Luận án tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằm nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt (PV

TÓM TẮT LUẬN ÁNLuận án thực hiện nghiên cứu 2 hệ thống giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằmnâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt: 1 Hệ thống làm nóng nước dạng chủ độngsử dụng mô-đun

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo giúp cải thiện “Biến đổi khí hậu”, là động lực để phát triển bền vững môi trường và xã hội loài người Trong đó, năng lượng mặt trời (NLMT) vốn ổn định và hầu như có mặt ở khắp nơi đang được con người tận dụng khai thác cho mục đích cấp điện và/hoặc cấp nhiệt Việt Nam là quốc gia có nguồn NLMT dồi dào và có tiềm năng lớn để phát triển các công nghệ điện, nhiệt mặt trời. Nhà nước có nhiều chính sách và ưu đãi trong phát triển năng lượng tái tạo cho mục đích cấp điện, gần đây nhất là “Quy hoạch điện VIII” để phát triển điện lực quốc gia tầm nhìn đến 2050, trong đó tỉ lệ năng lượng tái tạo lên đến 67,5 đến 71,5% Nhiều dự án điện mặt trời đã, đang và sẽ được triển khai ở nhiều dạng khác nhau từ áp mái, nổi cho đến cánh đồng…để ứng dụng trên nhiều quy mô khác nhau từ hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn đến các nhà máy điện mặt trời nhằm giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn điện cho sinh hoạt, nghỉ dưỡng, sản xuất…Về bản chất, hiệu suất chuyển hóa quang năng thành điện năng của pin mặt trời (Photovoltaic hoặc PV cell) là tương đối thấp nên hầu hết bức xạ mặt trời mà PV cell nhận được bị chuyển hóa thành nhiệt năng, điều này khiến nhiệt độ làm việc của PV cell tăng cao Trrong những ngày nắng, nhiệt độ làm việc của PV cell thường cao hơn nhiệt độ môi trường từ 20 o C đến 30 o C Công suất của PV cell sẽ giảm từ 0,39 đến 0,43 %/°C với chất liệu silicon đa tinh thể (Poly c-Si) và từ 0,35 đến 0,40%/°C với chất liệu silicon đơn tinh thể (Mono c-Si) [1] Trong khi đó, công suất định mức được công bố bởi các nhà sản xuất cho PV cell hoặc tấm pin mặt trời (mô-đun PV) thường cao hơn nhiều so với thực tế do chúng được đánh giá ở điều kiện chuẩn (cường độ bức xạ mặt trời 1000 W/m 2 và nhiệt độ môi trường xung quanh 25 o C) Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất phát điện của các tấm pin mặt trời thông thường rất khiêm tốn, không quá 20% Ngoài ra, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều sẽ dẫn đến sự phát triển của ứng suất nhiệt, điều này làm giảm tuổi thọ của tấm pin mặt trời [2] Nhằm hạn chế tối đa sự sụt giảm hiệu suất phát điện của pin mặt trời cũng như kéo dài tuổi thọ của nó, nhiều nghiên cứu được thực hiện để giải nhiệt cho pin mặt trời và công nghệ Photovoltaic/Thermal (PV/T) ra đời như một giải pháp hữu ích để đạt được đồng thời hai mục đích là cấp điện và cấp nhiệt.

Công nghệ Photovoltaic/Thermal (PV/T)

Công nghệ PV/T có thể được việt hóa bằng tên gọi công nghệ Pin mặt trời/Nhiệt, là công nghệ lai kết hợp các PV cell với bộ trao đổi nhiệt (TĐN) tạo thành một mô-đun nhằm cung cấp đồng thời điện năng và nhiệt năng Công nghệ PV/T hoạt động bằng cách tận dụng nhiệt thừa của các PV cell để làm nóng chất công tác thông qua các bộ TĐN Việc tích hợp thêm bộ TĐN dưới tấm pin mặt trời không chỉ tận dụng được nguồn nhiệt thải của PV cell để làm nóng chất công tác mà còn giúp cải thiện hiệu suất phát điện của tấm pin mặt trời do các PV cell được làm mát, từ đó giúp nâng cao hiệu quả năng lượng tổng của tấm pin mặt trời do nó tạo ra cả điện năng và nhiệt năng từ cùng một diện tích bề mặt Theo Zongdag cùng cộng sự [3] và Zhao cùng cộng sự [4], với cùng diện tích hứng nắng, mô-đun PV/T có thể nhận và chuyển hoá phần trăm NLMT cao hơn so với mô-đun PV hay một bộ thu mặt trời thông thường nào đó Do đó, mô-đun PV/T rất có tiềm năng phát triển để góp phần tạo nên hệ thống đồng phát nhiệt – điện có hiệu quả cao và chi phí thấp Hình 1.1 miêu tả mối quan hệ qua lại của các công nghệ chuyển hoá năng lượng từ nguồn NLMT.

Hình 1.1 Sơ đồ những công nghệ chuyển hóa năng lượng từ nguồn NLMT

Một mô-đun PV/T điển hình là một cấu trúc được cấu thành từ các thành phần như miêu tả trên hình 1.2, gồm: (i) Kính; (ii) Lớp không khí; (iii) Lớp PV (hình 1.3) gồm:lớp bảo vệ (có thể là kính cường lực hoặc màng TPT trong suốt (Transparent tedlar– polyester–tellar)), 2 lớp keo EVA (Ethylene Vinyl Acetate), chuỗi PV cell và lớp bảo đường ống hay kênh dẫn chất công tác: nước, không khí, môi chất lạnh…ống ở đây cũng có thể là ống nhiệt; (v) Lớp bảo ôn Mô-đun PV/T như mô tả trên hình 1.2 được sử dụng trong các ứng dụng cần nâng cao hiệu suất nhiệt Tuy nhiên, trong một số nghiên cứu loại bỏ thành phần kính, lúc này mô-đun PV/T cũng không còn lớp không khí Bên cạnh đó, một số nghiên cứu không sử dụng lớp bảo vệ Tedlar, lúc này tấm hấp thụ được liên kết trực tiếp với keo EVA.

Hình 1.2 Cấu trúc điển hình của một mô-đun PV/T.

Hình 1.3 Cấu tạo của lớp PV

Hình 1.4 Phân loại công nghệ PV/T theo chất giải nhiệt/làm mát

Trải qua nhiều năm nghiên cứu nhưng công nghệ PV/T vẫn là chủ đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm do công nghệ PV/T rất rộng lớn và còn nhiều khía cạnh chưa được đào sâu nghiên cứu Có nhiều cách để phân loại công nghệ PV/T, theo chất giải nhiệt/làm mát được sử dụng, có thể phân loại công nghệ PV/T theo 4 dạng như mô tả trên hình 1.4.

Công nghệ PV/T giải nhiệt bằng không khí, nước, môi chất lạnh của bơm nhiệt và lưu chất trong ống nhiệt cũng lần lượt được biết đến với tên: mô-đun PV/T không khí, mô-đun PV/T nước, mô-đun PV/T môi chất lạnh và mô-đun PV/T ống nhiệt

Zhang [5] đã tiến hành đánh giá chung khi so sánh hiệu suất tổng (tổng hiệu suất nhiệt và điện) của 4 loại mô-đun PV/T vừa kể trên trong cùng điều kiện thời tiết và điều kiện vận hành với hiệu suất điện của PV cell ban đầu là 10% Bằng cách sử dụng 4 mô hình tính toán: (1) cho mô-đun PV/T không khí của Solanki và công sự [6]; (2) cho mô-đun PV/T nước của Joshi và cộng sự [7]; (3) cho mô-đun PV/T môi chất lạnh của

Ji và cộng sự [8]; (4) cho mô-đun PV/T ống nhiệt của Quan và cộng sự [9], Zhang [5] đã cho ra hiệu suất tổng như mô tả trên bảng 1.1.

Bảng 1.1 Bảng so sánh tổng hiệu suất của 4 loại mô-đun PV/T [5]

STT Mô hình tính toán cho Hiệu suất tổng (%)

1 Mô-đun PV/T không khí Từ 24% đến 47%

2 Mô-đun PV/T nước Từ 33% đến 59%

3 Mô-đun PV/T môi chất lạnh Từ 56% đến 75%

4 Mô-đun PV/T ống nhiệt Từ 42% đến 68%

Bảng 1.2 Bảng so sánh ưu nhược điểm của 4 loại mô-đun PV/T

PV/T Ưu điểm Nhược điểm

- Chi phí thấp Hiệu quả lấy nhiệt thấp do đặc tính về tính chất nhiệt động nên các thông số nhiệt vật lý như khối lượng riêng nhỏ, nhiệt dung riêng thấp, hệ số dẫn nhiệt thấp [10]

- Chi phí thấp, dễ chế tạo [11]- Phân phối lỏng đồng đều [12]

- Hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn không khí do thông số nhiệt vật lý của

- Nhược điểm lớn nhất là có thể gây đóng băng đường ống ở những nơi có nhiệt độ môi trường thấp [12]

- Nhiệt độ nước tăng theo thời gian hoạt động khiến nhiệt độ PV tăng cao, mô- đun PV/T hoạt động kém hiệu quả [12] nước có giá trị cao hơn.

- Hiệu suất nhiệt, điện cao do mô-đun PV/T hoạt động ở nhiệt độ thấp.

Nhiệt độ PV thấp nên khả năng nhận nhiệt cao.

- Nguy cơ rò rỉ cao [10]

- Phân phối môi chất không đồng đều [10]

- Khó khăn, phức tạp trong kiểm soát nhiệt độ mô-đun PV/T khi ứng dụng ở quy mô lớn.

- Chi phí đầu tư cao và khó chế tạo.

- Hiệu quả trao đổi nhiệt lớn [10]

- Chi phí chế tạo cao

- Công nghệ cao, khó chế tạo

- Hiệu suất không khả quan trong điều kiện môi trường nhiều mây [13]

Qua việc phân tích sơ bộ về ưu, nhược điểm trên bảng 1.2 và so sánh tổng hiệu suất nhiệt, điện trên bảng 1.1 của các loại mô-đun PV/T, có thể thấy mỗi loại mô-đun PV/T đều có những ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên để ứng dụng trong điều kiện thực tế tại hầu hết địa phương tại Việt Nam, mô-đun PV/T nước phù hợp hơn những loại còn lại do phát huy được nhiều ưu điểm như: (i) Giá thành thấp, dễ chế tạo; (ii) Không lo ngại vấn đề đóng băng do nhiệt độ môi trường khá cao; (iii) Phân phối nước đồng đều khắp mô-đun, hơn nữa nước có nhiệt dung riêng lớn nên nhiệt độ của nước tương đối đồng đều; (iv) Hiệu suất tổng tương đối cao và có thể đạt được giá trị cao hơn nữa khi hạ thấp nhiệt độ của nước bằng cách kết hợp mô-đun PV/T với bơm nhiệt; (v) Có thể triển khai ở quy mô lớn do nước là môi chất thân thiện với môi trường, không sợ nguy cơ rò rỉ như môi chất lạnh; (vi) Dễ phát hiện sự cố khi rò rỉ.

Với những ưu điểm kể trên, mô-đun PV/T nước được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu trong luận án Ở phần tiếp theo, các vấn đề nghiên cứu liên quan đến mô-đunPV/T nước và các hệ thống sử dụng mô-đun PV/T nước cho mục đích cấp điện và cấp nhiệt sẽ được tổng quan.

Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu

Theo hiểu biết tốt nhất của nghiên cứu sinh (NCS), cho đến thời điểm hiện tại nước ta có rất ít các nghiên cứu liên quan đến giải nhiệt cho pin mặt trời, điển hình trong số đó là Hồ Đăng Huy và cộng sự [14] đã sử dụng nước phun vào mặt sau của tấm pin mặt trời để làm mát Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ làm mát đơn thuần cho pin mặt trời mà không sử dụng bộ TĐN để tận dụng nguồn nhiệt thải nên không thuộc công nghệ PV/T.

Có thể nói rằng, hiện nay các loại mô-đun PV/T chưa được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Trên thế giới, trong những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu cả lý thuyết lẫn thực nghiệm được thực hiện trên mô-đun PV/T nước cũng như các hệ thống sử dụng mô- đun PV/T nước.

Nhìn chung các đề xuất về cấu trúc hình học cho mô-đun PV/T nước của các nhóm nghiên cứu là khác nhau, do đó mô-đun PV/T nước có cấu trúc khá đa dạng Kalogirou và cộng sự [11] nghiên cứu mô-đun PV/T nước, có lớp không khí như hình 1.5, bộ TĐN gồm ống tròn hàn tấm hấp thụ với cách bố trí ống TĐN dạng song song (Parallel Tube - PT): các ống TĐN được xếp song song và có 2 ống góp ở 2 đầu (như mô tả trên hình 1.6a) Ống và tấm hấp thụ cùng có chất liệu bằng đồng với đường kính ngoài của ống TĐN Dt,o= 0,015 m và ống góp Dt,o= 0,028 m.

Hình 1.5 Mô-đun PV/T trong nghiên cứu của Kalogirou và cộng sự [11]

Gard và Agarwal [15] cũng nghiên cứu mô-đun PV/T nước trên nền tảng bộ thu mặt trời dạng tấm phẳng, có lớp không khí tương tự hình 1.5, mô-đun sử dụng bộ TĐN dạng ống tròn hàn tấm hấp thụ với ống làm từ thép và tấm hấp thụ làm bằng nhôm.Ống TĐN được bố trí dạng PT, gồm 16 ống, mỗi ống dài L1t = 1,46 m, đường kính ngoài Dt,o= 0,019m, 2 ống góp với đường kính ngoài mỗi ống Dt,o= 0,0254 m.

Huang và cộng sự [16] nghiên cứu mô-đun PV/T nước, không có lớp không khí, bản chất là sự kết hợp của tấm pin mặt trời thương mại có sẵn và bộ TĐN dạng tấm làm bằng nhựa PC với nhiều kênh dẫn nước có biên dạng hình chữ nhật Đồng thời mô-đun có trang bị thêm lớp cách nhiệt để giảm tổn thất Tỉ số W/D (Khoảng cách/đường kính của các kênh dẫn nước) được cố định bằng 1.

Hình 1.6 Cách bố trí ống TĐN dạng PT (a) và dạng 1CT (b)

Tripanagnostopoulos và cộng sự [17] nghiên cứu 2 mô-đun PV/T nước, có và không có lớp không khí như hình 1.7, bộ TĐN dạng ống tròn hàn tấm hấp thụ với ống được bố trí dạng PT Ống và tấm hấp thụ cùng có chất liệu đồng với đường kính ngoài của ống Dt,o = 0,012 m, bước ống W = 0,08 m Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt của mô- đun có lớp không khí tăng cao hơn 29% so với mô-đun không có lớp không khí, nhưng hiệu suất điện giảm 16% so với mô-đun không có lớp không khí Việc sử dụng lớp không khí giúp giảm thiểu thất thoát nhiệt, khiến nhiệt độ của PV cell tăng, điều này khiến hiệu suất nhiệt tăng nhưng lại làm giảm hiệu suất điện.

Hình 1.7 Mô-đun PV/T nước trong nghiên cứu của Tripanagnostopoulos và cộng sự [17] (a) không có lớp không khí, (b) có lớp không khí

Hình 1.8 Mô-đun PV/T nước trong nghiên cứu của Zondag và cộng sự [3]

Zondag và cộng sự [3] nghiên cứu mô-đun PV/T nước như mô tả trên hình 1.8, có lớp không khí, sử dụng bộ TĐN kiểu ống tròn hàn tấm hấp thụ với cách bố trí ống TĐN dạng 1 đường ống (1 Coil Tube - 1CT) như mô tả trên hình 1.6b Ống và tấm hấp thụ cùng có chất liệu đồng với đường kính ngoài Dt,o= 0,01 m, bước ống W = 0,095 m.

Tương tự Santbergen và cộng sự [18] cũng nghiên cứu mô-đun PV/T nước như mô tả trên hình 1.9, có lớp không khí, bộ TĐN ống tròn hàn tấm tấm hấp thụ với ống có dạng1CT Nhóm nghiên cứu đề xuất lớp phủ chống phản xạ (anti-reflective) và/hoặc có độ phát xạ thấp (low-emissivity) cho kính và lớp PV Ống và tấm hấp thụ cùng có chất liệu đồng với đường kính ngoài của ống Dt,o= 0,01 m, bước ống W = 0,095 m.

Hình 1.9 Mô-đun PV/T nước trong nghiên cứu của Santbergen và cộng sự [18]

Chow và cộng sự [19], [20] đề xuất sử dụng ống hộp nhôm (aluminum-alloy flat-box) cho bộ TĐN (hình 1.10) để cải thiện hiệu quả của mô-đun PV/T loại có lớp không khí. Ống hộp nhôm sẽ được gắn trực tiếp vào mặt sau của tấm pin mặt trời thương mại nhờ lớp keo silicon.

Hình 1.10 Ống hộp nhôm trong nghiên cứu của Chow và cộng sự [19]

Wei He và cộng sự [21] và Bhattarai cùng cộng sự [22] cũng nghiên cứu mô-đun PV/T nước tương tự như hình 1.5, có lớp không khí, bộ TĐN dạng ống tròn hàn tấm hấp thụ với ống dạng PT Nhóm nghiên cứu của Bhattarai [22] sử dụng ống và tấm hấp thụ cùng có chất liệu đồng với đường kính ngoài của ống Dt,o = 0,01 m, bước ống W 0,01 m, 10 ống với chiều dài mỗi ống L1t= 1,916 m.

Preet và cộng sự [23] nghiên cứu thực nghiệm cho mô-đun PV/T nước, không có lớp không khí, sử dụng bộ TĐN dạng ống đồng liên kết với 2 tấm hấp thụ nhôm, ống bố trí dạng PT Trong đó, tấm hấp thụ 1 ép sát với mặt sau của tấm pin mặt trời và tấm hấp thụ 2 được tạo hình Ʊ và được ép sát với ống và tấm hấp thụ 1 để tăng hiệu quả TĐN,mô-đun được bọc cách nhiệt để giảm tổn thất nhiệt Mô-đun sử dụng 8 ống có chiều dài mỗi ống L1t= 0,91 m, đường kính Dt,o= 0,0127 m, bước ống W = 0,07 m, ống góp ở 2 phía có cùng đường kính Dt,o= 0,0254 m.

Rosli và cộng sự [24] nghiên cứu các thông số thiết kế của bộ TĐN dạng ống hàn tấm hấp thụ với ống bố trí dạng 1CT để ứng dụng cho mô-đun PV/T nước loại không có lớp không khí Trong đó ống có biên dạng: (i) hình vuông, khổ 0,02 x 0,02 m, (ii) hình chữ nhật, khổ 0,025 x 0,015 m, (iii) hình tròn, đường kính (Dt,o) ở 0,015m và 0,02 m.

Số ống và bước ống cho biên dạng hình vuông và hình chữ nhật lần lượt là 13 và 0,04m, cho biên dạng hình tròn là 9 và 0,06 m tương ứng.

Hình 1.11 Ống TĐN trong mô-đun PV/T nước của Fudholi cùng cộng sự [25]

Fudholi và cộng sự [25] nghiên cứu mô-đun PV/T nước loại có lớp không khí sử dụng

3 bộ TĐN dạng ống hàn tấm hấp thụ với biên dạng ống và kiểu sắp xếp theo 3 mẫu như mô tả trên hình 1.11 gồm: (i) ống tròn kiểu Web (a), (ii) ống vuông kiểu PT (b) và (iii) ống vuông kiểu xoắn ốc (c) Vật liệu trong các bộ TĐN hoàn toàn bằng inox Ống tròn có đường kính 0,0124 m, ống vuông khổ 0,0127m x 0,0127m.

Sardouei và cộng sự [26] nghiên cứu mô-đun PV/T nước, không có lớp không khí sử dụng 3 bộ TĐN (hình 1.12) gồm: (i) ống tròn hàn tấm hấp thụ (a), (ii) ống vuông hàn tấm hấp thụ (b) và (iii) hộp chữ nhật dán trực tiếp vào mặt sau của tấm pin mặt trời (c). Vật liệu trong các bộ TĐN hoàn toàn bằng đồng Cách bố trí các bộ TĐN được mô tả trên hình 1.13, trong đó ống tròn và ống vuông được sắp xếp theo 3 cách: 1CT (a), PT (b), xoắn ốc (c), riêng hộp chữ nhật được sắp xếp dòng chảy theo dạng zíc zắc (d). Kazem và cộng sự [27] nghiên cứu trên mô-đun PV/T nước, không có lớp không khí, bộ TĐN dạng ống inox hàn tấm hấp thụ inox, ống có biên dạng hình ống vuông khổ

(c) Hình 1.12 Các bộ TĐN cho mô-đun PV/T nước của Sardouei và cộng sự [26]

Hình 1.13 Các cách bố trí ống trong các bộ TĐN của Sardouei và cộng sự [26]

Bai và cộng sự [28] sử dụng mô-đun PV/T nước, có lớp không khí, bộ TĐN là tấmRollbond bằng nhôm, dày khoảng 1 mm (hình 1.14b) Các PV cell với lớp bảo vệ là màng polymer và lớp keo bên dưới sẽ được ép sát lên bề mặt của tấm rollbond tạo thành 1 khối.

(a) (b) Hình 1.14 Bộ TĐN sử dụng cho mô-đun PV/T nước của Kazem và cộng sự [27] (a) và của Bai cùng cộng sự [28] (b)

1.3.1.2 Mô hình phân tích nhiệt

Lý do thực hiện đề tài

1.4.1 Tính mới và sự cấp thiết của đề tài

Qua việc nghiên cứu tổng quan, luận án nhận thấy:

- Vấn đề 1:Về mô-đun PV/T nước

+ Một số nghiên cứu sử dụng lớp không khí cho mô-đun PV/T nhằm tăng hiệu suất nhiệt Một số nghiên cứu không sử dụng lớp không khí để đơn giản cấu tạo hoặc không có nhu cầu cao về nhiệt.

+ Các mô-đun PV/T nước đã được nghiên cứu hầu hết sử dụng bộ TĐN kiểu ống - tấm hấp thụ do có cấu tạo đơn giản và chi phí thấp Ống và tấm hấp thụ được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó ống TĐN có thể là ống tròn hoặc hình hộp, thường được bố trí dạng PT hoặc 1CT và được hàn với tấm hấp thụ Tuy nhiên: (i) Ống bố trí theo kiểu 1CT có nhược điểm là đường ống quá dài làm tăng tổn thất áp suất, tiêu hao nhiều năng lượng cho bơm Đồng thời, đường ống quá dài sẽ khiến gia tăng sự chênh lệch nhiệt độ của nước giải nhiệt tại đầu vào và đầu ra của ống Điều này làm nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt tăng khiến hiệu suất phát điện của PV cell giảm và gây ra hiện tượng làm mát không đồng đều trên các PV cell; (ii) Ống được hàn với tấm hấp thụ nên diện tích tiếp xúc nhỏ và khó chế tạo vì để đảm bảo tấm hấp thụ ko bị co, vênh thì tấm hấp thụ phải đủ dày, điều này gây tốn chi phí vật liệu làm tấm hấp thụ Hơn nữa để ống có thể hàn với tấm hấp thụ thì hầu hết phải sử dụng cùng vật liệu nên sẽ bị hạn chế trong chế tạo và ứng dụng.

Hình 1.18 Cách bố trí ống TĐN dạng 2CT

Trong điều kiện tại Việt Nam có thể sử dụng các mẫu mô-đun PV/T nước với đặc điểm: (i) có lớp không khí hoặc không có lớp không khí và (ii) bộ TĐN dạng ống-tấm hấp thụ Tuy nhiên cần những nghiên cứu tiếp theo để: (i) nâng cao hiệu suất phát điện của PV cell và làm mát đồng đều cho chuỗi PV cell và (ii) tăng cường diện tích tiếp xúc giữa ống và tấm để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt.Do đó, luận án đề xuất 2 vấn đề để cải thiện cho bộ TĐN dạng ống-tấm hấp thụ: (1) Sắp xếp ống TĐN dạng 2 đường ống (2 Coil Tube - 2 CT) như hình 1.18 để giảm nhiệt độ làm việc nước bên trong ống cũng như làm mát đồng đều hơn cho các PV cell trên mô-đun PV/T Nhiệt độ làm việc của nước giảm cũng đồng nghĩa với hiệu suất phát điện của PV cell tăng; (2) Tạo hình Ʊ cho tấm hấp thụ để tấm hấp thụ ôm dọc theo chiều dài của ống TĐN (hình 1.19), điều này giúp tăng cường diện tích truyền nhiệt cho ống và tấm hấp thụ.

Hình 1.19 Bộ TĐN có tấm hấp thụ được tạo hình Ʊ để ôm ống TĐN Để có thể so sánh, phân tích và đánh giá khách quan giữa các mẫu mô-đun PV/T nước thông dụng, có tiềm năng ứng dụng trong điều kiện của Việt Nam, luận án thực hiện nghiên cứu đồng thời 6 mẫu mô-đun PV/T nước Cụ thể:

MD1:Mô-đun PV/T nước có lớp không khí và ống sắp xếp dạng 1CT

MD2:Mô-đun PV/T nước có lớp không khí và ống sắp xếp dạng PT

MD3:Mô-đun PV/T không có lớp không khí và ống sắp xếp dạng 1CT

MD4:Mô-đun PV/T nước không có lớp không khí và ống sắp xếp dạng PT

MD5:Mô-đun PV/T nước có lớp không khí và ống sắp xếp dạng 2CT

MD6:Mô-đun PV/T nước không có lớp không khí và ống sắp xếp dạng 2CT Đồng thời, luận án nghiên cứu đánh giá hiệu quả của bộ TĐN ống-tấm hấp thụ với 2 kiểu cấu tạo cho cả 6 mẫu mô-đun PV/T nước này, cụ thể:

Kiểu A: Tấm hấp thụ là tấm phẳng, được hàn trực tiếp với ống

Kiểu B: Tấm hấp thụ được tạo hình Ʊ để ôm dọc theo chiều dài của ống

Trong đó việc đề xuất sắp xếp ống dạng 2CT của MD5, MD6 và ứng dụng bộ TĐN kiểu B cho 6 mẫu mô-đun PV/T nước để nghiên cứu trong luận án là 2 nội dung hoàn toàn mới, chưa được từng nghiên cứu trước đây

- Vấn đề 2:Các nghiên cứu về hệ thống PVTAHW hầu hết tập trung đánh giá các chỉ số năng lượng cho mô-đun PV/T nước như hiệu suất nhiệt, điện, sản lượng nhiệt, điện, hiệu suất energy, exergy Có một vài nghiên cứu đánh giá sản lượng nhiệt, điện cho hệ thống trong đó sản lượng điện tạo ra là của mô-đun PV/T.Tuy nhiên, trong hệ thống PVTAHW, ảnh hưởng của lưu lượng nước qua mô-đun PV/T và thể tích bình chứa đến hiệu quả của hệ thống chưa được nghiên cứu Hơn thế nữa, cần đánh giá hiệu quả của hệ thống PVTAHW dựa vào hiệu suất energy, hiệu suất exergy và sản lượng nhiệt,điện Trong đó sản lượng điện phải là sản lượng lên lưới, nghĩa là đã trừ đi điện năng cung cấp cho bơm và tổn thất qua bộ Inverter.

- Vấn đề 3:Số lượng các nghiên cứu về hệ thống PVTWHP còn khiêm tốn và thường kết hợp các nguồn năng lượng đầu vào như mặt trời, không khí, địa nhiệt…rất ít các nghiên cứu độc lập, chuyên sâu về hệ thống PVTWHP-IVT chỉ sử dụng mô-đun PV/T nước cũng như đánh giá tổng thể cho toàn hệ thống dựa vào hiệu suất energy, hiệu suất exergy và sản lượng nhiệt, điện.

- Vấn đề 4: Có rất ít nghiên cứu về hệ thống PVTAHW và PVTWHP-IVT thực hiện tại khí hậu nhiệt đới, cận xích đạo Do đó cần thiết nghiên cứu đồng thời các hệ thống này ở một vị trí cụ thể bằng dữ liệu thời tiết quanh năm hoặc bằng các ngày tiêu biểu cho các tháng trong năm.Để làm được điều này, luận án thực hiện nghiên cứu để tạo ra chuỗi dữ liệu thời tiết (cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, vân tốc gió) của 12 ngày tiêu biểu đại diện cho 12 tháng trong năm.

Với 4 vấn đề vừa nêu trên, luận án sẽ thực hiện nghiên cứu, phân tích, đánh giá tổng thể và chuyên sâu cho 2 hệ thống giải nhiệt pin mặt trời bằng nước cho mục đích cấp điện và cấp nhiệt (nước nóng) là hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT

Trong đó, 6 mẫu mô-đun PV/T nước với bộ TĐN kiểu A và kiểu B được đề xuất nghiên cứu, so sánh và đánh giá, từ đó đưa ra mẫu mô-đun PV/T với kiểu cấu tạo của bộ TĐN phù hợp nhất cho mỗi hệ thống Từ đó chứng minh hiệu quả năng lượng mà 2 hệ thống đạt được thông qua phương pháp đánh giá mới dựa vào hiệu suất energy, hiệu suất exergy và sản lượng nhiệt, điện trong điều kiện thời tiết quanh năm

Mặc dù trên thế giới có nhiều nghiên cứu về mô-đun PV/T nước cũng như các hệ thống sử dụng mô-đun PV/T nước nhưng theo hiểu biết tốt nhất của NCS, chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT tại Việt Nam.

Bên cạnh đó, trong vài năm trở lại đây các hệ thống điện mặt trời được triển khai rất rộng rãi ở Việt Nam dưới nhiều dạng khác nhau và ứng dụng ở các quy mô khác nhau.Trong đó, các hệ thống điện mặt trời dạng áp mái được ứng dụng rất phổ biến ở nhiều nơi Bên cạnh nhu cầu về điện mặt trời dạng áp mái, các hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn, khu nghỉ dưỡng, trường học, bệnh viện…và một số quy trình công nghệ sản xuất trong nông nghiệp và công nghiệp tại các khu công nghiệp, khu chế xuất rất cần nước nóng để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, kinh doanh và sản xuất hằng ngày.

Với tất cả những nội dung vừa trình bày ở trên, việc nghiên cứu đầy đủ và chuyên sâu về hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT cũng như các mẫu mô-đun PV/T nước để ứng dụng cho các hệ thống điện mặt trời dạng áp mái nhằm cung cấp đồng thời về điện và nước nóng là rất cần thiết trong điều kiện Việt Nam hiện nay 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận án gồm:

- Sáu mẫu mô-đun PV/T nước: MD1, MD2, MD3, MD4, MD5, MD6 sử dụng bộ TĐN kiểu A hoặc kiểu B.

- Hai hệ thống: (1) Hệ thống PVTAHW và (2) Hệ thống PVTWHP-IVT

Chính vì tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh nước ta hiện nay nên đề tài “Nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằm nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt (PV/T)” được luận án đề xuất nghiên cứu Mục đích của luận án là nâng cao hiệu quả năng lượng tổng hay nói cách khác là nâng cao được tổng năng lượng điện và nhiệt (nước nóng) của hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT Trong đó: (i) ở cả 2 hệ thống PVTAHW và PVTWHP-IVT, hiệu suất điện trung bình năm và sản lượng điện cả năm của mô-đun PV/T nước phải cao hơn so với mô-đun PV (không được giải nhiệt) và (ii) COP của bơm nhiệt trong hệ thống PVTWHP-IVT phải cao hơn COP của bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí.

1.4.4 Mục tiêu nghiên cứu Để đạt được mục đích nghiên cứu, luận án cần thực hiện các mục tiêu sau:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu

Với những vấn đề được đặt ra ở chương 1, trong chương 2 luận án sẽ thực hiện các nội dung sau:

- Nghiên cứu đề xuất cấu trúc hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T nước;

- Trình bày sơ đồ và nguyên lý làm việc của 2 hệ thống: (1) hệ thống PVTAHW và (2) hệ thống PVTWHP;

- Trình bày cơ sở lý thuyết của mô-đun PV và mô-đun PV/T nước;

- Trình bày cơ sở lý thuyết của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm;

- Trình bày lý thuyết tính toán cho máy nén và bơm nước;

- Lựa chọn môi chất lạnh cho bơm nhiệt;

- Trình bày lý thuyết tính toán COP cho bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí.

2.1.1 Đề xuất cấu trúc hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T nước

Cấu trúc hình học của các mẫu mô-đun PV/T nước được đề xuất dựa trên kết quả nghiên cứu của các tác giả trước và kết cấu thực tế của mô-đun PV (tấm pin mặt trời) thông dụng hiện nay.

- Loại mô-đun PV/T nước:

Các mẫu mô-đun PV/T nước có sử dụng lớp không khí và không sử dụng lớp không khí được luận án thực hiện nghiên cứu đồng thời và được đặt tên làm 2 loại như sau: +Loại I:Có lớp không khí giữa kính phủ và lớp PV, như mô tả trên hình 2.1a

+Loại II: Không có lớp không khí giữa kính phủ và lớp PV, như mô tả trên hình 2.1b

Hình 2.1 Cấu tạo mô-đun PV/T nước loại I(a) và loại II(b)

Hình 2.2 Cấu tạo của lớp PV

Trong cấu tạo của lớp PV như mô tả ở hình 2.2 có thành phần màng TPT trong suốt. Thành phần này được sử dụng trong mô-đun PV/T nước loại I để kết dính với 2 lớp keo EVA, chuỗi tế bào quang điện và lớp bảo vệ Tedlar nhằm tạo thành một thể thống nhất, bảo vệ chuỗi PV cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm Tuy nhiên ở mô-đun PV/T nước loại II, do đã có kính làm lớp bảo vệ nên không cần thiết có thêm màng TPT.Màng TPT trong suốt rất mỏng nên có thể xem xét bỏ qua sự truyền nhiệt.

Do đó, để đơn giản trong quá trình tính toán, lớp PV trên mô-đun PV/T nước loại I và loại II được xem xét là tương đồng.

Mô-đun PV/T loại I được sử dụng để tăng hiệu suất nhiệt, do lớp không khí vừa giúp tối đa hóa lượng hấp thụ NLMT, vừa đóng vai trò là lớp nhiệt trở để hạn chế tổn thất nhiệt khi nhiệt độ của lớp PV cao hơn nhiệt độ môi trường [5] Ở mặt đối nghịch, lớp không khí khiến nhiệt độ của lớp PV tăng cao hơn, làm giảm hiệu suất phát điện [17].

Luận án đề xuất sử dụng độ dày của lớp không khí (cũng có thể gọi là khoảng cách giữa kính và lớp PV) của Bhattarai cùng cộng sự [22] là δ air = 0,03 m.

Mô-đun PV/T loại II sẽ gây tổn thất nhiệt lớn hơn loại I khi nhiệt độ lớp PV cao hơn môi trường Tuy nhiên lại giúp nhiệt độ lớp PV nhỏ hơn loại I, có lợi hơn trong hiệu suất phát điện Hơn nữa, mô-đun PV/T loại II sẽ phát huy được ưu điểm khi nhiệt độ lớp PV thấp hơn nhiệt độ môi trường do nó hấp thụ được thêm một phần nhiệt lượng từ môi trường.

Do đó, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong thực tế mà các mô-đun PV/T loại I hay loại II được ứng dụng vào những hệ thống khác nhau

Bên cạnh đó, mô-đun PV/T loại I và loại II trong nghiên cứu này đều được đề xuất bọc cách nhiệt (lớp bảo ôn) với mục đích: (i) Giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh trong trường hợp nhiệt độ mô-đun PV/T cao hơn nhiệt độ môi trường (nhiệt độ nước giải nhiệt cao); (ii) Giảm thiểu nhận nhiệt từ môi trường xung quanh trong trường hợp nhiệt độ mô-đun PV/T thấp hơn nhiệt độ môi trường (nhiệt độ nước giải nhiệt thấp), lúc này nước giải nhiệt sẽ tập trung nhận nhiệt từ NLMT.

Như vậy, với các thành phần cấu thành lên mô-đun PV/T như mô tả trên hình 2.1 và hình 2.2, khi xem xét cùng diện tích hứng nắng, có thể thấy rằngcác mô-đun PV/T loại

I có bề dày lớn hơn và có khối lượng lớn hơn nhưng không đáng kể (chủ yếu do khung bao) so với các mô-đun PV/T loại II.

- Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống - tấm hấp thụ

Bộ TĐN được ép sát vào mặt dưới của lớp PV gồm tấm hấp thụ và ống, cũng được gọi là bộ TĐN ống-cánh, ống được làm bằng đồng và tấm hấp thụ được làm bằng nhôm. Trong đó ống được sắp xếp theo 3 dạng:

+Một đường ống (1 Coil Tube - 1CT): 1 đường ống được uốn ngoằn ngoèo hình rắn (hình 2.3a)

+Song song (Parallel Tube - PT): 10 ống nhánh được sắp xếp song song và có 2 ống góp ở 2 phía (hình 2.3b)

+Hai đường ống (2 Coil Tube - 2CT): 2 đường ống, mỗi đường ống được uốn ngoằn ngoèo hình rắn (hình 2.3c)

Hình 2.3 Sơ đồ sắp xếp ống TĐN, 1CT (a), PT (b), 2CT (c). Ống sắp xếp dạng 1CT và PT được nhiều tác giả nghiên cứu với kích thước ống và bước ống đa dạng như đã trình bày ở tiểu mục 1.3.1.1 Trong đó số ống, đường kính ống, chiều dài mỗi ống và bước ống dạng PT được luận án lựa chọn từ nghiên cứu của Bhattarai cùng cộng sự [22] do rất phù hợp với diện tích của mô-đun PV thương mại thông dụng hiện nay (1m x 2m = 2 m 2 ) với 10 ống nhánh có đường kính D t,o = 0,01 m, chiều dài L 1t = 1,916m và bước ống W = 0,1 m Về đường kính ống và bước ống dạng 1CT, khi xem xét cùng lưu lượng, đường kính ống nhỏ giúp vận tốc nước tăng, làm tăng hiệu quả truyền nhiệt nhưng mặt khác lại làm tăng tổn thất áp suất và tăng khả năng đóng cáu cặn sau thời gian sử dụng, tất cả điều này gây làm tiêu hao nhiều năng lượng cho bơm và hiệu quả truyền nhiệt Bên cạnh đó, theo nghiên cứu củaYahia và cộng sự [39], ảnh hưởng của đường kính ống đến hiệu suất nhiệt trong dải từ

8 mm đến 19,94 mm là không quá 2% Đồng thời, một số nghiên cứu liên quan đến dạng 1CT sử dụng đường kính ống Dt,o = 0,01 m như Zondag và cộng sự [3], Santbergen và cộng sự [18] Từ đó, luận án đề xuất sử dụng ống TĐN có đường kính D t,o = 0,01 m cho cả 3 dạng 1CT, PT và 2CT để thuận tiện cho việc so sánh, đánh giá

Khi xem xét cùng lưu lượng nước, ống sắp xếp theo dạng PT giúp giảm trở lực bơm nhưng lại tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ do có nhiều mối hàn Ống sắp xếp theo 1CT có ưu điểm tránh được rò rỉ nhưng do chiều dài đường ống lớn nên trở lực bơm tăng.D o đó luận án đề xuất bố trí ống dạng 2CT, chia thành 2 đường ống để giảm bớt trở lực đồng thời giúp giảm nhiệt độ của nước làm việc, từ đó giải nhiệt cho các PV cell hiệu quả hơn và đồng đều hơn so với dạng 1CT

Về bước ống của dạng 1CT và 2CT, nếu bước ống nhỏ, số ống sẽ tăng lên, điều này làm tăng hiệu quả trao đổi nhiệt [24] nhưng lại làm tăng tổn thất áp suất, tiêu hao nhiều năng lượng cho bơm, đồng thời tăng chi phí chế tạo Với mục đích làm mát đồng đều cho các PV cell, luận án đề xuất bước ống khoảng 0,16 m, đây cũng là khoảng cách giữa các PV cell trong hầu hết các mô-đun PV thương mại thông dụng hiện nay Với bước ống W = 0,16 m, chiều dài đường ống dạng 1CT là 12 m trong khi chiều dài trên 1 đường ống của dạng 2CT là 6 m (hình 2.3).

Hình 2.4 Mặt cắt bộ TĐN ống-tấm hấp thụ theo kiểu A(a) và kiểu B(b)

Về kiểu cấu tạo của bộ TĐN ống-tấm hấp thụ, luận án đề xuất nghiên cứu đồng thời 2 kiểu cấu tạo:

+Kiểu A: Tấm hấp thụ là tấm phẳng, được hàn trực tiếp với ống (Hình 2.4a)

+Kiểu B: Tấm hấp thụ được tạo hình Ʊ để ôm dọc theo chiều dài của ống (Hình 2.4b)

Trong đó, bộ TĐN kiểu A được nhiều nghiên cứu ứng dụng (như đã giới thiệu ở mục 1.3.1.1) do nó có ưu điểm là đảm bảo được sự truyền nhiệt giữa tấm hấp thụ và ống do được hàn trực tiếp với nhau Nhưng có nhược điểm là diện tích tiếp xúc nhỏ và khó chế tạo vì để đảm bảo tấm hấp thụ ko bị co, vênh thì tấm hấp thụ phải đủ dày, điều này gây tốn chi phí vật liệu làm tấm hấp thụ Hơn nữa để ống có thể hàn với tấm hấp thụ thì có thể phải sử dụng cùng vật liệu Ví dụ nếu sử dụng ống và tấm hấp thụ cùng bằng đồng thì dễ hàn hơn nhưng chi phí lớn trong khi nếu là nhôm thì công nghệ hàn gặp nhiều khó khăn… Chính vì vậy, luận án đề xuất bộ TĐN kiểu B do có ưu điểm dễ chế tạo, vật liệu làm tấm hấp thụ và ống không nhất thiết phải đồng nhất, điều này giúp giảm giá thành chế tạo ví dụ như tấm hấp thụ làm bằng nhôm và ống TĐN là ống đồng. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của bộ TĐN Kiểu B là nếu không đảm bảo được tính chính xác trong chế tạo sẽ khiến diện tích tiếp xúc giữa ống và tấm hấp thụ rất nhỏ và tồn tại lớp đệm không khí giữa tấm hấp thụ và ống khiến hiệu quả trao đổi nhiệt bị giảm Do đó, phải sử dụng lớp keo dẫn nhiệt để đảm bảo độ tiếp xúc điều này ít nhiều sẽ khó kiểm soát được nhiệt lượng trao đổi giữa tấm hấp thụ và ống.

Cơ sở lý thuyết cho mô-đun PV

Bên cạnh việc nghiên cứu các mẫu mô-đun PV/T và các hệ thống nhiệt (PVTAHW và PVTWHP), luận án cũng tiến hành xây dựng CT MPS cho mô-đun PV (không được giải nhiệt) nhằm dự đoán nhiệt độ của các thành phần và công suất phát điện của mô- đun PV Mục đích chính là tạo cơ sở để so sánh hiệu quả của mô-đun PV/T với mô- đun PV Một mô-đun PV bao gồm 2 thành phần là kính và lớp PV với sơ đồ dòng năng lượng được thể qua hình 2.10.

Hình 2.10 Sơ đồ dòng năng lượng ở các thành phần của mô-đun PV Ở đây τg, αg và αpvl lần lượt là hệ số trong suốt của kính, hệ số hấp thụ của kính và hệ số hấp thụ của lớp PV; Islà cường độ bức xạ mặt trời (W/m 2 ).

2.2.1 Điều kiện biên nhiệt độ

- Xem xét kính và lớp PV là các vật có đặc tính đồng chất, có bề dày và thông số vật lý (khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt) là hằng số;

- Lớp PV có chiều dày nhỏ (δpvl = 1,1 mm) và có hệ số dẫn nhiệt tốt (λpvl = 140 W/m.K), do đó xem xét nhiệt độ của lớp PV phân bố đều theo bề dày Nhiệt độ toàn tấm lớp PV có giá trị trung bình Tpvl;

- Nhiệt độ bề mặt trên của kính có giá trị trung bình Tg, bề mặt dưới của kính tiếp xúc trực tiếp với lớp PV nên có nhiệt độ trung bình là Tpvl;

- Giả định Tpvl > Tg> Ta (Talà nhiệt độ của môi trường xung quanh);

- Quá trình truyền nhiệt của kính và lớp PV được thể hiện trên hình 2.10 với các mật độ dòng nhiệt được thể hiện bằng các công thức dưới đây.

2.2.2 Lý thuyết tính toán có liên quan

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ giữa kính và môi trường lần lượt được tính như sau:

Với hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ giữa môi trường và kính [19]:

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ giữa lớp PV và môi trường được tính như sau:

Với hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ giữa môi trường và lớp PV [19]:

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt giữa lớp PV và kính được tính như sau:

Trong đó: Tpvl, Talần lượt là nhiệt độ lớp PV và nhiệt độ môi trường [K], valà vận tốc gió (m/s); εg và εpvl lần lượt là hệ số phát xạ của kính và lớp PV; σ = 5,67.10 -8 (W/m 2 K 4 ) là hằng số Stefan Boltzmann; λgvà δg lần lượt là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) và bề dày của kính (m).

- Công suất điện riêng của lớp PV [19]:

+ ηref, Bref là hiệu suất phát điện, hệ số ảnh hưởng nhiệt độ của PV cell ở điều kiện chuẩn (cường độ BXMT ở 1000 (W/m 2 ) và nhiệt độ Tref= 298,15 [K])

+ Hiệu suất phát điện ở điều kiện chuẩn của PV cell có thể được tính theo công thức: ef PV r PF

Với ηPV là hiệu suất phát điện của mô-đun PV trong điều kiện chuẩn và hệ số bao phủ (Packing factor - PF) của PV cell, được tính theo công thức:

PF F  F (2.12) Ở đây Fpvc và FPVlần lượt là diện tích của PV cell và diện tích của mô-đun PV (m 2 ).Khi tính toán hệ số bao phủ cho mô-đun PV/T thì FPV/T là diện tích của mô-đun PV/T(m 2 ).

Cơ sở lý thuyết cho mô-đun PV/T

Ở 6 mẫu mô-đun PV/T đều bao gồm 6 thành phần: kính, lớp PV, tấm hấp thụ, ống TĐN, nước và lớp cách nhiệt Tuy nhiên tùy theo bộ TĐN kiểu A hay kiểu B, sự truyền nhiệt giữa một số thành phần là khác nhau Sơ đồ dòng năng lượng ở các thành phần của mô-đun PV/T được mô tả qua hình 2.11.

Trên hình 2.11 có 4 khung (a), (b), (c) và (d), trong đó:

+ Khung (a) là quá trình truyền năng lượng tại kính và lớp PV ở mô-đun PV/T loại I + Khung (b) là quá trình truyền năng lượng tại kính và lớp PV ở mô-đun PV/T loại II + Khung (c) là quá trình truyền năng lượng tại bộ TĐN kiểu A

+ Khung (d) là quá trình truyền năng lượng tại bộ TĐN kiểu B

Hình 2.11 Sơ đồ dòng năng lượng ở các thành phần của mô-đun PV/T

2.3.1 Điều kiện biên nhiệt độ

- Xem xét kính, lớp PV, tấm hấp thụ, ống và lớp cách nhiệt là các vật có đặc tính đồng chất, có bề dày và thông số vật lý (khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt) là hằng số;

- Điều kiện biên về nhiệt độ của lớp PV ở mô-đun PV/T loại I và loại II tương tự như ở mô-đun PV; Điều kiện biên về nhiệt độ của kính ở mô-đun PV/T loại II tương tự như ở mô-đun PV; Đối với kính của mô-đun PV/T loại I, lớp không khí có nhiệt trở lớn nên nhiệt độ kính thấp hơn nhiều so với lớp PV và sự chênh lệch về nhiệt độ giữa bề mặt trong và bề mặt ngoài của kính là không đáng kể Do đó, xem xét nhiệt độ của kính là phân bố đều theo bề dày Nhiệt độ toàn tấm kính có giá trị trung bình Tg.

- Nhiệt độ của nước bên trong ống được xem xét có giá trị trung bình của nhiệt độ nước vào và ra khỏi ống Tpw[25].

- Tấm hấp thụ nhôm và ống TĐN đồng là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt lớn và bề dày nhỏ nên xem xét nhiệt độ của tấm hấp thụ và ống TĐN phân bố đều theo bề dày. Nhiệt độ trung bình của tấm hấp thụ và ống có giá trị lần lượt là Tabvà Tt.

- Nhiệt độ tại mặt trên của lớp cách nhiệt: (i) với bộ TĐN kiểu A, nơi tiếp xúc trực tiếp với tấm hấp thụ có nhiệt độ trung bình Tabcòn nơi tiếp xúc với ống TĐN có nhiệt độ trung bình Tt, (ii) với bộ TĐN kiểu B, nhiệt độ bề mặt trên của lớp cách nhiệt có nhiệt độ trung bình Tab; Nhiệt độ bề mặt dưới của lớp cách nhiệt có giá trị trung bình Tins.

- Giả định Tpvl > Tg> Ta; Tpvl> Tab> Tt> Tpw; Tab, Tt> Tins> Ta.

- Quá trình truyền nhiệt giữa các thành phần của mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu

A và kiểu B được thể hiện trên hình 2.11 với các mật độ dòng nhiệt được thể hiện bằng các công thức dưới đây.

2.3.2 Lý thuyết tính toán có liên quan

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ giữa kính và lớp PV được tính như sau:

+ Hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ giữa kính và lớp PV [19]:

Với Tpvllà nhiệt độ của lớp PV [K]

+ Hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu giữa kính và lớp PV [40]: air air 2 pvl, ir

  3 air pvl air air air

Với δairlà bề dày lớp không khí giữa kính và lớp PV (m); θ là góc nghiêng của mô-đun PV/T; g = 9,81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường.

Coi lớp không khí giữa kính và lớp PV là không khí khô với các thông số nhiệt vật lý (β, ʋ, ɑ, λ) được tính theo bảng PL1.1 [41] ở nhiệt độ lớp không khí: air pvl [ ]

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt giữa: (i) lớp PV và tấm hấp thụ, (ii) lớp PV và ống, (iii) tấm hấp thụ và ống lần lượt được tính như sau:

, , (W/m ) cd pvl ab cd pvl ab pvl ab q  k  T T (2.20)

, , (W/m ) cd pvl t cd pvl t pvl t q  k  T T (2.21)

, , (W/m ) cd ab t cd ab t ab t q  k  T T (2.22)

+ Hệ số truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt giữa lớp PV và tấm hấp thụ: pvl,ab 1 (W/m )2 cd pvl ad ab pvl ad ab k    K

Với: δpvl và λpvl là bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp PV; δad và λad là bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp keo tản nhiệt; δabvà λablà bề dày và hệ số dẫn nhiệt của tấm hấp thụ.+ Do thành ống TĐN mỏng (Dt,i /Dt,o ≤ 0,75) nên xem xét truyền nhiệt qua ống là truyền nhiệt qua vách phẳng [42] Vì vậy, hệ số truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt giữa lớp pvl, 1 (W/m )2 cd t pvl ad t pvl ad t k    K

Với: δtvà λtlà bề dày và hệ số dẫn nhiệt của ống.

+ Tương tự ta có hệ số truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt giữa tấm hấp thụ và ống:

Với bộ TĐN kiểu A: ab,t 2

Với bộ TĐN kiểu B: ab,t 2

1 W cd K ab ad t ab ad t k    m

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng tỏa nhiệt đối lưu giữa ống và nước tinh khiết được tính như sau:

Với hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu của nước tinh khiết và ống [42]: w w w,t 2 t,i

Vận tốc của nước trong 1 ống của bộ TĐN được xác định theo công thức: w1 w pw t,i

Trong đó: Gpw là lưu lượng nước (kg/s); Nt là số ống; Dt,i và Dt,olà đường kính trong và đường kính ngoài của ống TĐN (m).

+ Với Re p w  2300, Nu p w  4,364 (2.31) + Với Re p w 2300,Nu p w 0,023 Re p w    0,8 Pr p w 0,4 (2.32) Tiêu chuẩn Prandtl: w , w w w

Các thông số nhiệt vật lý của nước (λ, cp, μ, ρ) được tính theo bảng PL1.2 [43] với nhiệt độ nước Tpw.

Có thể thấy rằng lớp cách nhiệt tại phần ống (bộ TĐN kiểu A) và tại phần tấm hấp thụ tạo hình Ʊ (bộ TĐN kiểu B) cùng có bề dày nhỏ hơn so với các vị trí không có ống. Tuy nhiên do lớp cách nhiệt ban đầu có chiều dày không đổi nên khi gắn vào mô-đun PVT thì những nơi có ống sẽ bị ép lại nên mật độ cách nhiệt tại đó sẽ lớn hơn những vị trí khác Vì vậy để đơn giản quá trình tính toán, xem xét mật độ dòng nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt giữa: (i) tấm hấp thụ và lớp cách nhiệt, (ii) ống và lớp cách nhiệt được tính lần lượt như sau:

, / (W/m ) cd ab ins ins ins ab ins q     T T (2.34)

, / (W/m ) cd t ins ins ins t ins q     T T (2.35)

Với λins, δinslần lượt là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) và bề dày (m) của lớp cách nhiệt;

- Mật độ dòng nhiệt truyền bằng tỏa nhiệt đối lưu giữa lớp cách nhiệt và môi trường có giá trị:

Hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu giữa lớp cách nhiệt và môi trường không khí xung quanh kc-a,insđược tính theo pt (2.3).

Cơ sở lý thuyết cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Bộ TĐN dạng tấm được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực về công nghiệp hóa chất, năng lượng, thực phẩm, dược phẩm…để giải nhiệt, làm lạnh, ngưng tụ hoặc bay hơi giữa hai chất lỏng, giữa chất lỏng và chất khí hoặc giữa hơi và chất lỏng Gần đây, điểm về kết cấu chắc chắn, dễ dàng thay đổi công suất, thuận lợi trong việc vệ sinh, sửa chữa và đặc biệt hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao, có thể trao đổi nhiệt giữa 2 dòng có nhiệt độ chênh lệch chỉ 1 o C trong khi bộ TĐN ống vỏ phải yêu cầu khoảng 5 o C, hoặc hơn [44].

Hình 2.12 Thông số cấu tạo của bộ TĐN dạng tấm loại hàn kín [44]

Dựa vào những ưu điểm của bộ TĐN dạng tấm và trong khuôn khổ ứng dụng của đề tài, bộ TĐN dạng tấm loại hàn kín (hình 2.12) được lựa chọn làm thiết bị bay hơi (TBBH) cho mô hình thực nghiệm của hệ thống PVTWHP-NIVT Đồng thời nghiên cứu cũng xây dựng chương trình mô phỏng số cho hệ thống này nên cần thiết xây dựng những lý thuyết liên quan đến bộ TĐN dạng tấm loại hàn kín.

Các thông số của bộ TĐN dạng tấm:

- Lv: Khoảng cách đứng giữa 2 tâm cổng vào – ra (m)

- Lh: Khoảng cách ngang giữa 2 tâm cổng vào – ra (m)

- Ld: Bề dày của bộ TĐN (m)

- Lw= Lh+ Dplà chiều rộng hiệu quả của tấm (m) (2.37)

- Lp= Lv– Dplà chiều dài hiệu quả của tấm (m) (2.38)

- Chiều cao gân [45]: Hgan= Ld/(Nplate – 1) (m) (2.39)

- Khoảng cách trung bình của kênh hay chiều sâu gân [45]: dgan= Hgan – δplate

- Dplà đường kính cổng (m); βcv là góc chevron; Lganlà đường gân (m); δplate là bề dày tấm (m); Nplate: tổng số tấm (m);

- Diện tích dòng kênh Fkenh hay diện tích mặt cắt ngang của kênh là diện tích dòng nhỏ nhất giữa 2 tấm [44], [46]: Fkenh= dgan.Lw(m 2 ) (2.41)

- Chu vi ướt của kênh [45]: Pekenh=2(dgan+Lw.ϕ) (m) (2.42)

- Đường kính thủy lực của kênh Dh[44]-[46]: w kenh w

- Hệ số mở rộng bề mặt là tỉ số giữa diện tích truyền nhiệt hiệu quả thực tế

Ftht(HX) và diện tích truyền nhiệt sơ bộ của 1 tấm Fsb(HX) Hệ số này dao động từ 1,1 đến 1,25 [46], [47]:

- Diện tích truyền nhiệt hiệu quả của bộ TĐN tấm [46]:

Feff(HX)= Nplate.Ftht(HX) (2.46)

Bộ TĐN dạng tấm loại hàn kín được sử dụng trong luận án có nhiệm vụ TĐN giữa chất tải nhiệt (ở đây là nước) và môi chất lạnh bay hơi.

- Hệ số truyền nhiệt của môi chất lạnh bay hơi và nước bên trong bộ TĐN:

1 1 rfg p plate c rfg evap plate c p k K k k

Do các tấm bản rất mỏng và có hệ số dẫn nhiệt cao nên xem xét bỏ qua thành phần δplate/λplate.

- Hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu của môi chất lạnh bay hơi bên trong bộ TĐN tấm:

. rfg rfg liq c rfg ev bd k Nu d m K

eff bd rfg vap rfg liq bd rfg rfg rfg liq o rfg q d d

Trong đó: qeff là mật độ dòng nhiệt hiệu quả (W/m 2 ); dbd là đường kính xuất phát của bọt (m):

0,0146 2 bm bd tx rfg liq rfg vap d g

Với σbmlà sức căng bề mặt (N/m) và θtxlà góc tiếp xúc, có giá trị 35 o với môi chất là hydrocarbon; To là nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh [K].

+ arfglà hệ số khuếch tán nhiệt (m 2 /s):

( ) ( ) , ( ) rfg liq rfg rfg liq p rfg liq a c

Với: λrfg(liq) là hệ số dẫn nhiệt của lỏng môi chất (W/m.K); ρrfg(liq) và ρrfg(vap) là khối lượng riêng của lỏng môi chất và hơi môi chất (kg/m 3 ); cp,rfg(liq) là nhiệt dung riêng đẳng áp của lỏng môi chất (J/kg.K); hrfg(vap) và hrfg(liq) là entanpi của hơi môi chất và lỏng môi chất (J/kg).

Pr rfg rfg liq p rfg liq rfg liq

  (2.52) Ở đây μrfg(liq) là hệ số nhớt động lực học của lỏng môi chất (N.s/m 2 ).

Lưu ý: Các thông số nhiệt vật lý của màng bay hơi  rfg liq ( ) , rfg liq ( ) , rfg liq ( ) ,c p rfg liq , ( ) ,h rfg liq ( ) được tra theo bảng PL1.3 [42] theo nhiệt độ Tfilm(evap) Các thông số nhiệt vật lý

 được tra bảng PL1.3 [42] theo nhiệt độ môi chất bay hơi To.

+ Nhiệt độ màng bay hơi được xem xét có giá trị:

 (2.53) Ở đây nhiệt độ vách tấm bản của bộ TĐN được xem xét có giá trị:

- Hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu của nước bên trong TBBH dạng tấm: w(HX) w(HX) w(HX) 2

+ Tiêu chuẩn Nusselt trong trường hợp này được tính như sau [49]:

2 pw(HX) pw(HX) pw(HX) 1/3

.0,122.Pr HX Re sin(2 ) cv

Với hệ số ma sát trong bộ TĐN tấm được tính như sau:

0,18.tan 0,36.sin / cos 3,8. cv cv

  (2.57) Ở đây: pw(HX) pw(HX)

+ Tiêu chuẩn Reynolds trong trường hợp này được tính như sau: pw(HX) mw pw

Với Gmwlà mật độ lưu lượng khối của nước trong 1 kênh [46]: mw plate x 2.

   (2.60) Ở đây: G là lưu lượng khối lượng của nước vào bộ TĐN dạng tấm (kg/s); Tiêu chuẩn Prandtl (Prpw(HX)) được tính theo pt (2.33) và các thông số nhiệt vật lý của nước được tính theo bảng PL1.2 [43] với nhiệt độ nước được cho:

Lý thuyết tính toán cho máy nén

Hệ thống PVTWHP-IVT sử dụng máy nén biến tần (Inverter) và hệ thống PVTWHP- NIVT sử dụng máy nén không biến tần (Non-Inverter) Đối với cả 2 hệ thống, quá trình nén phải là quá trình đoạn nhiệt không thuật nghịch.

- Lưu lượng môi chất đi qua máy nén piston [50]:

60 comp rfg v rfg vap d m    V v kg s (2.62)

+ Hiệu suất nén thể tích [51]:

Trong đó: pk, po lần lượt là áp suất ngưng tụ và bay hơi của môi chất lạnh (N/m 2 ); ρrfg(vap) là khối lượng riêng của hơi hút vào máy nén (kg/m 3 ); Vdlà thể tích quét của xy lanh (m 3 ); vcomplà tốc độ máy nén (vòng/phút).

- Công suất máy nén trong quá trình nén đoạn nhiệt không thuận nghịch:

P  m h h (2.64) Ở đây h2 là entanpi của hơi ra khỏi máy nén ở điều kiện nén đoạn nhiệt không thuận nghịch, được tính theo công thức:

Trong đó h2,is là entanpi của hơi ra khỏi máy nén ở điều kiện nén đoạn nhiệt thuận nghịch Hiệu suất nén đoạn nhiệt được xác định như sau [51]:

- Công suất động cơ máy nén:

, 2 1 W comp nis comp rfg comp comp

   (2.67) Ở đây: Hiệu suất tổng của máy nén [55]: ηcomp= 0,8.

Lý thuyết tính toán cho bơm nước

Bơm nước sử dụng cho 2 hệ thống được tính toán với giả định:

- Với hệ thống PVTAHW: Tính toán tổn thất áp suất bao gồm (i) đường ống của bộ TĐN mô-đun PV/T, (ii) 2 van cổng và (iii) đường ống của cuộn ống trong bình chứa nước nóng.

- Với hệ thống PVTWHP: Tính toán tổn thất áp suất bao gồm (i) đường ống của bộTĐN mô-đun PV/T và (ii) 2 van cổng.

Tổn thất áp suất bao gồm tổn thất áp suất ma sát trên đường ống và tổn thất áp suất cục bộ tại co, tê, van cổng…[15]: Δp = Δpms+ Δpcb+ Δpbuoy (N/m 2 ) (2.68)

- Tổn thất áp suất do lực nâng (Δpbuoy) được xem xét bỏ qua.

- Tổn thất áp suất ma sát, được Darcy-Weisbach mô tả qua công thức: w w 2 2 w ,

Trong đó: L là chiều dài ống (m); Dt,i là đường kính trong của ống (m); ρpw là khối lượng riêng của nước (kg/m 3 ); ωpwlà vận tốc của nước trong ống (m/s).

+ Hệ số ma sát fmsđược tính như sau:

 Dòng chảy rối, theo Lewis F Moody (1947):

- Tổn thất áp suất cục bộ được tính theo công thức: w 2 w 2

Với εtlà độ nhám bề mặt ống (m), g = 9,81 (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường và K là hệ số tổn thất áp suất cục bộ tại co, tê, van…tính theo bảng 2.1.

Bảng 2.1 Hệ số tổn thất cục bộ [15]

Nơi tổn thất Hệ số tổn thất áp suất cục bộ

Công suất điện của bơm nước được tính toán theo công thức: w pump (W) p pump

Với: ƞpump= 0,8 là hiệu suất tổng của bơm; G là lưu lượng khối lượng nước qua bơm(kg/s).

Lựa chọn môi chất lạnh cho bơm nhiệt

Theo Jozef Nyer và cộng sự [52], các môi chất lạnh dùng cho bơm nhiệt hiện nay là R410A, R404A, R407C và phổ biến là R134a và R1234yf Ở Mỹ, từ 2017 trở đi môi chất R1234yf sẽ được sử dụng cho hệ thống điều hòa không khí trên ô tô thay cho môi chất R134a Tuy nhiên ở Châu Âu và đặc biệt là hãng xe Đức Mercedes lại chứng minh rằng môi chất R1234yf nguy hiểm do dễ cháy, hơn nữa COP của môi chất R1234yf thấp hơn R134a nên R1234yf không thể thay thế R134a trong hệ thống hơm nhiệt Nhóm nghiên cứu đã thực hiện so sánh hệ số COP của các môi chất R410A, R404a, R407C, R134A và R1234yf ở nhiệt độ bay hơi to = 5 o C, nhiệt độ ngưng tụ tk 35, 40, 45, 50, 55 o C với độ quá nhiệt của hơi ra khỏi dàn lạnh là Δtqn= 5 o C, quá trình nén giả định là đẳng entrolpy Kết quả nghiên cứu cho thấy COP của môi chất R134a cao hơn so với các môi chất khác ở mọi nhiệt độ ngưng tụ Ở nhiệt độ ngưng tụ tk ≥

40 o C thứ tự COP từ cao đến thấp lần lượt là R134a, R407C, R410A, R1234yf, R404A. Ngoài ra, khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường có thể thấy rằng tiềm năng phá hủy tầng ozone của các loại môi chất trên đều bằng 0, nhưng tiềm năng gây nóng toàn cầu của R1234yf là nhỏ nhất, tiếp theo là R134a so với các loại còn lại và của R404A là cao nhất Bên cạnh đó, chi phí trên một kg môi chất lạnh của R134a là thấp nhất.

Nhận xét:Có thể thấy rằng môi chất lạnh R134a đáp ứng tốt yêu cầu về hiệu quả năng lượng, bên cạnh đó R134a có giá thành rẻ, sẵn có và được sử dụng nhiều tại Việt Nam.

Vì vậy, R134a được luận án chọn làm môi chất hoạt động cho bơm nhiệt trong hệ thống PVTWHP-NIVT và hệ thống PVTWHP-IVT.

Tính toán COP cho bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí với R134a

Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt trong hệ thống PVTWHP-INT, việc so sánh với COP của một bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí (AWHP) là cần thiết Do đó, trong đề mục này luận án sẽ trình bày lý thuyết liên quan đến tính toán COP cho AWHP trên cơ sở cùng hoạt động theo chu trình lạnh như mô tả trên hình 2.9.

Aguilar và cộng sự [53] tiến thành thực nghiệm cho AWHP sử dụng R134a và thiết lập nên công thức xác định nhiệt độ ngưng tụ (tk) và bay hơi (to) của môi chất như sau: w w

Như vậy, nếu biết nhiệt độ môi trường (ta) và nhiệt độ nước nóng (thw) sẽ xác định được nhiệt độ to và tk Từ đây tính toán được các giá trị entanpi h1, h2, h3 và h4 và xác định được nhiệt lượng ngưng tụ riêng (qk), công nén đoạn nhiệt không thuận nghịch riêng (lo) và COP tức thời của AWHP theo các công thức sau:

Ví dụ: Tính toán COP cho một AWHP hoạt động từ 8h đến 15h ở điều kiện nhiệt độ môi trường dao động từ 29 o C đến 31 o C để làm nóng nước từ nhiệt độ thw-t = 30 o C đến nhiệt độ thw-s = 60 o C Để tính toán, ta cần thực hiện các bước sau:

Bước 1: Trung bình các giá trị nhiệt độ môi trường tatrong thời gian khảo sát để nhận giá trị t a ; Bước 2: Từ thw-tvà thw-s, chia ra thành nhiều giá trị thwnhỏ (thw1, thw2, thw3…thwn) theo chiều tăng thw Mỗi giá trị thwcách nhau 0,1 o C; Bước 3: Sử dụng t a và các giá trị thw vừa chia để tính toán các giá trị qk, lo tức thời; Bước 4: Trung bình các giá trị qk, lo ta được q k , l o Từ đây xác định được COP của hệ thống trong thời gian khảo sát theo công thức sau:

Kết luận

Trong chương 2 luận án đã thực hiện được nhiệm vụ chính là nghiên cứu đề xuất được cấu trúc hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T nước với tên gọi MD1, MD2, MD3, MD4, MD5, MD6 Đồng thời đề xuất được bộ TĐN kiểu A và kiểu B để ứng dụng cho 6 mẫu mô-đun này Bên cạnh đó, 2 hệ thống nhiệt (1) hệ thống PVTAHW và (2) hệ thống PVTWHP được đề xuất để ứng dụng cho 6 mẫu mô-đun PV/T.

Nhằm xây dựng một nền tảng lý thuyết đầy đủ và chi tiết để phục vụ cho các chương trình mô phỏng số, chương 2 đã trình bày cơ sở lý thuyết của mô-đun PV và mô-đunPV/T nước, bộ TĐN dạng tấm, lý thuyết tính toán cho máy nén và bơm nước Bên cạnh đó, luận án đã lựa chọn được môi chất môi chất lạnh R134a cho bơm nhiệt của hệ thống PVTWHP-NIVT và hệ thống PVTWHP-IVT Đồng thời trình bày lý thuyết tính toán COP cho bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí (AWHP) để làm cơ sở cho việc so sánh hiệu quả COP về sau.

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ

Giới thiệu

Với những nền tảng lý thuyết đã xây dựng trong chương 2, luận án sẽ tiến hành xây dựng nên 5 chương trình mô phỏng số (CT MPS) trong chương 3, bao gồm:

CT MPS 1:Chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV (không được làm mát);

CT MPS 2:Chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV/T nước;

CT MPS 3:Chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTAHW;

CT MPS 4: Chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTWHP-INT (sử dụng máy nén biến tần);

CT MPS 5: Chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTWHP-NIVT (sử dụng máy nén không biến tần).

5 CT MPS đều được xây dựng trên nền tảng phân tích nhiệt dựa vào các phương trình cân bằng năng lượng (CBNL) tại các thành phần cấu thành lên mô-đun PV, mô-đun PV/T cũng như hệ thống PVTAHW, hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP- NIVT Sau đó sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn loại ẩn và phương pháp đại số để giải Tất cả được lập trình bằng CODE trên ngôn ngữ lập trình MATLAP để tối ưu hóa quá trình tính toán nhằm tìm ra các kết quả một cách nhanh chóng, chính xác khi thay đổi bất kỳ các thông số đầu vào Các CT MPS đều được xây dựng để có khả năng tính toán trong điều kiện ổn định và không ổn định theo thời gian do các giá trị đầu vào như cường độ BXMT, nhiệt độ môi trường, vận tốc gió thay đổi liên tục trong ngày Điều này có ý nghĩa quan trọng để phục vụ cho việc phân tích, đánh giá cho các hệ thống trong điều kiện thời tiết quanh năm Mục đích của việc xây dựng CT MPS 1 là để dự đoán nhiệt độ của các thành phần và công suất phát điện của mô-đun

PV để làm cơ sở so sánh hiệu quả phát điện của mô-đun PV với mô-đun PV/T nước.

CT MPS 2 được xây dựng để dự đoán nhiệt độ của các thành phần, công suất phát điện,hiệu suất nhiệt, hiệu suất điện, hiệu suất tổng cho các mẫu mô-đun PV/T sử dụng bộTĐN kiểu A hoặc kiểu B CT MPS 3 và CT MPS 4 lần lượt được xây dựng bên cạnh mục đích dự báo nhiệt độ của các thành phần trong mô-đun PV/T, nước nóng trong bình chứa cũng như công suất phát điện, hiệu suất nhiệt, điện của mô-đun PV/T, còn giúp dự báo hiệu suất energy, hiệu suất exergy, sản lượng nhiệt, điện cho hệ thốngPVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT CT MPS 5 được xây dựng hoàn toàn có thể thực hiện được các mục đích dự báo tương tự như CT MPS 4 nhưng ứng dụng cho hệ thống PVTWHP-NIVT.

Chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV

3.2.1 Phân tích nhiệt cho mô-đun PV

Phân tích nhiệt cho mô-đun PV dựa vào các phương trình cân bằng năng lượng (CBNL), ở đây là phương trình vi phân truyền nhiệt không ổn định của thành phần kính và lớp PV Sơ đồ dòng năng lượng ở các thành phần đã được mô tả trên hình 2.10.

Bên cạnh các điều kiện biên về nhiệt độ như đã trình bày tại mục 2.2.1, các phương trình CBNL cho mô-đun PV được viết trên các giả thiết sau:

- Bỏ qua sự truyền nhiệt giữa môi trường với 4 cạnh bên của mô-đun PV;

- Thông số vật lý tại kính, lớp PV là không đổi;

- Nhiệt độ của kính, lớp PV thay đổi theo thời gian;

- Diện tích kính, lớp PV là bằng nhau và là diện tích module PV (Fg= Fpvl= FPV);

- Điều kiện ban đầu (Thời điểm t=0): Trong các mô phỏng không so sánh với thực nghiệm, giả định Tg = Ta + 1, Tpvl = Tg + 2; Trong các mô phỏng có so sánh với thực nghiệm, các thông số Tg, Tpvlđược xác định dựa vào số liệu đo đạc thực nghiệm.

3.2.1.2 Phương trình CBNL tại kính

Hình 3.1 Sơ đồ dòng năng lượng ở thành phần kính

Kính hấp thụ một phần NLMT, thực hiện truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ với môi trường bên ngoài, đồng thời truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với lớp PV Do đó phương trình CBNL của kính được viết như sau:

Phương trình (3.1) tương đương với:

+ Is, Ta, va là giá trị trung bình trong khoảng thời gian dt của cường độ BXMT, nhiệt độ môi trường và vận tốc gió tương ứng; δg, ρg, cp,g là bề dày (m), khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của kính.

+ Năng lượng tích trữ trong kính: g g p g , dT g (W) c dt

  Với dT g /dt là biến thiên của nhiệt độ kính (Tg) trong khoảng thời gian dt (K/s).

3.2.1.3 Phương trình CBNL tại lớp PV

Hình 3.2 Sơ đồ dòng năng lượng ở thành phần lớp PV

Lớp PV hấp thụ NLMT xuyên qua kính, thực hiện truyền nhiệt bằng bức xạ và tỏa nhiệt đối lưu với môi trường bên ngoài, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với kính, đồng thời tạo ra Eelec Do đó phương trình CBNL của lớp PV được viết như sau:

( g pvl ) s cd pvl g c a pvl a pvl elec pvl pvl p pvl pvl

Phương trình (3.3) tương đương với: g

, pvl ( ) ( ) ( c a,pvl a,pvl)( ) pvl pvl p pvl g pvl s elec g pvl r a pvl g c dT I PF E T T k k T T dt

+ Năng lượng tích trữ trong lớp PV: pvl pvl p pvl , pvl (W) c dT

  dt Với dT pvl /dt là biến thiên của nhiệt độ lớp PV (Tpvl) trong khoảng thời gian dt (K/s).

+ δpvl, ρpvl, cp,pvl là bề dày (m), khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của lớp PV.

3.2.1.4 Các giá trị đánh giá cho mô-đun PV

- Công suất điện trước khi được chuyển đổi qua inverter của mô-đun PV [56]:

- Công suất điện sau khi được chuyển đổi qua inverter của mô-đun PV [57]:

Với inv 0,95 là hiệu suất của inverter [57]

- Hiệu suất phát điện của mô-đun PV:

3.2.2 Phương pháp giải CT MPS cho mô-đun PV Để giải các phương trình vi phân truyền nhiệt không ổn định ở các thành phần của mô- đun PV nhằm tìm ra nhiệt độ theo thời gian của kính phủ, lớp PV, phương pháp số giây (5 phút) để phù hợp với số liệu cường độ BXMT, vận tốc gió và nhiệt độ môi trường nạp vào CT MPS, đồng thời cũng là khoảng thời gian giữa 2 lần lấy số liệu đo đạc trong các thực nghiệm liên quan Phương trình (3.2) và (3.4) sẽ được rời rạc theo thời gian với phương pháp sai phân hữu hạn loại ẩn, trở thành:

( )( ) n n pvl pvl n n n pvl pvl p pvl g pvl s elec g pvl g n n l r a pvl

Trong đó n đại diện cho các giá trị được giả định tại thời điểm ban đầu và n+1 là các giá trị cần tìm sau khoảng thời gian Δt. Đặt:

( c a g n a g ) ; ( / ) g ; g s ; ( ) g pvl s ;b PF (1 s r ) r ; g g p g g g p g g g p g pvl pvl p pvl pvl pvl p pvl k k I I I B T a t a t a t b t t c c c c c

PF . b ;b ;b ; c a l r a n l s r r g pvl pvl p pvl pvl pvl p pvl pv pv p pvl k k

Các phương trình (3.8) và (3.9) sẽ được gom lại thành 1 hệ phương trình (HPT):

Hệ phương trình (3.10) được viết dưới dạng ma trận:

Sử dụng phương pháp ma trận nghịch đảo để giải ma trận (3.11) nhằm tìm ra nhiệt độ kính phủ Tgvà nhiệt độ lớp PV Tpvltại thời điểm n+1.

