LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 05 năm 2014 Đoàn Hữu Liêm ii CẢM TẠ Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, đặc biệt là Quý thầy cô thuộc khoa Cơ khí chế tạo máy đã tận tình giảng dạy và hướng dẫncho chúng tôi trong suốt thời gian theo học tại trường. Trong quá trình hoàn thànhluận văn này,tôiđã nhận được sự giúp đỡ tận tình của PGS.
Lê Hiếu Giang. Xin trân trọng cảm ơn Thầy. Tôi cũng xin cảm ơn sự góp ý chân thành của Quý thầy cô phản biện và Quý thầy cô trong Hội đồng bảo vệ luận văn, giúp tôi có thể hoàn thiện những thiếu sót của đề tài. Mặc dùđã rất cố gắng và nỗ lực khi thực hiện đề tài nhưng với lượng kiến thức còn hạn chế nên kết quả đạt được không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được ý kiến đóng góp của Quý thầy cô và các anh chị học viên.
Trân trọng cảm ơn ! Đoàn Hữu Liêm iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày đề tài “Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling”, đây là một trong những giải pháp tiết kiệm điện năng tận dụng nguồn năng lượng sạch và vô tận từ mặt trời. Hệ thống trên biến đổi năng lượng mặt trời thành cơ năng để chạy máy phát điện thông qua một hệ gương parabol hội tụ năng lượng bức xạ mặt trời để đốt nóng cho động cơ đốt ngoài Stirling đặt tại tiêu điểm của gương. Hệ gương parabol có đường kính khoảng 1,5 m có thể được chế tạo bằng tấm nhôm hoặc inox. Động cơ Stirling được chọn là loại beta, dung tích khoảng 600 cm3, môi chất công tác là không khí, sử dụng cơ cấu truyền động hình thoi.
Kết quả tính toán ban đầu cho thấy, với thông số động cơ và hệ gương parabol được chọn thì công suất của hệ thống đạt được là 22,82 W và hiệu suất nhiệt đạt 21,87 %. Quá trình tính toán công suất động cơ Stirling và kích thước của gương parabol được thực hiện với chương trình tính toán soạn thảo trên phần mềm MATLAB. ABSTRACT This thesis presented the topic “Calculation and design a generation system using solar energy based on the Stirling principle”, this isone of theenergy savingsolutions using cleanandendlesspower sourcefrom the sun. This systemtransformsthesolar energytomechanical energytooperate a generatorviaaparabolicmirrorconcentratingsolar radiationenergy to heattheexternal combustionStirlingengineplacedat the focal pointof themirror.
The parabolicmirrorwith a diameterof 1,5mcan bemadeof aluminumorstainless steel sheets. The Stirlingenginesis abeta type witha volume of about600cm3, using air workingfluid and rhombic drive mechanism. The initial result showed that the system with selected engine and mirror reached a power of 22,82 W and an efficiency of 21,87 %. The process calculatingStirlingengine iv powerandparabolicmirror dimension is performed by a MATLAB calculation program.
v MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân. i Lời cam đoan .ii Cảm tạ. iii Tóm tắt luận văn. iv Mục lục.
v Danh sách các hình. viii Chƣơng 1 - TỔNG QUAN .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố .1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling .2 Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling .3 Các loại động cơ Stirling .4 Cấu tạo của một số loại động cơ Stirling .5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong .6 Những ứng dụng của động cơ Stirling .2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu .1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu .3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu .1 Nhiệm vụ của đề tài .2 Phạm vi nghiên cứu .4 Phương pháp nghiên cứu .14 Chƣơng 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling .1 Các giả định của chu trình Stirling .2 Các quá trình nhiệt động trong chu trình Stirling .2 Chu trình Schmidt .1 Các giả định của chu trình Schmidt .2 Các ký hiệu dùng trong chu trình Schmidt .3 Chu trình Schmidt cho động cơ Stirling kiểu beta.4 Xác định công, công suất và hiệu suất động cơ .3 Cơ cấu hình thoi truyền động trong động cơ Stirling kiểu beta .1 Nguyên lý cấu tạo của cơ cấu hình thoi .2 Hành trình dịch chuyển của piston .3 Điểm chết trên, điểm chết dưới, chiều dài hành trình.4 Độ lệch pha giữa các piston .4 Nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời dùng gương cầu parabol .1 Ảnh của mặt trời qua gương parabol .2 Hệ số tập trung năng lượng bức xạ mặt trời .30 Chƣơng 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾĐỘNG CƠ NHIỆT STIRLING.1 Chọn kết cấu cho động cơ Stirling .2 Tính toán cơ cấu truyền động hình thoi .3 Tính toán công suất và hiệu suất động cơ .4 Tính toán truyền nhiệt làm mát tại buồng nén .5 Kết quả tính toán trên MATLAB .37 Chƣơng 4 - THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾTTRÊN ĐỘNG CƠ STIRLING .1 Thân và nắp hộp truyền động .3 Cụm piston lực và thanh truyền .4 Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền .5 Xylanh giãn nở .6 Cụm gối đỡ trục và ổ lăn .7 Bộ truyền hình thoi .8 Sơ đồ lắp ráp động cơ Stirling .52 Chƣơng 5 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾGƢƠNG PARABOL HỘI TỤ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI .1 Tính toán thông số cho biên dạng gương parabol .2 Tính toán thông số chế tạo gương parabol .3 Kết quả tính toán trên MATLAB .4 Kích thước chế tạo gương parabol .57 Chƣơng 6 - THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ .1 Khung đỡ gương cầu parabol .3 Chân và đế gương .4 Sơ đồ lắp ráp mô hình hệ thống .63 Chƣơng 7 - KẾT LUẬN .1 Kết quả đạt được của đề tài .2 Những tồn tại và kiến nghị để hoàn thiện đề tài .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 Chương trình MATLAB tính toán thông số bộ truyền hình thoi .69 Chương trình MATLAB tính toán công suất động cơ Stirling và thông số gương cầu parabol .70 Chương trình MATLAB tính toán kích thước chế tạo gương parabol .76 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 :Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816 1 Hình 1.2 : Tổ hợp động cơ Stirling – máy phát điện của Philips 2 Hình 1.3 :Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling 3 Hình 1.4 : Khi chưa cấp nhiệt 4 Hình 1.5 : Cấp nhiệt cho một đầu xylanh 5 Hình 1.6 : Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát 5 Hình 1.7 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha 7 Hình 1.8 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 8 Hình 1.9 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu gamma 8 Hình 1.10 : Tổ hợp phát điện Stirling dùng năng lượng mặt trời công suất 25 kW củaStirling Energy Systems, Inc 11 Hình 1.11 : Tổ hợp phát điện Stirling dùng dầu diesel hoặc dầu hỏa công suất 1 kW củaWhisper Tech Limited 11 Hình 1.12 : Mô hình xe hybrid dùng động cơ Stirling do GM nghiên cứu 11 Hình 1.13 : Động cơ Stirling 75 kW của Kockums và hệ thống AIP trên tàu ngầm HMS Näcken 12 Hình 1.14 : Hệ thống AC Whisper Gen 13 Hình 2.1 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 15 Hình 2.2 : Trạng thái ban đầu 16 Hình 2.3 : Đồ thị p – V và T – S 16 Hình 2.4 : Quá trình nén đẳng nhiệt 17 Hình 2.5 : Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 18 Hình 2.6 : Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 19 Hình 2.7 : Quá trình làm mát đẳng tích 20 Hình 2.8 : Nguyên lý cấu tạo của cơ cấu hình thoi 26 Hình 2.9 : Hành trình dịch chuyển của piston trong cơ cấu hình thoi 27 ix Hình 2.10 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston lực 27 Hình 2.11 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston dịch chuyển 28 Hình 2.12 : Ảnh của mặt trời qua gương parabol 29 Hình 2.13 : Hệ gương phản xạ và mặt thu 30 Hình 3.1 : Kết cấu động cơ Stirling 33 Hình 3.2 : Bộ truyền động hình thoi 34 Hình 3.3 : Đồ thị biểu diễn góc lệch pha 38 Hình 3.4 : Đồ thị P – V của động cơ Stirling 38 Hình 3.5 : Đồ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng 39 Hình 3.6 : Đồ thị biểu diễn áp suất tức thời của động cơ 39 Hình 3.7 : Đồ thị biểu diễn thể tích môi chất công tác 40 Hình 3.8 : Đồ thị biểu diễn thể tích tức thời của buồng nén và buồng giản nỡ 40 Hình 4.1 : Hộp truyền động 43 Hình 4.2 : Nắp trước hộp truyền động 44 Hình 4.3 : Nắp sau hộp truyền động 44 Hình 4.4 : Nắp dưới hộp truyền động 45 Hình 4.5 : Xylanh lực 46 Hình 4.6 : Cụm piston lực và thanh truyền 47 Hình 4.7 : Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 48 Hình 4.8 : Xylanh giãn nở 49 Hình 4.9 : Gối đỡ trục 50 Hình 4.10 : Trục bánh răng 50 Hình 4.12 : Bánh răng truyền động 51 Hình 4.13 : Thanh nối 51 Hình 4.14 : Thanh ngang 52 Hình 4.15 : Sơ đồ lắp ráp động cơ Stirling 53 Hình 5.1 : Biên dạng gần đúng của gương parabol 55 Hình 5.2 : Một phần biên dạng cung parabol 56 x Hình 5.3 : Biên dạng khai triển cung parabol 56 Hình 5.4 : Kích thước chế tạo gương parabol 58 Hình 6.1 : Khung đỡ gương parabol 59 Hình 6.2 : Giá đỡ động cơ Stirling 60 Hình 6.6 : Sơ đồ lắp ráp hệ thống 63 Hình 6.7 : Mô hình hệ thống phát điện 64 xi Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling [6] Động cơ Stirlingdo ông Robert Stirling, một mục sư người Scotland,phát minh vào năm 1816. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ. Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước và vật liệu chế tạo không phù hợp.1 – Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816.
Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế chođộng cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiênvề khí thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minhra động cơ khí nóng. Nhưng mô hình động cơ Stirling của Robert Stirling đưa ranăm 1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất.