Qu: năng lượng có ích bộ thu nhận được

-

Ql: năng lượng thất thốt ra mơi trường xung quanh

-

Qs: năng lượng để làm nóng các vật liệu của bộ thu

22


b. Bộ thu ống chân không
Được sử dụng rộng rãi trong thập niên gần đây, bộ thu ống chân không vừa có ưu điểm
rẻ tiền, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hiệu quả sử dụng cao lại bền và dễ thay thế sửa chữa.

Hình 26
Người ta có thể kết nối nhiều cụm nhỏ để tạo ra một hệ thống lớn, cung cấp cho nhu
cầu nước nóng lớn ở nhà hàng, khách sạn…

Hình 27

23


c. Bộ thu ống chân khơng dạng ống nhiệt


Hình 28

Hình 29: Mơ hình cắt lớp tấm thu nhiệt lõi đồng

24


d. Pin mặt trời

Hình 30
e. Nhà máy điện mặt trời dạng collector tập trung

Hình 31
25