3.2.3 Thiết lập CT MPS cho mô-đun PV Để mô phỏng số cho mô-đun PV, tất cả các giá trị đầu vào, các công thức, phương trình, hệ phương trình liên quan được lập trình trên ngôn ngữ lập trình MATLAB Tất cả được viết và tính toán theo CODE MATLAB ở Phụ lục 5.1 và được giải thích theo sơ đồ hình 3.3, cụ thể như sau:

Bước 1: Khởi động chương trình; Bước 2: Thiết lập các thông số thiết kế và hoạt động của mô-đun PV; Bước 3: Tải dữ liệu thời tiết gồm cường độ BXMT, nhiệt độ môi trường và vận tốc gió theo thời gian;

Bước 4: Giả định nhiệt độ của kính (Tg) và lớp PV (Tpvl) ở thời điểm ban đầu n;

Bước 5: Bắt đầu tính lặp để giải hệ các phương trình năng lượng ở các thành phần của mô-đun PV gồm kính và lớp PV thông qua việc giải ma trận (3.11) theo phương pháp ma trận nghịch đảo Kết quả tính toán sẽ được lưu vào vector (V) và so sánh giữa các lần tính toán bằng cách sử dụng số lần lặp (k):

+ Nếu V k V k  1 10  6 kết quả hội tụ;

+ Nếu V k V k  1 10  6 kết quả không hội tụ, tiếp tục tính toán ở k+1;

Bước 6: Khi thỏa điều kiện hội tụ, CT MPS sẽ xuất ra kết quả các giá trị Tg, Tpvl tại thời điểm n+1;

Bước 7: Lấy các giá trị vừa tìm được ở bước 6 quay trở lại bước 4 để tìm các giá trị ở những thời điểm tiếp theo (t +Δt), cứ như vậy cho đến thời điểm cuối;

Bước 8: Xuất toàn bộ kết quả theo thời gian;

Bước 9: Ngừng chương trình. Ở đâyn 0,1,2 Sumtime 1 t

Hình 3.3 Sơ đồ lập trình CT MPS cho mô-đun PV

Chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV/T

3.3.1 Phân tích nhiệt cho mô-đun PV/T

Tương tự như trên mô-đun PV, việc phân tích nhiệt trên mô-đun PV/T dựa vào các phương trình CBNL của 6 thành phần trên mô-đun PV/T: (1) kính, (2) lớp PV, (3) Tấm hấp thụ, (4) ống, (5) nước, (6) lớp cách nhiệt Sơ đồ dòng nhiệt ở các thành phần đã được mô tả trên hình 2.11.

Bên cạnh các điều kiện biên về nhiệt độ như đã trình bày tại mục 2.3.1, các phương trình CBNL cho mô-đun PV/T được viết trên các giả thiết sau:

- Bỏ qua sự truyền nhiệt giữa môi trường với 4 cạnh bên của mô-đun PV/T;

- Thông số vật lý tại kính, lớp PV, tấm hấp thụ, ống đồng, lớp cách nhiệt của mô-đun PV/T là không đổi;

- Thông số nhiệt vật lý của không khí ở mô-đun PV/T loại I và thông số nhiệt vật lý của nước tinh khiết tại mô-đun PV/T thay đổi theo nhiệt độ;

- Nhiệt độ của kính, lớp PV, tấm hấp thụ, ống đồng, nước tinh khiết và lớp cách nhiệt trong mô-đun PV/T thay đổi theo thời gian;

- Diện tích kính, lớp PV và lớp cách nhiệt là bằng nhau và là diện tích mô-đun PV/T (Fg= Fpvl= Fins= FPV/T).

- Điều kiện ban đầu (thời điểm t=0):

+ Đối với mô-đun PV/T loại I: giả định Tg = Ta+ 1, Tpvl = Tg + 5, Tab= Tpvl – 1, Tt Tab– 1, Tpw= Tpw,i, Tins= Ta+ 1;

+ Đối với mô-đun PV/T loại II: giả định Tg= Ta+ 1, Tpvl = Tg + 2, Tab = Tpvl – 1, Tt Tab– 1, Tpw= Tpw.i, Tins= Ta+ 1;

3.3.1.2 Phương trình CBNL tại kính

Hình 3.4 Sơ đồ dòng năng lượng ở thành phần kính của mô-đun PV/T loại I Ở mô-đun PV/T loại I, kính hấp thụ một phần NLMT, thực hiện truyền nhiệt bằng bức xạ và tỏa nhiệt đối lưu với môi trường bên ngoài, đồng thời truyền nhiệt bằng bức xạ và tỏa nhiệt đối lưu với lớp PV Do đó phương trình CBNL của kính được viết như sau:

- Mô-đun PV/T loại II:

Thành phần kính của mô-đun PV/T loại II cũng giống như kính của mô-đun PV, do đó phương trình CBNL được viết theo pt (3.1) và pt (3.2).

3.3.1.3 Phương trình CBNL tại lớp PV

- Mô-đun PV/T loại I sử dụng bộ TĐN kiểu A:

Hình 3.5 Sơ đồ dòng năng lượng ở lớp PV của mô-đun PV/T loại I với bộ TĐN kiểu A Ở mô-đun PV/T loại I sử dụng bộ TĐN kiểu A, lớp PV hấp thụ NLMT xuyên qua kính, thực hiện truyền nhiệt bằng bức xạ và tỏa nhiệt đối lưu với kính, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với tấm hấp thụ, đồng thời tạo ra Eelec Do đó phương trình CBNL của lớp PV được viết như sau:

( g pvl ) s c pvl g pvl g cd pvl ab elec pvl pvl p pvl pvl

( ) pvl pvl pvl p pvl g pvl s elec g c g g pvl cd ab pvl c dT I PF E k k T T dt k T T

- Mô-đun PV/T loại I sử dụng bộ TĐN kiểu B:

Hình 3.6 Sơ đồ dòng năng lượng ở lớp PV của mô-đun PV/T loại I với bộ TĐN kiểu B Ở mô-đun PV/T loại I sử dụng bộ TĐN kiểu B, lớp PV hấp thụ NLMT xuyên qua kính, thực hiện truyền nhiệt bằng bức xạ và tỏa nhiệt đối lưu với kính, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với tấm hấp thụ và ống, đồng thời tạo ra Eelec Do đó phương trình CBNL của lớp

PV được viết như sau:

( g pvl s ) c pvl g pvl g pvl ab cd pvl ab pvl cd pvl t elec pvl pvl p pvl pvl pvl pvl

( ) ( ) pvl pvl pvl p pvl g pvl s elec g c g g pvl pvl ab pvl cd ab pvl cd t pvl pvl pvl c dT I PF E k k T T dt F F k T T k T T

+ Diện tích truyền nhiệt của lớp PV với tấm hấp thụ:

Fpvl,ab= Fpvl- Lt.Dt,o (m 2 ) (3.18)

Với Dt,olà đường kính ngoài của ống TĐN (m), Ltlà chiều dài của ống (m):

Lt= Nt.L1t (m) (3.19) Ở đây Ntlà số ống và L1tlà chiều dài của 1 ống hoặc 1 đường ống (m).

+ Diện tích truyền nhiệt giữa lớp PV và ống:

- Mô-đun PV/T loại II sử dụng bộ TĐN kiểu A:

Hình 3.7 Sơ đồ dòng năng lượng ở lớp PV của mô-đun PV/T loại II với bộ TĐN kiểu A Ở mô-đun PV/T loại II sử dụng bộ TĐN kiểu A, lớp PV hấp thụ NLMT xuyên qua kính, thực hiện truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với kính và tấm hấp thụ, đồng thời tạo ra

( g pvl ) s cd pvl g cd pvl ab elec pvl pvl p pvl pvl

pvl ( ) ( ) ( ) pvl pvl p pvl g pvl s elec g pvl cd ab pvl g c dT I PF E T T k T T dt

- Mô-đun PV/T loại II sử dụng bộ TĐN kiểu B:

Hình 3.8 Sơ đồ dòng năng lượng ở lớp PV của mô-đun PV/T loại II với bộ TĐN kiểu B Ở mô-đun PV/T loại II sử dụng bộ TĐN kiểu B, lớp PV hấp thụ NLMT xuyên qua kính, thực hiện truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với kính, tấm hấp thụ và ống, đồng thời tạo ra Eelec Do đó phương trình CBNL của lớp PV được viết như sau:

( g pvl ) s cd pvl g pvl ab cd pvl ab pvl cd pvl t elec pvl pvl p pvl pvl pvl pvl

( ) ( ) pvl pvl pvl p pvl g pvl s elec g pvl g pvl ab pvl cd ab pvl cd l t pvl pvl pvl c dT I PF E T T dt

3.3.1.4 Phương trình CBNL tại tấm hấp thụ

- Mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A:

Hình 3.9 Sơ đồ dòng nhiệt ở tấm hấp thụ của bộ TĐN kiểu A Ở mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A, tấm hấp thụ truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với lớp PV, ống và lớp cách nhiệt Do đó phương trình CBNL của tấm hấp thụ được viết như sau:

, 1 t ab , t ab , , ab cd pvl ab cd ab ins cd ab t ab ab p ab ab ab

, ab pvl,ab( ) t ab ab,t( ) 1 t ab ins ( ) ab ab p ab cd pvl ab cd t ab ins ab ab ab ins

+ Năng lượng tích trữ trong tấm hấp thụ: ab ab p ab c , dT ab (W)

  dt Với dT ab /dt là biến thiên của nhiệt độ tấm hấp thụ (Tab) trong khoảng thời gian dt (K/s).

+ δab, ρab, cp,ab là bề dày (m), khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của tấm hấp thụ.

+ Diện tích tấm hấp thụ:

+ Diện tích tiếp xúc giữa tấm hấp thụ và ống [25]:

- Mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu B:

Hình 3.10 Sơ đồ dòng nhiệt ở tấm hấp thụ của bộ TĐN kiểu B Ở mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu B, tấm hấp thụ truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với lớp PV ống và lớp cách nhiệt Do đó phương trình CBNL của tấm hấp thụ được

, , , , pvl ins t ab ab cd pvl ab cd ab ins cd ab t ab ab p ab ab ab ab

, ab pvl pvl,ab( ) t ab ab,t( ) ins ins ( ) ab ab p ab cd pvl ab cd t ab ins ab ab ab ab ins

+ Diện tích tiếp xúc giữa tấm hấp thụ và ống:

+ Diện tích tấm hấp thụ:

3.3.1.5 Phương trình CBNL tại ống

Hình 3.11 Sơ đồ dòng nhiệt tại ống của bộ TĐN kiểu A (a) và kiểu B (b)

- Mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A (Hình 3.11a) Ở mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A, ống truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với tấm hấp thụ và lớp cách nhiệt, đồng thời truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu với nước chảy bên trong ống Do đó phương trình CBNL của ống được viết như sau:

, , Pe L , w , , , t t ab cd ab t i t c t p t ins cd t ins t t t p t

, t , ab,t( ) Pe L , w( w ) , ins ( ins t ) t t t p t t ab cd ab t i t c t p p t t ins ins

+ Năng lượng tích trữ trong ống: L F c t t t p t , dT t (W)

 dt Ở đây dT t /dt là biến thiên của nhiệt độ ống (Tt) trong khoảng thời gian dt (K/s).

+ ρt, cp,tlà khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của ống.

+ Diện tích mặt cắt của ống:

+ Dt,ilà đường kính trong của ống (m); Peo và Pei lần lượt là chu vi ngoài và trong của ống (m), được tính theo công thức:

+ Diện tích tiếp xúc của ống với lớp cách nhiệt: t,ins t o t ab , ( )2

- Mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu B (Hình 3.11b) Ở mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu B, ống truyền nhệt bằng dẫn nhiệt với tấm hấp thụ và lớp PV, đồng thời truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu với nước chảy bên trong ống Do đó phương trình CBNL của ống được viết như sau:

, , ,t , Pe L , w , t t ab cd ab t pvl cd pvl t i t c t p t t t p t

, t , ab,t( ) Pe L , w( w ) ,t pvl,t( ) t t t p t t ab cd ab t i t c t p p t pvl cd pvl t

3.3.1.6 Phương trình CBNL tại nước bên trong ống

Trong cả 2 bộ trao đổi nhiệt kiểu A và kiểu B, khối nước tinh khiết bên trong ống nhận năng lượng của nước ở đầu vào ống và truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu với thành ống rồi truyền năng lượng cho nước ở đầu ra của ống Do đó phương trình CBNL của nước tinh khiết bên trong ống được viết như sau: w Pe L ( ) 2 c ( ) dT p

+ Năng lượng tích trữ trong nước: t p w p w p ,pw dT p w (W)

 dt Với dT pw /dt là biến thiên của nhiệt độ nước (Tpw) trong khoảng thời gian dt (K/s).

+ ρpw, cp,pwlà khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của nước. + Diện tích mặt cắt của nước tinh khiết bên trong ống:

(3.41) Nhiệt độ trung bình của nước trong ống: w , w , w w , 2 w w ,

Tpw,i, Tpw,olần lượt là nhiệt độ nước tinh khiết vào ống và ra khỏi ống của bộ TĐN.

3.3.1.7 Phương trình CBNL tại lớp cách nhiệt

- Mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A: Ở mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A, lớp cách nhiệt truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với tấm hấp thụ và ống, đồng thời truyền nhiệt bằng đối lưu tự nhiên với môi trường.

Do đó phương trình CBNL của lớp cách nhiệt được viết như sau:

1 t ab cd ab ins t ins cd t ins c a ins ins ins p ins ins ab ins

1 t ab ( ) t ins ( ) ins ins ins ins ins p ins ab ins ins ab ins ins ins c a ins a ins

+ Năng lượng tích trữ trong lớp cách nhiệt: ins ins p ins c , dT ins (W)

  dt Với dT ins /dt là biến thiên của nhiệt độ lớp cách nhiệt (Tins) trong khoảng thời gian dt (K/s).

+ δins, ρins, cp,ins là bề dày (m), khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của lớp cách nhiệt.

- Mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu B: Ở mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu B, lớp cách nhiệt truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt với tấm hấp thụ, đồng thời truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu với môi trường Do đó phương trình CBNL của lớp cách nhiệt được viết như sau:

, , , ab ins cd ab ins c a ins ins ins p ins ins

, ins ab ins ( ) , ins ins p ins ab ins c a ins a ins ins ins dT F c T T k T T dt F

3.3.1.8 Các giá trị đánh giá cho mô-đun PV/T

- Công suất nhiệt hữu ích mà nước nhận được của 1 mô-đun PV/T:

Với: Mô-đun PV/T mẫu MD1, MD2, MD3 hoặc MD4: G = Gpw(kg/s); Mô-đun PV/T mẫu MD5 hoặc MD6: G = 2.Gpw(kg/s)

- Hiệu suất nhiệt của mô-đun PV/T [8]:

- Hiệu suất điện của mô-đun PV/T [8]:

- Hiệu suất tổng của mô-đun PV/T [8], [10]:

- Công suất điện trước khi được chuyển đổi qua inverter của mô-đun PV/T [54]:

- Công suất điện sau khi được chuyển đổi qua inverter của mô-đun PV/T [55]:

3.3.2 Phương pháp giải CT MPS cho mô-đun PV/T

Chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTAHW

3.4.1 Phân tích nhiệt cho hệ thống PVTAHW

Hệ thống PVTAHW như mô tả trên hình 2.5 và hình 2.6 có các thành phần cần phân tích nhiệt là mô-đun PV/T và nước nóng trong bình chứa Do đó ngoài các phương trình CBNL ở các thành phần của mô-đun PV/T như đã trình bày ở trên, cần viết thêm phương trình CBNL cho nước nóng tại bình chứa.

Ngoài các giả thiết cho mô-đun PV/T như trình bày trên mục 3.3.1.1, phân tích nhiệt hệ thống PVTAHW cần có thêm một số giả thiết sau:

- Nhiệt độ nước nóng trong bình chứa là đồng nhất và có nhiệt độ Thw.

- Nhiệt độ vách cuộn ống là đồng nhất và có nhiệt độ Tw(coil).

- Sự truyền nhiệt giữa nước tinh khiết bên trong cuộn ống và nước nóng là truyền nhiệt qua vách phẳng;

- Bỏ qua tổn thất nhiệt trên đường ống nối mô-đun PV/T và bình chứa nước nóng Lúc này, nhiệt độ trung bình của nước tinh khiết trong cuộn ống cũng chính là nhiệt độ trung bình của nước tinh khiết trong mô-đun PV/T (Tpw).

Trong các mô phỏng không so sánh với thực nghiệm:

+ Khi hệ thống sử dụng mô-đun PV/T loại I: giả định Tg = Ta+ 1, Tpvl = Tg + 5, Tab Tpvl– 1, Tt = Tab– 1, Thw = 30 o C, Tpw.i= Thw= Tpw, Tins= Ta+ 1;

+ Khi hệ thống sử dụng mô-đun PV/T loại II: giả định Tg = Ta+ 1, Tpvl= Tg + 2, Tab Tpvl– 1, Tt = Tab– 1, Thw = 30 o C, Tpw.i= Thw= Tpw, Tins= Ta+ 1;

Trong các mô phỏng có so sánh với thực nghiệm, các thông số Tg, Tpvl, Tab, Tt, Thw,

Tpw, Tins, Thwđược xác định dựa vào số liệu đo đạc thực nghiệm.

3.4.1.2 Phương trình CBNL cho nước nóng trong bình chứa

Hình 3.13 Thông số hình học và sơ đồ truyền nhiệt tại bình chứa nước nóng của hệ thống PVTAHW

Trong sơ đồ truyền năng lượng như hình 3.13, nước nóng trong bình chứa sẽ truyền nhiệt với nước tinh khiết bên trong cuộn ống, đồng thời truyền nhiệt cho môi trường không khí xung quanh qua vách (thành bình, nắp, đáy) của bình chứa Do đó phương trình CBNL cho nước nóng trong bình chứa được viết như sau: hw hw h w p ,h w dT hw tr hw1, a ( hw a ) 2 n hw2, a ( hw a )

- Năng lượng tích trữ trong nước nóng: V hw h w c p ,hw dT hw (W)

 dt Với dT hw /dt là biến thiên của nhiệt độ nước nóng (Thw) trong khoảng thời gian dt (K/s).

- Qhw là công suất nhiệt hữu ích mà nước trong bình chứa nhận được sau khoảng thời gian dt (W); Vhw là thể tích nước trong bình, cũng được gọi là thể tích bình (m 3 ); ρhw, cp,hwlà khối lượng riêng (kg/m 3 ) và nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) của nước nóng.

- Qtrlà công suất nhiệt của nước tinh khiết trong cuộn ống truyền đến nước nóng trong

Công thức 1: Q tr  Q tr 1  N PV T / (W) Q u (3.80) Công thức 2: Q tr  Q tr 2  F coil q p w ,w (W ) (3.81)

Trong đó NPV/T là số mô-đun PV/T Mật độ dòng nhiệt truyền từ nước tinh khiết trong cuộn ống tới nước nóng trong bình chứa có thể được tính như sau:

+ Cho nhiệt độ vách ống: w hw w( ) [ ]

+ kc-pw,w là hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu của nước tinh khiết với vách của cuộn ống, hệ số này được tính tương tự pt (2.28) (tính toán cho nước tinh khiết và ống TĐN trên module PV/T, kc-pw,t) với vận tốc nước trong cuộn ống như sau:

 Với mô-đun PV/T MD1, MD2, MD3, MD4: w w2 2 pw c ,i

 Với mô-đun PV/T MD5, MD6: w w2 2 pw c ,i

   (3.85) Ở đây Dcoil,i = Dt,i là đường kính trong của cuộn ống (m); Tiêu chuẩn Reynolds, Nusselt, Prandtl được tính theo các công thức từ pt (2.30) đến pt (2.33) với các thông số nhiệt vật lý của nước (λ, cp, μ, ρ) được tính theo bảng PL1.2 [43] ở nhiệt độ nước

- Diện tích TĐN giữa nước tinh khiết bên trong cuộn ống và nước nóng trong bình:

Với Lclà chiều dài của cuộn ống (m).

