Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo ước tính, năng lượng mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng sạch, vô tận và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất điện năng. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý động cơ Stirling, một loại động cơ nhiệt đốt ngoài có hiệu suất cao và khả năng vận hành linh hoạt với nhiều nguồn nhiệt khác nhau.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tính toán và thiết kế một hệ thống phát điện nhỏ gọn, hiệu quả, tận dụng năng lượng mặt trời thông qua gương parabol hội tụ để đốt nóng động cơ Stirling kiểu beta. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc thiết kế động cơ Stirling và hệ thống gương parabol với đường kính khoảng 1,5 m, sử dụng môi chất công tác là không khí và cơ cấu truyền động hình thoi. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn thiết kế và mô phỏng trên phần mềm MATLAB, không bao gồm việc chế tạo mô hình thực nghiệm do hạn chế về kinh phí và trang thiết bị.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp tiết kiệm điện năng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần phát triển công nghệ năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Kết quả tính toán ban đầu cho thấy hệ thống có công suất đạt khoảng 22,82 W với hiệu suất nhiệt đạt 21,87%, mở ra hướng đi mới trong ứng dụng động cơ Stirling cho phát điện năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling và nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời bằng gương parabol.

  1. Chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling: Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình kín gồm bốn quá trình cơ bản: nén đẳng nhiệt, cấp nhiệt đẳng tích, giãn nở đẳng nhiệt và làm mát đẳng tích. Chu trình Schmidt được áp dụng để mô phỏng và tính toán các thông số công suất, áp suất và hiệu suất của động cơ Stirling kiểu beta. Các giả định bao gồm môi chất công tác là khí lý tưởng, quá trình hồi nhiệt lý tưởng và không có tổn thất áp suất.

  2. Nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời bằng gương parabol: Gương parabol tròn xoay được sử dụng để tập trung bức xạ mặt trời tại tiêu điểm, nơi đặt động cơ Stirling. Đường kính gương khoảng 1,5 m, được chế tạo từ tấm nhôm hoặc inox với hệ số phản xạ cao. Hệ số tập trung năng lượng bức xạ được tính dựa trên diện tích mặt thu và diện tích gương phản xạ, đảm bảo năng lượng tập trung đủ để đốt nóng động cơ.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: động cơ Stirling kiểu beta, cơ cấu truyền động hình thoi, chu trình Schmidt, hiệu suất nhiệt động cơ, hệ số tập trung năng lượng mặt trời, và môi chất công tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu chuyên ngành, các nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ Stirling và ứng dụng năng lượng mặt trời. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Tổng hợp và phân tích tài liệu: Thu thập các lý thuyết, mô hình và số liệu liên quan đến động cơ Stirling và hệ thống gương parabol.
  • Tính toán và mô phỏng trên máy tính: Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng chu trình Schmidt, tính toán công suất, hiệu suất động cơ, kích thước gương parabol và các thông số cơ cấu truyền động hình thoi.
  • Quan sát thực nghiệm: Mặc dù không thực hiện chế tạo mô hình thử nghiệm, nghiên cứu dựa trên các quan sát thực tế và số liệu tham khảo từ các hệ thống tương tự.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình động cơ Stirling kiểu beta với dung tích khoảng 600 cm³, sử dụng không khí làm môi chất công tác. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào thiết kế chi tiết các bộ phận động cơ và hệ thống gương parabol phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Timeline nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn chuẩn bị, tính toán và mô phỏng từ đầu năm đến tháng 5 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Công suất và hiệu suất động cơ Stirling: Qua mô phỏng trên MATLAB, động cơ Stirling kiểu beta với dung tích 600 cm³ và nhiệt độ buồng giãn nở 300°C đạt công suất khoảng 22,82 W, hiệu suất nhiệt đạt 21,87%. Áp suất trung bình trong chu trình là 5,86×10⁴ Pa, thể tích quét buồng nén và giãn nở là 1,74×10⁻⁴ m³.

  2. Thiết kế cơ cấu truyền động hình thoi: Các thông số cơ cấu truyền động được tính toán gồm chiều dài thanh nối 50 mm, bán kính quay 20 mm, khoảng cách trục 80 mm, khoảng lệch tâm 27,57 mm, chiều dài hành trình piston 52,52 mm. Cơ cấu này giúp giảm rung động, cân bằng tốt và dễ làm kín không gian công tác.

  3. Kích thước và hiệu quả gương parabol: Gương parabol có đường kính 1,5 m, được thiết kế với biên dạng parabol chính xác để tập trung năng lượng mặt trời tại tiêu điểm. Hệ số tập trung năng lượng bức xạ được tối ưu hóa để đảm bảo nhiệt độ buồng giãn nở đạt mức cần thiết cho hoạt động động cơ.

  4. Nhiệt lượng làm mát buồng nén: Nhiệt lượng cần giải phóng tại buồng nén được tính toán để duy trì nhiệt độ không khí bên ngoài không vượt quá 28,46°C, đảm bảo hiệu suất hoạt động và tuổi thọ động cơ.

Thảo luận kết quả

Kết quả công suất và hiệu suất đạt được phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng động cơ Stirling kiểu beta trong hệ thống phát điện năng lượng mặt trời quy mô nhỏ. Việc sử dụng cơ cấu truyền động hình thoi giúp giảm thiểu rung động và tăng độ bền, đồng thời giảm chi phí sản xuất so với cơ cấu trục khuỷu truyền thống.

So sánh với các hệ thống phát điện năng lượng mặt trời sử dụng tế bào quang điện, hệ thống Stirling có ưu điểm là hiệu suất nhiệt cao hơn và khả năng vận hành ổn định trong điều kiện ánh sáng không liên tục. Tuy nhiên, hạn chế về công suất nhỏ và yêu cầu làm mát hiệu quả là những thách thức cần giải quyết trong giai đoạn phát triển tiếp theo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ công suất theo nhiệt độ buồng giãn nở và bảng so sánh hiệu suất giữa các loại động cơ Stirling khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt: Sử dụng vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao và chống oxy hóa để nâng cao tuổi thọ và hiệu suất của buồng đốt và bộ hồi nhiệt, giảm thiểu hao mòn trong quá trình vận hành.

  2. Phát triển hệ thống làm mát hiệu quả: Thiết kế bộ tản nhiệt lớn hơn hoặc sử dụng làm mát bằng nước để duy trì nhiệt độ buồng nén ở mức tối ưu, đảm bảo hiệu suất động cơ không bị giảm do nhiệt độ môi trường cao.

  3. Mở rộng quy mô công suất: Nghiên cứu thiết kế động cơ Stirling với dung tích lớn hơn hoặc tổ hợp nhiều động cơ để tăng công suất phát điện, phù hợp với nhu cầu sử dụng tại các vùng sâu, vùng xa.

  4. Ứng dụng công nghệ điều khiển tự động: Tích hợp hệ thống điều khiển tự động để điều chỉnh góc nghiêng gương parabol theo hướng ánh sáng mặt trời, tối ưu hóa lượng năng lượng tập trung và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 2-3 năm tới, phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế động cơ Stirling và ứng dụng năng lượng mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Chuyên gia và kỹ sư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu suất, thiết kế hệ thống và phương pháp mô phỏng giúp cải tiến các giải pháp phát điện sạch.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị năng lượng mặt trời: Cơ sở thiết kế và tính toán chi tiết giúp phát triển sản phẩm động cơ Stirling tích hợp gương parabol, mở rộng danh mục sản phẩm.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu và phân tích về tiềm năng ứng dụng công nghệ Stirling trong phát điện năng lượng mặt trời, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Động cơ Stirling hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
    Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình nhiệt động kín, sử dụng môi chất công tác được đốt nóng và làm mát liên tục để sinh công cơ học. Chu trình gồm bốn quá trình: nén đẳng nhiệt, cấp nhiệt đẳng tích, giãn nở đẳng nhiệt và làm mát đẳng tích.

  2. Tại sao chọn động cơ Stirling kiểu beta cho hệ thống?
    Kiểu beta có piston lực và piston dịch chuyển đồng tâm, giúp làm kín tốt hơn, giảm rung động và có thể tích chết nhỏ hơn, từ đó đạt công suất cao hơn so với kiểu alpha và gamma.

  3. Hiệu suất nhiệt của hệ thống đạt được là bao nhiêu?
    Theo tính toán, hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling trong hệ thống đạt khoảng 21,87%, tương đối cao so với các động cơ nhiệt đốt ngoài khác.

  4. Gương parabol có vai trò gì trong hệ thống?
    Gương parabol tập trung bức xạ mặt trời tại tiêu điểm, cung cấp nhiệt lượng lớn để đốt nóng buồng giãn nở của động cơ Stirling, từ đó chuyển đổi năng lượng mặt trời thành cơ năng.

  5. Hạn chế chính của hệ thống là gì?
    Hạn chế gồm công suất nhỏ, yêu cầu làm mát hiệu quả và chi phí vật liệu chịu nhiệt cao. Ngoài ra, việc chế tạo và bảo trì hệ thống cũng đòi hỏi kỹ thuật cao.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời dựa trên động cơ Stirling kiểu beta với công suất 22,82 W và hiệu suất 21,87%.
  • Cơ cấu truyền động hình thoi được lựa chọn giúp giảm rung động và tăng độ bền cho động cơ.
  • Gương parabol đường kính 1,5 m đảm bảo tập trung năng lượng mặt trời hiệu quả tại tiêu điểm.
  • Nhiệt lượng làm mát buồng nén được kiểm soát để duy trì nhiệt độ môi trường không vượt quá 28,46°C, đảm bảo hiệu suất hoạt động.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao vật liệu, hệ thống làm mát và mở rộng công suất trong giai đoạn tiếp theo.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu vật liệu chịu nhiệt và phát triển mô hình thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả vận hành. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển công nghệ năng lượng sạch này.