- Hệ số truyền nhiệt từ nước nóng qua thành bình ra môi trường xung quanh [10] hw1,a

2 . ins o ins ins ins i ins o hw k K

- Hệ số truyền nhiệt từ nước nóng qua nắp bình hoặc đáy bình ra môi trường xung quanh [10]: hw2,a 2

Với: D ins , o  D ins , i  2 ins , hw ; H hw  V hw / F n ; F n  D hw 2 / 4 (3.89)

Dins,i, Dins,olà đường kính trong, ngoài của lớp bọc cách nhiệt bình chứa nước nóng (m);

Dhw là đường kính nước trong bình (m) (cho Dhw = Dins,i); Hins = Hhw là chiều cao lớp bọc cách nhiệt cũng là chiều cao của nước trong bình (m); Fn là diện tích đáy bình hoặc nắp bình (m 2 ); δins,hwlà chiều dày lớp cách nhiệt tại bình chứa (m);

3.4.2 Phương pháp giải CT MPS cho hệ thống PVTAHW

Phương trình vi phân truyền nhiệt không ổn định (3.79) sẽ được rời rạc theo thời gian với phương pháp sai phân hữu hạn loại ẩn, trở thành:

1 1 1 w 1 w 1 1 1 1 1 hw w ,hw n n hw1, ( hw ) 2 hw2, ( hw ) n n n h h n n n n n hw h p T T tr a a n a a

Với Q tr n  1 được tính bằng 1 trong 2 công thức (3.80) và (3.81), như sau:

Công thức 1: Q tr n  1  Q tr n 1  1  N PV T / 2 G c n p  ,p w 1  T p n w  1  T p i n w,  1  (W) (3.91) Công thức 2: Q tr n  1  Q tr n  2 1  F k coil c n   p w,w 1  T pw n  1  T w( n  coil 1 )  (W) (3.92)

Giả sử Q tr n  1 được tính theo công thức 1, phương trình (3.90) tương đương với:

1 1 1 2 1 1 3 1 1 hw w ,hw hw w ,hw hw w ,hw

Lúc này, có thể đưa pt (3.94) vào 1 trong 12 HPT của mô-đun PV/T để tạo thành 12 HPT mới với mỗi HPT gồm 7 phương trình, trong đó 6 phương trình của 6 thành phần trong mô-đun PV/T và 1 phương trình của nước nóng trong bình chứa Tương tự như cách giải cho mô-đun PV và mô-đun PV/T như trình bày ở trên, 12 HPT mới này sẽ được viết lại dưới dạng ma trận và sử dụng phương pháp ma trận nghịch đảo để giải nhằm tìm ra nhiệt độ của 7 thành phần (kính Tg, lớp PV Tpvl, tấm hấp thụ Tab, ống Tt, nước Tpw, lớp cách nhiệt Tins và nước nóng trong bình chứa Thw) tại thời điểm n+1 tương ứng với mỗi mẫu mô-đun PV/T (MD1, MD2, MD3, MD4, MD5 hoặc MD6) và sử dụng 1 trong 2 kiểu bộ TĐN (Kiểu A hoặc kiểu B).

3.4.3 Thiết lập CT MPS cho hệ thống PVTAHW Để mô phỏng số cho toàn bộ hệ thống, tất cả các giá trị đầu vào, các công thức, phương trình, hệ phương trình liên quan được lập trình trên ngôn ngữ lập trình MATLAB Tất cả được viết và tính toán theo CODE MATLAB ở Phụ lục 5.3 và được giải thích theo sơ đồ hình 3.14, cụ thể như sau:

Bước 1, Bước 2 và Bước 3 tương tự như mục 3.2.3;

Bước 4: Cho trước lưu lượng nước Gpw;

Bước 5: Giả định nhiệt độ của kính (Tg), lớp PV (Tpvl), tấm hấp thụ (Tab), ống (Tt),nước (Tpw), lớp cách nhiệt (Tins), nước nóng trong bình chứa (Thw) tại thời điểm ban đầu n;

Bước 6: Giả định nhiệt độ nước vào mô-đun PV/T ban đầu bằng với nhiệt độ nước nóng trong bình chứa Tpw,i= Thw;

Bước 7: Bắt đầu tính lặp để giải HPT ở các thành phần của mô-đun PV/T gồm kính, lớp PV, tấm hấp thụ, ống, nước, lớp cách nhiệt, nước nóng trong bình chứa thông qua việc giải ma trận theo phương pháp ma trận nghịch đảo Kết quả tính toán sẽ được lưu vào vector (V) và so sánh giữa các lần tính toán bằng cách sử dụng số lần lặp (k): + Nếu V k V k  1 10  6 kết quả hội tụ;

+ Nếu V k V k  1 10  6 kết quả không hội tụ, tiếp tục tính toán ở k+1;

Bước 8: Khi thỏa điều kiện hội tụ, chương trình mô phỏng sẽ xuất ra kết quả các giá trị

Tg, Tpvl, Tab, Tt, Tpw, Tins, Thw tại thời điểm n+1;

Bước 9: Tính toán Qtrans1và Qtrans2để so sánh:

 kết quả hội tụ, tìm được giá trị Tpw,i;

 kết quả không hội tụ, tiến hành giảm T p i w, T p i w, 0,01 và quay trở lại bước 6 để tính lại cho giá trị Tpw,imới;

Bước 10: Nếu bước 9 hội tụ, lấy các giá trị tìm được để tính toán cho:

Bước 11: Lấy các giá trị vừa tìm được ở bước 8 quay trở lại bước 5 để tìm các giá trị ở những thời điểm tiếp theo (t +Δt), cứ như vậy cho đến thời điểm cuối;

Bước 12: Xuất toàn bộ kết quả theo thời gian; Bước 13: Ngừng chương trình.

Hình 3.14 Sơ đồ lập trình cho CT MPS hệ thống PVTAHW

Chương trình mô phỏng số cho cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT

3.5.1 Phân tích nhiệt cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT

Hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng máy nén biến tần) và hệ thống PVTWHP-NIVT (sử dụng máy nén không biến tần) có cùng sơ đồ nhiệt như mô tả trên hình 2.7 và hình 2.8 với các thành phần cần phân tích nhiệt là mô-đun PV/T, thiết bị bay hơi (TBBH) và nước nóng trong bình chứa Do đó, ngoài các phương trình CBNL ở các thành phần của mô-đun PV/T như đã trình bày ở trên, cần viết thêm phương trình CBNL cho TBBH và nước nóng tại bình chứa ở cả 2 hệ thống.

Ngoài các giả thiết cho mô-đun PV/T như trình bày trên mục 3.3.1.1, phân tích nhiệt hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT có thêm một vài giả thiết sau:

- Toàn bộ nhiệt lượng mà nước nhận được của các mô-đun PV/T được môi chất lạnh hấp thụ hoàn toàn trong TBBH;

- Nhiệt độ nước nóng trong bình chứa là đồng nhất và có nhiệt độ Thw;

- Nhiệt độ vách cuộn ống (coil dàn ngưng) là đồng nhất và có nhiệt độ Tw(coil);

- Sự truyền nhiệt giữa môi chất lạnh ngưng tụ bên trong cuộn ống và nước nóng là truyền nhiệt qua vách phẳng;

- Bỏ qua tổn thất nhiệt trên đường ống nối mô-đun PV/T và TBBH Lúc này, nhiệt độ trung bình của nước tinh khiết trong TBBH cũng chính là nhiệt độ trung bình của nước tinh khiết trong mô-đun PV/T (Tpw).

Trường hợp hệ thống PVTWHP-IVT:

+ Khi hệ thống sử dụng mô-đun PV/T loại I: giả định Tg = Ta+ 1, Tpvl = Tg + 5, Tab Tpvl– 1, Tt = Tab– 1, Thw = 30 o C, Tpw= Tpw,i, Tins= Ta+ 1;

+ Khi hệ thống sử dụng mô-đun PV/T loại II: giả định Tg = Ta+ 1, Tpvl= Tg + 2, Tab Tpvl– 1, Tt = Tab– 1, Thw = 30 o C, Tpw= Tpw,i, Tins= Ta+ 1;

Trường hợp hệ thống PVTWHP-NIVT:Các thông số Tg, Tpvl, Tab, Tt, Thw, Tpw, Tins, Thw được xác định dựa vào số liệu đo đạc thực nghiệm.

3.5.1.2Phương trình CBNL tại TBBH

Phương trình CBNL tại TBBH cho cả 2 hệ thống được viết như sau: ap / (W) ev PV T u

Với Qevar là công suất nhiệt môi chất lạnh nhận được của nước trong TBBH, được tính bằng 1 trong 2 công thức sau:

Công thức 1: Q ev ap Q ev ap1 m rfg  h h 1  4 (W) (3.96) Công thức 2: Q evap Q ev ap2 F eff HX ( ).k rfg p , w. T p w T o  (W) (3.97) Trong đó Feff(HX)và krfg,pwđã được trình bày tại mục 2.4 tại các pt (2.46) và (2.47).

3.5.1.3 Phương trình CBNL cho nước nóng trong bình chứa

Hình 3.15 Thông số hình học và sơ đồ truyền nhiệt tại bình chứa nước nóng của hệ thống PVTWHPTrong sơ đồ truyền năng lượng như hình 3.15, nước nóng trong bình chứa sẽ truyền nhiệt với môi chất lạnh ngưng tụ bên trong cuộn ống, đồng thời truyền nhiệt cho môi trường không khí xung quanh qua vách (thành bình, nắp, đáy) của bình chứa Do đó phương trình CBNL cho nước nóng trong bình chứa ở cả 2 hệ thống được viết tương tự như pt (3.79) nhưng thành phần Qtr lúc này là công suất nhiệt ngưng tụ truyền từ môi chất ngưng tụ trong cuộn ống đến nước nóng, được tính bằng 1 trong 2 công thức sau:

Công thức 1: Q tr Q tr 1 m (h rfg 2 h 3 ) (W) (3.98) Công thức 2: Q tr Q tr 2  F coil q rfg h , w (W) (3.99)

Trong đó mật độ dòng nhiệt truyền từ môi chất ngưng tụ tới nước nóng trong bình chứa có thể được tính như sau:

- Tkvà Tw(coil) lần lượt là nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách ống [K]

- Nhiệt độ vách ống coil dàn ngưng được tính như sau:

- Hệ số truyền nhiệt từ môi chất ngưng tụ đến nước nóng trong bình chứa:

1 1 rfg h coil c rfg cond coil c h k K k k

Do vách ống của coil dàn ngưng rất mỏng và có hệ số dẫn nhiệt cao nên xem xét bỏ qua thành phần δcoil/λcoil.

+ Hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu khi môi chất ngưng tụ bên trong ống (xem xét quá trình ngưng tụ là ngưng màng) [57]:

( ) rfg(vap) rfg( ) ,rfg( ) w( ) 2 rfg( ) w( )

8 liq liq c rfg cond liq p liq k coil liq k coil k g h h c T T

Lưu ý: Các thông số nhiệt vật lý của màng ngưng  rfg liq ( ) , rfg liq ( ) , rfg liq ( ) ,c p rfg liq , ( ) ,h rfg liq ( ) được tra bảng PL1.3 [42] theo nhiệt độ Tfilm(cond) Các thông số nhiệt vật lý

 được tra bảng PL1.3 [42] theo nhiệt độ Tk. Ở đây cho nhiệt độ màng ngưng:

+ Hệ số truyền nhiệt bằng tỏa nhiệt đối lưu giữa vách ống và nước nóng [58]:

(3.105) Ở đây Dcoil,o= Dt,olà đường kính ngoài của ống coil dàn ngưng (m) Các thông số nhiệt vật lý của nước (λ, β, cp, μ, ρ) được tính theo bảng PL1.2 [43] với nhiệt độ:

3.5.2 Phương pháp giải CT MPS cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống

Phương trình (3.95) tại thời điểm n+1 trở thành:

Việc giải phương trình (3.107) tùy thuộc vào từng trường hợp, cụ thể:

+ Trường hợp 1: Hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng máy nén biến tần)

Trong hệ thống PVTWHP-IVT, lưu lượng môi chất lạnh sẽ thay đổi theo thời gian để đáp ứng phụ tải lạnh (Qevap) trong điều kiện cho trước nhiệt độ nước vào mô-đun PV/T

Tpw,i Giả định quá trình TĐN của nước tinh khiết và môi chất lạnh tại TBBH theo sơ đồ như hình 3.16.

Hình 3.16 Sơ đồ TĐN của nước tinh khiết và môi chất lạnh bên trong TBBH

Trên sơ đồ hình 3.16, nếu cho trước độ chênh nhiệt độ (Δtrfg-pw,i) giữa môi chất lạnh bay hơi (To) và nước vào mô-đun PV/T (Tpw,i) thì khi khảo sát sự thay đổi Tpw,i cũng đồng nghĩa với sự thay đổi của giá trị To Điều đó cũng có nghĩa là, với mỗi giá trị Tpw,i là một giá trị Totương ứng Do đó, trong trường hợp hệ thống bơm nhiệt sử dụng máy nén biến tần, nếu cho trước Δtrfg-pw,ivà Tpw,i, phương trình CBNL tại TBBH (3.107) sẽ có Q u n  1 được tính theo phương trình (3.47) và Q evap n  1 được tính theo pt (3.96) Phương trình (3.107) được viết lại như sau:

+ Trường hợp 2: Hệ thống PVTWHP-NIVT (sử dụng máy nén không biến tần)

Trong hệ thống PVTWHP-NIVT, lưu lượng môi chất có thay đổi theo thời gian nhưng không nhiều, sự thay đổi này đến từ hiệu suất nén thể tích (có liên quan đến áp suất bay hơi po và áp suất pk) và khối lượng riêng của hơi hút về máy nén, cụ thể được thể hiện qua công thức (2.62) Công thức (2.62) tại thời điểm n+1 được viết như sau:

Trong hệ thống PVTWHP-NIVT, khi biết trước diện tích trao đổi nhiệt của TBBH và thông số kỹ thuật của máy nén, ở mỗi mốc thời gian đều có sự tác động qua lại của các yếu tố sau: (i) Nhiệt lượng nước trao đổi với môi chất lạnh Qu; (ii) Lưu lượng môi chất lạnh mrfg; (iii) Nhiệt độ nước vào mô-đun PV/T Tpw,i; (iv) Nhiệt độ môi chất lạnh bay hơi To; (v) Nhiệt độ ngưng tụ Tk (phụ thuộc vào nhiệt độ nước nóng Thw) Do đó,phương trình CBNL tại TBBH (3.93) sẽ có Q u n  1 được tính theo phương trình (3.47) và

PV T p p p i rfg n n n eff HX rfg pw pw o

3.5.2.2 Tại nước nóng trong bình chứa

Như đã phân tích nhiệt cho nước nóng trong bình chứa tại mục 3.5.1.3, để giảm nhẹ khối lượng cho CT MPS, phương trình vi phân truyền nhiệt không ổn định cho nước nóng trong bình chứa sẽ được giải độc lập nhằm tìm ra nhiệt độ nước nóng Thw ở thời điểm n+1 Phương trình CBNL tại nước nóng trở thành:

1 1 1 w 1 1 1 1 1 w hw w ,hw hw1, ( hw ) 2 hw2, ( hw ) n n n h n n n n n h h p dT tr a a n a a

Với Q tr n  1 được tính theo 1 trong 2 phương trình (3.98) hoặc (3.99) như sau:

Công thức 1: Q tr n  1 Q tr n 1  1 m (h n rfg  1 2 n  1 h 3 n  1 ) (W) (3.112) Công thức 2: Q tr n  1 Q tr n  2 1  F k coil rfg h n  1 , w. T k n  1 T h n w  1  (W) (3.113) Giả sử Q tr n  1 được tính theo công thức 1, phương trình (3.111) tương đương với:

1 1 w 1 1 1 1 1 1 1 hw h n w n p ,hw dT h m (h n rfg 2 n 3 n ) hw1, n a ( hw n a ) 2 n hw2, n a ( hw n a )

Phương trình (3.114) trở thành: hw 1

Giải phương trình theo [59] ta có nhiệt độ nước nóng tại thời điểm n+1:

Với T w n là nhiệt độ nước trong bình chứa tại thời điểm ban đầu và 0,1,2 Sumtime 1 n t

Với những điểm đặc thù riêng nên luận án xây dựng CT MPS 4 cho hệ thống PVTWHP-IVT vàCT MPS5 cho hệ thống PVTWHP-NIVT để tính toán Điểm chung của 2 CT MPS là: (i) Tùy thuộc vào việc hệ thống sử dụng mẫu mô-đun PV/T và kiểu bộ TĐN mà CT MPS sẽ ứng dụng 1 trong 12 HPT như trình bày tại mục 3.3.2; (ii) Cùng sử dụng pt (3.116) để tìm nhiệt độ của nước nóng trong bình chứa Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa 2 CT MPS nằm ở chỗ, đối với hệ thống PVTWHP-IVT,CT MPS

4sẽ sử dụng pt (3.108) để phân tích nhiệt tại TBBH trong khi CT MPS 5 sử dụng pt (3.110) cho trường hợp hệ thống PVTWHP-NIVT Do đó, cách thức tính toán và các vòng lặp cho các phương trình được xây dựng để phù hợp cho 2 CT MPS.

3.5.3 Thiết lập CT MPS cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT Để mô phỏng số toàn bộ cho 2 hệ thống, tất cả các giá trị đầu vào, các công thức, phương trình, hệ phương trình liên quan được lập trình trên ngôn ngữ lập trình MATLAB Đối với CT MPS 4 cho hệ thống PVTWHP-IVT, tất cả được viết và tính toán theo CODE MATLAB ở Phụ lục 5.4 và được giải thích theo sơ đồ hình 3.17. Trong khi với CT MPS 5 cho hệ thống PVTWHP-NIVT, tất cả được viết và tính toán theo CODE MATLAB ở Phụ lục 5.5 và được giải thích theo sơ đồ hình 3.18.

- Chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTWHP-IVT được xây dựng theo sơ đồ hình 3.17 với các bước sau:

Bước 1, Bước 2 và Bước 3 tương tự như mục 3.2.3;

Bước 4: Cho trước các giá trị Gpw, Tpw,ivà Δtrfg-pw,i;

Bước 5: Giả định nhiệt độ của kính (Tg), lớp PV (Tpvl), tấm hấp thụ (Tab), ống (Tt),nước (Tpw), lớp cách nhiệt (Tins), nước nóng trong bình chứa (Thw) tại thời điểm ban đầu n;

Bước 6: Giả định nhiệt độ ngưng tụ của môi chất Tk bằng với nhiệt độ nước nóng trong bình chứa Tk = Thw;

Các giá trị đánh giá cho hệ thống

- Công suất điện lên lưới:

+ Đối với hệ thống PVTAHW:

+ Đối với hệ thống PVTWHP-IVT hoặc hệ thống PVTWHP-NIVT:

Theo [5], hiệu suất exergy của mô-đun PV/T được định nghĩa là tỉ số giữa exergy được chuyển hóa của mô-đun PV/T (ở đây bao gồm exergy điện và exergy nhiệt) với exergy do mặt trời tạo ra.

Trong đó exergy do mặt trời tạo ra được xác định theo công thức sau [60]:

Với nhiệt độ mặt trời Tsun= 5770 [K]

Khi ứng dụng cho các hệ thống sử dụng mô-đun PV/T, hiệu suất exergy của hệ thống được xác định là tỉ số giữa exergy được tạo ra từ hệ thống (ở đây bao gồm exergy điện và exergy nhiệt) với exergy do mặt trời tạo ra Đối với hệ thống PVTAHW, hệ thống PVTWHP-IVT hoặc hệ thống PVTWHP-NIVT, hiệu suất exergy được tính toán theo công thức sau [55]: elec th ex sun

+ Exergy nhiệt được tính như sau: hw hw

- Sản lượng nhiệt (Nhiệt năng) của hệ thống trong thời gian khảo sát:

- Sản lượng điện (Điện năng) của hệ thống trong thời gian khảo sát:

Trong đó: X là đại lượng cần tính, ở đây gồm: elec0, elec1, pump, grid, nis, comp; Sumtime là tổng thời gian khảo sát (giây); n là số ngày.

- COP của bơm nhiệt trong hệ thống PVTWHP-IVT (gọi tắt là bơm nhiệt PVTWHP- IVT) trong thời gian khảo sát: th nis

- COP của toàn hệ thống PVTWHP-IVT trong thời gian khảo sát được đánh giá dựa vào công thức sau [56]: th 0

PVT HP IVT pump pump

Trong đó hệ số 0,38 được sử dụng để chuyển đổi từ nhiệt năng thành điện năng Hệ số này có ý nghĩa là hiệu suất phát điện trung bình của một nhà máy nhiệt điện than điển hình (khoảng 38%).

Kết luận

Chương 3 đã thực hiện việc xây dựng 5 chương trình mô phỏng số cho: (1) Mô-đun PV; (2) Mô-đun PV/T; (3) Hệ thống PVTAHW; (4) Hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng máy nén biến tần) và (5) Hệ thống PVTWHP-NIVT (sử dụng máy nén không biến tần).

5 CT MPS được xây dựng chi tiết, hoàn chỉnh, đồng bộ trên nền tảng phân tích nhiệt tại các thành phần cấu thành lên hệ thống và được lập trình trên ngôn ngữ lập trình MATLAB Các giá trị đặc trưng mà 5 CT MPS đem lại là:

- Chủ động theo dõi và điều chỉnh khi có sự thay đổi các giá trị thông số cấu thành lên mô-đun PV, mô-đun PV/T cũng như các hệ thống, điều kiện hội tụ, công thức liên quan…Điều này cho phép các chương trình mở rộng phạm vi ứng dụng cho các mô- đun PV, mô-đun PV/T và các hệ thống PVTAHW, hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT tương đồng.

- Cho phép thay đổi các thông số vận hành và dữ liệu thời tiết một cách dễ dàng (nạp dữ liệu thời tiết bằng file Excel), giúp đánh giá sự tác động của thời tiết cũng như các thông số vận hành lên hệ thống, từ đó đưa ra phương án để tối ưu hệ thống Bên cạnh đó, các chương trình đều xuất được kết quả mong muốn bằng file Excel, do đó có thể dễ dàng sử dụng các kết quả này cho việc vẽ biểu đồ, so sánh, đánh giá

Hình 3.17 Sơ đồ lập trình cho CT MPS 4 cho hệ thống PVTWHP-IVT

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KIỂMCHỨNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ

Giới thiệu

Trong chương 4, luận án sẽ xây dựng các mô hình thực nghiệm và thực hiện kiểm chứng độ tin cậy của các CT MPS với kết quả thực nghiệm trên các mô hình thực nghiệm thực tế và kết quả mô phỏng và thực nghiệm của các tác giả trước Mục đích để xác định độ tin cậy của các CT MPS, làm cơ sở để nhân rộng kết quả mô phỏng và tối ưu cho các hệ thống Trong chương 4 nghiên cứu sẽ tiến hành:

- So sánh kết quả mô phỏng cho mô-đun PV với kết quả thực nghiệm trên mô-đun PV công suất 160Wp (mô-đun PV 160Wp).

- So sánh kết quả mô phỏng cho mô-đun PV/T mẫu MD2 sử dụng bộ TĐN kiểu A với các nghiên cứu trước.

- So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm trên 2 mô hình hệ thống thực nghiệm xây dựng tại thành phố Hồ Chí Minh, cụ thể:

+Mô hình 1:Hệ thống PVTAHW sử dụng MD6 với bộ TĐN kiểu B.

+Mô hình 2:Hệ thống PVTWHP-NIVT sử dụng MD6 với bộ TĐN kiểu B.

Trong đó, mô-đun PV/T mẫu MD6 sử dụng bộ TĐN kiểu B được lựa chọn chế tạo thực nghiệm cho cả 2 hệ thống với các lý do:

+ Mô-đun PV/T MD6 chưa từng được sử dụng trong các nghiên cứu trước đây;

+ Mô-đun PV/T MD6 bản chất là sự kết hợp của mô-đun PV thương mại có sẵn với bộ TĐN được kết dính ở mặt dưới để nhận nhiệt Do đó, việc chế tạo sẽ đơn giản hơn và có độ tin cậy cao hơn so với những mô-đun PV/T có lớp không khí giữa kính và lớp PV.

+ Bộ TĐN kiểu B có nhiều ưu điểm hơn bộ TĐN kiểu A nên được ưu tiên chế tạo. Đánh giá sai số kết quả thực nghiệm:

- Trong các đánh giá sai số của kết quả thực nghiệm, thông thường các thực nghiệm được thực hiện ở điều kiện ổn định và thực hiện lặp đi lặp lại nhiều lần Do đó các kết quả đầu ra của các lần thực nghiệm sẽ có sai số nhất định, việc thực hiện nhiều lần sẽ giúp tìm được giá trị thực thông qua các phương pháp đánh giá sai số.

- Tuy nhiên, trong các nghiên cứu thực nghiệm về mặt trời, các giá trị đầu vào thay đổi liên tục theo thời gian, ở đây là cường độ bức xạ mặt trời, vận tốc gió, nhiệt độ môi trường Do đó, các kết quả thực nghiệm đầu ra cũng bị thay đổi theo Vì vậy việc đánh giá sai số cho kết quả thực nghiệm là rất khó khăn, nếu có thể cần phải thực hiện cùng lúc nhiều hệ thống giống nhau và thực hiện đánh giá kết quả mà các hệ thống tạo ra.

- Khi nghiên cứu thực nghiệm về mặt trời thực tế, các nhà nghiên cứu thường dựa vào độ chính xác của thiết bị đo để tin cậy vào kết quả đo được, đơn cử như luận án tiến sĩ của Zhang [5] Trong nghiên cứu này luận án cũng thực hiện tương tự Các thiết bị đo sử dụng cho các thực nghiệm trên mô-đun PV và 2 mô hình cũng như độ chính xác của các thiết bị đo được liệt kê trong bảng PL4.1 Các thiết bị đo có độ chính xác cao, có xuất xứ rõ ràng, một số thiết bị được nhập khẩu từ nước ngoài theo tiêu chuẩn kiểm định Châu Âu rất đáng tin cậy Bên cạnh đó, các thực nghiệm được thực hiện trong một khoảng thời gian dài theo buổi hoặc cả ngày với nhiều kết quả đo theo thời gian (5 phút/kết quả) Sau đó, thông qua việc đánh giá sai số giữa chuỗi kết quả mô phỏng số và chuỗi kết quả đo đạc bằng thực nghiệm, luận án đưa ra đánh giá về độ tin cậy của

CT MPS cũng như kết quả thực nghiệm Đây cũng là cách thức mà các nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện trong điều kiện mặt trời thực tế. Để kiểm chứng kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN), nghiên cứu sử dụng phương trình đánh giá sai số trung bình của Sobhnamayan và cộng sự [61] (A mean root square percentage deviation (RMS)).

Trong đó YMP,klà giá trị MP ở lần lấy mẫu thứ k; YTN,klà giá trị TN ở lần lấy mẫu thứ k Với m là tổng số lần lấy mẫu để so sánh.

Đánh giá chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV

Để đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng cho mô-đun PV, nghiên cứu tiến hành kiểm chứng với kết quả đo đạc bằng thực nghiệm cho nhiệt độ lớp PV (tpvl) trên mô- đun PV công suất 160Wp (mô-đun PV 160Wp) với thông số trình bày trên bảng PL3.1.

4.2.1 Mô tả thực nghiệm mô-đun PV

Hình 4.1 Trạm thời tiết và 2 mô-đun PV 160Wp

Hình 4.2 Tấm pin mặt trời 160Wp (a), 6 đầu dò nhiệt độ gắn sau mô-đun PV (b) và máy đo nhiệt độ ghi tự động PCE1200 (c)

- Bố trí thí nghiệm: Toàn cảnh thực nghiệm được thể hiện trên hình 4.1, trong đó 2 tấm mô-đun PV được đặt sát nhau, nghiêng góc 10,5 o (bằng với vĩ độ tại TP.HCM).Trạm thời tiết đặt phía sau các mô-đun PV có khả năng đo đạc cường độ BXMT (Is),nhiệt độ môi trường (ta) và vận tốc gió (va) Máy đo nhiệt độ 12 kênh (hình 4.2c) được sử dụng để đo đạc nhiệt độ lớp PV (tpvl) của mô-đun PV bằng cách gắn tiếp xúc 6 đầu dò nhiệt độ loại K vào mặt dưới của mô-đun PV, như mô tả trên hình 4.2b Các đầu dò nhiệt độ được gắn tiếp xúc vào các bề mặt bằng 1 lớp băng keo bạc, sau đó phủ bên ngoài bằng lớp silicon để cố định và cách nhiệt nhằm tránh bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Thông số các thiết bị đo sử dụng trong thực nghiệm được trình bày trong bảng PL4.1.

- Phương pháp đo và lấy số liệu thực nghệm: Các giá trị đo của Is, ta, vađược đo đạc trực tiếp và ghi tự động theo thời gian thực bằng các phần mềm chuyên dụng được cài đặt sẵn trên máy tính, kết quả xuất ra dưới dạng file excel Các giá trị đo của tpvl được đo đạc trực tiếp và được máy đo nhiệt độ ghi vào thẻ nhớ, kết quả xuất ra dưới dạng file excel Thời gian lưu kết quả đo là 5 phút/kết quả, các kết quả này được lấy trực tiếp mà không qua phương pháp xử lý nào Thời gian thực nghiệm từ 8 giờ sáng đến 4 giờ chiều trong một số ngày tiêu biểu trong năm tại TP HCM.

Hình 4.3 Thông số đo đạc của một số ngày tiêu biểu trong nămKết quả đo đạc của nhiệt độ lớp PV tại 6 điểm gần như bằng nhau tại mọi thời điểm,

Toàn bộ kết quả đo đạc của Is, ta, va, tpvl được trình bày trên bảng PL4.2 và được biểu diễn trong biểu đồ hình 4.3 và hình 4.4 Kết quả cho thấy, trong các ngày thực nghiệm, nhìn chung cường độ BXMT tại TP HCM khá cao nhưng dao động nhiều do ảnh hưởng của mây mù Nhiệt độ môi trường khá cao và ổn định trong ngày Vận tốc gió thấp và thay đổi liên tục, trung bình ngày từ 1,85 m/s đến 2,14 m/s Nhiệt độ lớp PV thay đổi khá tương đồng với sự thay đổi của cường độ BXMT và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và vận tốc gió, tpvl có giá trị cao nhất khoảng 70 o C và cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5 o C đến 30 o C.

4.2.2 Đánh giá độ tin cậy của chương trình mô phỏng số

Nghiên cứu sử dụng CT MPS 1 cho mô-đun PV như trình bày ở mục 3.2 với dữ liệu thời tiết (Is, ta, va) được nạp vào CT MPS là số liệu đo đạc bằng thực nghiệm như cho trên bảng PL4.2 để tính toán cho mô-đun PV 160Wp Kết quả so sánh giữa MP và TN của tpvlđược thể hiện trên các biểu đồ của hình 4.4.

Hình 4.4 Kết quả MP và TN của nhiệt độ lớp PV trong các ngày tiêu biểu

Qua các biểu đồ hình 4.4 khi so sánh nhiệt độ lớp PV giữa mô phỏng và thực nghiệm tại một số ngày tiêu biểu, nghiên cứu có một số nhận xét sau:

+ Sai số giữa kết quả MP và TN ở mức độ chấp nhận được, thấp nhất đạt 3,31% vào tháng 1 và cao nhất đạt 7,83% vào tháng 7 Sai số này đến từ nhiều nguyên nhân như sai lệch trong thời gian lưu kết quả đo Is, ta, va với kết quả đo đạc tpvl, sai số do công thức gây ra, sai số thiết bị đo…đặc biệt phải kể tới sự thay đổi liên tục theo thời gian của Iskhiến sai số của những thời điểm tăng, điều này làm cho sai số trung bình ngày tăng cao như tháng 3 hoặc tháng 7 Khi Is tăng dần đều hay giảm dần đều theo thời gian sẽ giúp độ chính xác được cải thiện, điển hình như tháng 1.

+ Xu hướng tăng, giảm tpvl giữa MP và TN khá tương đồng mặc dù có sự lên xuống liên tục do sự dao động của Is theo thời gian Điều này cho thấy chương trình mô phỏng có độ tin cậy cao.

=> Từ kết quả đánh giá sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy chương trình mô phỏng hoạt động đáng tin cậy, cho ra sai số chấp nhận được Do đó, CT MPS 1 cho mô-đun PV sẽ được sử dụng cho những đánh giá tiếp theo.

Đánh giá chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV/T

Để kiểm chứng độ tin cậy của CT MPS 2 cho mô-đun PV/T, nghiên cứu sẽ so sánh hiệu suất nhiệt (ηth), hiệu suất điện (ηe) của mô-đun PV/T mẫu MD2 sử dụng bộ TĐN kiểu A với kết quả TN của Bhattarai và cộng sự [22] và kết quả MP của Bellos và cộng sự [62] Các tác giả đã sử dụng các thông số của mô-đun PV/T như cho trên bảng PL3.4 để thiết lập nên các công thức tính ηth và ηe của mô-đun PV/T trong điều kiện ổn định như trình bày trên bảng PL3.5 [22] và bảng PL3.6 [62] Trong đó, Bhattarai thiết lập nên các công thức (4.2) và (4.3) dựa vào thực nghiệm và Bellos thiết lập nên các công thức (4.4) và (4.5) bằng mô phỏng.

+ Hiệu suất nhiệt, điện Bhattarai và cộng sự thiết lập bằng thực nghiệm [22]:

+ Hiệu suất nhiệt, điện Bellos và cộng sự thiết lập bằng mô phỏng [62]:

Nghiên cứu sử dụng CT MPS 2 được xây dựng trong mục 3.2 để tính toán cho mô- đun PV/T mẫu MD2 với bộ TĐN kiểu A trong cùng điều kiện đầu vào của Bhattarai và Bellos với nhiệt độ nước vào mô-đun PV/T (tpw,i) từ 30 o C đến 54 o C Kết quả tính toán được so sánh với Bhattarai và Bellos thông qua các biểu đồ hình 4.5 và hình 4.6.

Hình 4.5 So sánh hiệu suất nhiệt, điện với kết quả thực nghiệm Bhattarai và cộng sự

Hình 4.6 So sánh hiệu suất nhiệt, điện với kết quả mô phỏng của Bellos và cộng sự

Các biểu đồ hình 4.5 và hình 4.6 cho thấy chương trình mô phỏng đạt độ tin cậy cao với sai số trung bình của ηth và ηe so với Bhattarai lần lượt là 3,81% và 0,63%, trong khi so sánh với Bellos lần lượt là 2,49% và 0,41%.

=> Thông qua kết quả kiểm chứng đáng tin cậy, CT MPS cho mô-đun PV/T mẫu MD2 với bộ TĐN kiểu A và các CT MPS cho các mẫu mô-đun PV/T còn lại sẽ được ứng dụng cho những đánh giá tiếp theo.

Đánh giá chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTAHW

Để đánh giáCT MPS 3cho hệ thống PVTAHW, nghiên cứu tiến hành so sánh kết quả

MP với kết quả TN của hệ thống khi sử dụng mô-đun PV/T mẫu MD6 với bộ TĐN kiểu B Toàn bộ hệ thống đã được giới thiệu trong chương 2 ở hình 2.6.

4.4.1 Thiết kế hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm được xây dựng như mô tả trên hình 4.8, cấu thành bởi 01 mô- đun PV/T mẫu MD6 với bộ TĐN kiểu B (gọi tắt là MD6 kiểu B), 01 bình chứa nước nóng, 01 bơm nước và các thiết bị khác Trong đó: (i) MD6 kiểu B được thiết kế, chế tạo theo các bước như trình bày tại mục 6.1 (phụ lục 6); (ii) Bình chứa nước nóng,bơm và các thiết bị khác được tính toán và lựa chọn như trình bày tại mục 6.2 (phụ lục

6) Thông số các thiết bị trong hệ thống đã được trình bày chi tiết tại mục 6.1 và mục 6.2 của phụ lục 6 và được trình bày tóm tắt trên bảng 4.1.

Bảng 4.1: Thông số của các thiết bị trong hệ thống thực nghiệm PVTAHW

STT Thiết bị Thông số kỹ thuật SL

- Diện tích: 2 m2 (Kích thước phủ bì: 2008x1002x35mm); Loại cell: Monocrystalline; Công suất phát điện: 400Wp.

- Bộ TĐN gồm: Ống đồng ỉ10 mm dày 0,7 mm, gồm 2 pass ống (2CT) với mỗi pass ống dài 6,3 m; Cánh nhôm dày 0,2 mm.

- Lớp cách nhiệt dày 20 mm.

2 Bình chứa nước nóng - Kích thước vỏ: Đường kính Dins,o = 430 mm, chiều cao Hhw= 760 mm, thể tích chứa V = 110 lít;

3 Bộ bơm nước - Bơm đôi Model SL-DP16: Công suất 96W; Điện áp

12VDC; Lưu lượng: 10-12 lít/phút; Cột áp: 130 PSI; Dimmer điều chỉnh dòng điện

- Bộ chuyển đổi điện (Inverter) từ AC thành DC.

4 Bộ điều khiển sạc MPPT - Điện áp định mức: 12V/24V (tự động); Dòng điện định mức: 40A; Công suất pin mặt trời: 520W(12V) - 1040(24V)

5 Ắc quy lưu trữ - Công suất 200Ah; Điện áp 12V 03

Hình 4.7 Mô-đun PV/T mẫu MD6 và vị trí đặt cảm biến

Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm PVTAHW sử dụng MD6

4.4.2 Mô tả thực nghiệm hệ thống

- Bố trí thí nghiệm: Hệ thống thực nghiệm như mô tả trên sơ đồ hình 4.8 với vị trí đặt cảm biến nhiệt độ, lưu lượng kế và bộ đo điện DC Toàn cảnh thực nghiệm được thể hiện trên hình 4.9, trong đó có 1 tấm mô-đun PV 400Wp và 1 mô-đun PV/T MD6 kiểu

B được đặt sát nhau, nghiêng góc 10,5 o (bằng với vĩ độ tại TP.HCM) Bình chứa nước nóng, bơm nước và bình giãn nở được đặt bên dưới các mô-đun Hệ thống sử dụng máy đo PCE-SPM1 để đo đạc cường độ BXMT (Is) với cảm biến NLMT được đặt song song với các mô-đun (Hình 4.11) 2 máy đo nhiệt độ 12 kênh (hình 4.2c) được sử dụng để (i) đo nhiệt độ môi trường (ta), (ii) đo đạc nhiệt độ của kính (tg), tấm hấp thụ(tab) trên MD6 kiểu B bằng cách gắn tiếp xúc các đầu dò loại K tại các vị tríT1,T2,T3,T4 theo cách thức tương tự như đo tpvl trên mô-đun PV, (iii) đo đạc nhiệt độ để các đầu dò tiếp xúc trực tiếp với nước (Hình 4.10), và (iv) đo nhiệt độ nước trong bình chứa tại 3 vị trí để khảo sát nhiệt độ nước ở đáy, giữa và đỉnh của bình như mô tả trên hình 4.8 Bơm nước chạy bằng nguồn DC 12V và có bộ điều chỉnh (Dimmer) để điều chỉnh công suất bơm (từ đó điều chỉnh lưu lượng bơm) 2 lưu lượng kế được sử dụng để đo lưu lượng nước vào mỗi đường ống trước khi thực nghiệm Vận tốc gió được đo bằng máy đo UNI-TUT363S Thông số các thiết bị đo sử dụng trong thực nghiệm được trình bày trong bảng PL4.1.

- Phương pháp đo và lấy số liệu thực nghệm: Các giá trị đo của Is được đo đạc trực tiếp và ghi tự động theo thời gian thực bằng phần mềm chuyên dụng được cài đặt sẵn trên máy tính, kết quả xuất ra dưới dạng file excel Các giá trị đo nhiệt độ được thực hiện bằng 2 máy đo nhiệt độ 12 kênh và được ghi tự động vào thẻ nhớ, kết quả xuất ra dưới dạng file excel Thời gian lưu kết quả đo là 5 phút/kết quả, các kết quả này được lấy trực tiếp mà không qua phương pháp xử lý nào Trong đó, giá trị nhiệt độ của thành phần kính phủ (tg), tấm hấp thụ (tab), của nước tinh khiết (tpw) và nhiệt độ nước trong bình (thw) là giá trị trung bình của các vị trí đặt cảm biến tương ứng Chỉ riêng vận tốc gió được đo và ghi bằng tay với 5 phút/kết quả và cũng không thực hiện xử lý kết quả đo Thời gian thực nghiệm từ 8h30 sáng đến 4 giờ chiều trong một số ngày trong tháng 7 tại TP HCM và lấy ngày 22/07/2022 làm ngày đại diện để kiểm chứng.

Hình 4.9 Toàn cảnh thực nghiệm hệ thống PVTAHW sử dụng MD6

Hình 4.10 Hình ảnh các cảm biến gắn trên MD6

Hình 4.11 Máy đo cường độ BXMT và máy tính lưu dữ liệu

Trước khi thực nghiệm, mặt kính của MD6 được làm sạch, lưu lượng nước vào mỗi đường ống của mô-đun PV/T được đo đạc cẩn thận bằng lưu lượng kế để cài đặt giá trị cần khảo sát Lưu lượng nước vào mỗi pass ống của MD6 là 0,02 kg/s, lượng nước nóng trong bình chứa là 100 lít.

Số liệu thực nghiệm trong ngày 22/07/2022 được trình bày ở bảng PL4.3 và được biểu diễn trên các biểu đồ từ hình 4.12 đến 4.14 Biểu đồ hình 4.12 cho thấy Is đạt đỉnh từ11h đến 12h trong khoảng 900 (W/m 2 ) và đột ngột giảm mạnh từ 13h40 đến 14h20 do ảnh hưởng của mây che, sau đó tăng trở lại trước khi giảm dần đến 16h Biều đồ hình4.13 thể hiện nhiệt độ môi trường khá cao, từ 30 o C đến 37 o C trong thời gian lấy số liệu thực nghiệm, tốc độ gió thay đổi liên tục, trung bình khoảng 1,3 (m/s).

Hình 4.12 Biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời

Hình 4.13 Biểu đồ nhiệt độ môi trường và vận tốc gió

Hình 4.14 Biểu đồ so sánh giữa MP và TN của tg, tab, tpw và thw

Dữ liệu thời tiết đo đạc thực tế như trình bày tại bảng PL4.3 được nạp vàoCT MPS 3 cho hệ thống PVTAHW sử dụng MD6 kiểu B như trình bày ở mục 3.3 để tính toán sau đó so sánh với kết quả đo đạc bằng TN của hệ thống Kết quả so sánh giữa MP và TN của nhiệt độ kính (tg), tấm hấp thụ (tab), nước bên trong ống TĐN (tpw) và nước nóng trong bình chứa (thw) được thể hiện trên các biểu đồ hình 4.14 Các biểu đồ trên hình 4.14 cho thấy chương trình mô phỏng đạt độ tin cậy cao với sai số trung bình của tg, tab, tpw, thw giữa MP và TN lần lượt là 3,44%, 4,16%, 5,65% và 4,71%.

Thông qua các biểu đồ hình 4.14 và kết quả RMS, nghiên cứu có nhận xét sau:

+ Sai số giữa kết quả MP và TN ở mức độ chấp nhận được, từ 3,44% đến 5,65%. của thw Tất cả các sai số của các thành phần này cũng cần kể tới nhiều nguyên nhân như sai lệch trong thời gian lưu kết quả đo Is, vavới kết quả đo đạc nhiệt độ của các thành phần, sai số do công thức gây ra, sai số thiết bị đo…

+ Xu hướng tăng giảm nhiệt độ giữa MP và TN khá tương đồng mặc dù có sự lên xuống do sự dao động của Istheo thời gian Điều này cho thấy chương trình mô phỏng có độ tin cậy cao.

=> Từ kết quả đánh giá sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy chương trình mô phỏng hoạt động đáng tin cậy, cho ra sai số chấp nhận được Nghiên cứu sẽ sử dụng chương trình mô phỏng này cho những đánh giá tiếp theo.

Đánh giá chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT

Từ những kết quả kiểm chứng có giá trị trên mô-đun PV/T mẫu MD2 sử dụng bộ TĐN kiểu A và mẫu MD6 sử dụng bộ TĐN kiểu B, có thể khẳng định rằngCT MPS 2 cho mô-đun PV/T có độ tin cậy cao Do đó, đối với cả hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng máy nén biến tần) và hệ thống PVTWHP-NIVT (sử dụng máy nén không biến tần), luận án có sự quan tâm lớn nhất ở phần mô phỏng cho bình chứa nước nóng để dự đoán nhiệt độ nước nóng (t hw ) thay đổi theo thời gian Hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT cùng hoạt động theo sơ đồ nguyên lý như đã mô tả trên hình 2.8, điểm khác biệt đặc trưng giữa 2 hệ thống là công nghệ máy nén Do điều kiện có hạn về thời gian, công nghệ để chế tạo và thử nghiệm trên hệ thống PVTWHP-IVT nên luận án tiến hành so sánh kết quả MP với TN trên hệ thống PVTWHP-NIVT để kiểm chứng độ tin cậy của phần mô phỏng cho bình chứa nước nóng.

Trong mô hình thực nghiệm của hệ thống PVTWHP-NIVT, mô-đun PV/T mẫu MD6 với bộ TĐN dạng B (gọi tắt là MD6 kiểu B) được sử dụng Hệ thống thực nghiệm được xây dựng trên nền tảng sơ đồ hình 2.8.

4.5.1 Thiết kế hệ thống thực nghiệm

Hình 4.15 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm PVTWHP-NIVTNhằm thiết lập 1 hệ thống thực nghiệm có quy mô vừa phải nhưng vẫn đảm bảo được trên sơ đồ hình 4.15 Mô hình gồm 04 mô-đun PV/T MD6 kiểu B, 01 mô-đun PV, 01 bình chứa nước nóng, 01 bơm nước, 01 hệ bơm nhiệt sử dụng máy nén không biến tần và các thiết bị khác Trong đó: (i) Mô-đun PV/T MD6 kiểu B được thiết kế, chế tạo theo các bước như trình bày tại mục 6.1 (phụ lục 6); (ii) Hệ bơm nhiệt (máy nén, TBBH, TBNT gió, van tiết lưu…), bình chứa nước nóng, số mô-đun MD6 kiểu B phù hợp, bơm nước và các thiết bị khác được tính toán và lựa chọn như trình bày tại mục 6.3 (phụ lục 6) Thông số các thiết bị trong hệ thống đã được trình bày chi tiết tại mục 6.1 và mục 6.3 của phụ lục 6 và được trình bày tóm tắt trên bảng 4.2.

Bảng 4.2: Thông số của các thiết bị trong hệ thống thực nghiệm PVTWHP-NIVT

STT Thiết bị Thông số kỹ thuật SL

PV/T MD6 với bộ TĐN kiểu B

Như trình bày tại bảng 4.1 04

2 Mô-đun PV - Diện tích: 2 m 2 (Kích thước phủ bì: 2008x1002x35mm);

Loại cell: Monocrystalline; Công suất phát điện: 400Wp 01

3 Hệ bơm nhiệt - Máy nén: TECUMSHED CAJ4511Y-AJ2, 1HP, R134a;

- TBNT giải nhiệt gió, 1HP;

- Van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoàiDanfoss TEN 2;

- Các thiết bị phụ: bình tách lỏng, bình chứa lỏng, mắt gas, Fin lọc, van…

4 Bình chứa nước nóng - Kích thước vỏ: Đường kính Dins,o = 780 mm, chiều cao

Hhw= 1300 mm, thể tích chứa V = 500 lít;

- Coil dàn ngưng bằng đồng ỉ10, dài 40m;

5 Bộ bơm nước -Model: DP-240; Điện áp: 12V; Công suất lớn nhất: 240W;

Lưu lượng: 20 lít/phút; Cột áp: 20 MPa;

- Dimmer điều chỉnh dòng điện

- Bộ chuyển đổi điện (Inverter) từ AC thành DC.

6 Inverter và tủ điện cho hệ pin mặt trời

- Inverter: Model Growatt 3000-s; Công suất đầu vào cực đại từ pin mặt trời: 3600 Wp; Điện áp DC vào: 50V- 550V; Hiệu suất: 97,7%.

- Tủ điện Etek gồm: 01 CB AC, 01 chống sét AC, 01 chống sét lan truyền DC và 01 CB DC.

4.5.2 Mô tả thực nghiệm hệ thống

- Bố trí thí nghiệm: Hệ thống thực nghiệm như mô tả trên sơ đồ hình 4.15 với vị trí đặt cảm biến nhiệt độ, lưu lượng kế, bộ đo điện DC và Inverter Toàn cảnh hệ thống thực nghiệm được thể hiện trên các hình từ 4.16 đến 4.18, trong đó tấm mô-đun PV 400Wp và 4 mô-đun PV/T MD6 kiểu B được đặt sát nhau, nghiêng góc 10,5 o (bằng với vĩ độ tại TP.HCM) Bình chứa nước nóng, hệ bơm nhiệt, bơm nước, bình giãn nở, bình điều hòa…được đặt bên dưới các mô-đun Hệ thống sử dụng máy đo PCE-SPM1 để đo đạc cường độ BXMT (Is) với cảm biến NLMT được đặt song song với các mô- đun (tương tự hình 4.11) Bên cạnh đó hệ thống sử dụng 1 máy đo nhiệt độ 12 kênh DDC-C46 và 3 máy đo nhiệt độ 8 kênh EXP-8UI8RO như trình bày trên hình PL4.2 (phụ lục 4) để có thể đo đồng thời nhiệt độ tại nhiều vị trí khác nhau, cụ thể: (i) đo nhiệt độ môi trường (ta), (ii) đo nhiệt độ tấm hấp thụ (tab) của MD6 kiểu B bằng cách gắn tiếp xúc 12 cảm biến nhiệt độ vào tấm hấp thụ ở mỗi pass ống TĐN (hình 4.19a), (iii) đo nhiệt độ của lớp PV trên mô-đun PV bằng cách gắn tiếp xúc 8 cảm biến nhiệt độ vào mặt sau của mô-đun PV, các cảm biến trên MD6 kiểu B và mô-đun PV đều được gắn tiếp xúc vào các bề mặt bằng 1 lớp băng keo bạc, sau đó phủ bên ngoài bằng lớp silicon để cố định và cách nhiệt nhằm tránh bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài, (iv) đo nhiệt độ nước tinh khiết vào và ra mỗi đường ống tại các vị trí T5,T6,T7,T8 thông qua chạc “T” để các đầu dò tiếp xúc trực tiếp với nước (tương tự như hình 4.10), (v) đo nhiệt độ nước trong bình chứa tại 3 vị trí để khảo sát nhiệt độ nước ở đáy, giữa và đỉnh của bình như mô tả trên hình 4.15, (vi) đo nhiệt độ của nước vào và ra khỏi TBBH (thông qua chạc “T”) và (vii) đo nhiệt độ của môi chất lạnh tại đầu vào và đầu ra của TBBH, ra khỏi máy nén, ra khỏi cuộn coil dàn ngưng, các cảm biến này được gắn tiếp xúc với ống đồng bằng băng keo bạc sau đó bọc cách nhiệt bên ngoài để tránh bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Bơm nước chạy bằng nguồn DC 12V và có bộ điều chỉnh (Dimmer) để điều chỉnh công suất bơm (từ đó điều chỉnh lưu lượng bơm) 4 lưu lượng kế được sử dụng để đo lưu lượng nước vào mỗi đường ống trên các mô-đunPV/T trước khi thực nghiệm Trong hệ thống này không thực hiện đo vận tốc gió.Thông số các thiết bị đo sử dụng trong thực nghiệm được trình bày trong bảng PL4.1.Trong hệ bơm nhiệt, để đảm bảo trong quá trình hoạt động, các thiết bị được lắp đặt coil dàn ngưng trong trường hợp quá tải Bên cạnh đó, máy nén được bảo vệ bằng relay áp suất kép, có đồng hồ hiển thị áp suất cao (kết nối với đầu đẩy máy nén) và áp suất thấp (kết nối với đầu hút máy nén).

Hình 4.16 Toàn cảnh mô hình thực nghiệm của hệ thống PVTWHP-NIVT

Hình 4.17 Dàn mô-đun PV/T của hệ thống PVTWHP-NIVT

Hình 4.18 Hệ bơm nhiệt và bình chứa nước nóng

Hình 4.19 Vị trí gắn cảm biến nhiệt độ trên MD6 kiểu B (a) và mô-đun PV (b)

- Phương pháp đo và lấy số liệu thực nghệm: Các giá trị đo của Is được đo đạc trực tiếp và ghi tự động theo thời gian thực bằng phần mềm chuyên dụng được cài đặt sẵn trên máy tính, kết quả xuất ra dưới dạng file excel Các giá trị đo nhiệt độ được đo đạc trực tiếp bằng 1 máy đo nhiệt độ 12 kênh DDC-C46 và 3 máy đo nhiệt độ 8 kênhEXP-8UI8RO, toàn bộ được ghi tự động theo thời gian thực bằng phần mềm chuyên dụng được cài đặt sẵn trên máy tính, kết quả xuất ra dưới dạng file excel Thời gian lưu kết quả đo là 5 phút/kết quả, các kết quả này được lấy trực tiếp mà không qua phương pháp xử lý nào Trong đó, giá trị nhiệt độ của thành phần tấm hấp thụ (tab), của nước tinh khiết (tpw) và nhiệt độ nước trong bình (thw) là giá trị trung bình của các vị trí đặt cảm biến tương ứng Hệ thống được thực nghiệm trong nhiều ngày tại TP HCM và chọn ngày 05/12/2020 để kiểm chứng.

Trước khi thực nghiệm, mặt kính của mô-đun PV/T và mô-đun PV được làm sạch, lưu lượng nước vào mỗi pass ống được đo đạc cẩn thận bằng lưu lượng kế để cài đặt giá trị cần khảo sát Thời gian lấy số liệu cho hệ thống từ 9h đến 11h20 ngày 05/12/2020. Lưu lượng nước vào mỗi đường ống của MD6 kiểu B là 0,02 kg/s, lượng nước nóng trong bình chứa là 450 lít Số liệu thực nghiệm của hệ thống được trình bày trên bảng PL4.4 và được biểu diễn trên các biểu đồ từ hình 4.20 đến hình 4.22 Biểu đồ hình 4.20 cho thấy cường độ BXMT và nhiệt độ môi trường trong thời gian thực nghiệm khá cao, trung bình khoảng 752 W/m 2 và 31 o C.

Hình 4.20 Cường độ BXMT và nhiệt độ môi trường ngày 05/12/2020

Hình 4.21 So sánh nhiệt độ tấm hấp thụ và nước trong ống TĐN giữa MP và TN

Hình 4.22 So sánh nhiệt độ nước nóng trong bình chứa giữa MP và TN

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thời tiết như trình bày trên bảng PL4.4 để nạp vào CT MPS 5 cho hệ thống PVTWHP-NIVT sử dụng MD6 kiểu B với máy nén không biến tần như trình bày ở mục 3.5 để tính toán sau đó so sánh với kết quả đo đạc bằng thực nghiệm của hệ thống Kết quả so sánh giữa MP và TN của nhiệt độ tấm hấp thụ (tab), nước tinh khiết bên trong ống TĐN (tpw) và nước nóng trong bình chứa (thw) được thể hiện lần lượt trên biểu đồ hình 4.21 và hình 4.22 Kết quả cho thấy chương trình mô phỏng đạt độ tin cậy cao với sai số trung bình của tab, tpw và thw giữa MP và TN lần lượt là 2,3%, 3,92% và 0,48%.

Thông qua các biểu đồ hình 4.21, 4.22 cùng với kết quả RMS cho thấy sai số giữa kết quả MP và TN ở mức độ thấp, từ 0,48% đến 3,92% Tương tự như trong hệ thống PVTAHW, sai số ở tpw là cao nhất 3,92% Giá trị thw giữa mô phỏng và thực nghiệm rất tương đồng, có sai số rất thấp 0,48% Nguyên nhân là do: (i) sự chênh lệch của tab và tpw là khá tương đồng giữa MP và TN, do đó nhiệt lượng mà nước nhận của MD6 giữa MP và TN tương đối bằng nhau và (ii) máy nén không biến tần có công suất lớn và thay đổi ít trong thời gian hoạt động nên nhiệt lượng chuyển tới coil dàn ngưng ngoài nhận từ MD6 còn có phần lớn của máy nén Do vậy, sự chênh lệch của thw giữa

MP và TN là khá nhỏ.

=> Từ kết quả đánh giá sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy CT MPS 5 hoạt động đáng tin cậy, cho ra sai số chấp nhận được Từ đây các công thức mô phỏng cho bình chứa nước nóng sẽ được ứng dụng cho CT MPS 4 của hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng máy nén biến tần).

Kết luận

Chương 4 đã thực hiện so sánh, đánh giá kết quả mô phỏng của các CT MPS với (i) kết quả TN từ các mô hình đã thực nghiệm và (ii) kết quả mô phỏng, thực nghiệm của các tác giả trước Kết quả đạt được như sau:

-CT MPS 1cho mô-đun PV Khi so sánh với TN cho thấy sai số từ 3,31% đến 7,83%.

- CT MPS 2cho mô-đun PV/T mẫu MD2 với bộ TĐN kiểu A: (i) Khi so sánh với kết quả TN của Bhattarai [22], sai số là 3,81% và 0,63%; (ii) Khi so sánh với kết quả MP của Bellos [62], sai số là 2,49% và 0,41%.

- CT MPS 3 cho hệ thống PVTAHW sử dụng MD6 với bộ TĐN kiểu B Khi so sánh với TN cho thấy sai số từ 3,44% đến 5,65%.

-CT MPS 5cho hệ thống PVTWHP-NIVT sử dụng MD6 với bộ TĐN kiểu B Khi so sánh với TN cho thấy sai số từ 0,48% đến 3,92%.

Với những kết quả đạt được, có thể khẳng định rằng các CT MPS hoạt động đáng tin cậy với sai số chấp nhận được Từ đây, luận án sẽ sử dụng các CT MPS để phục vụ cho việc so sánh, phân tích, đánh giá…cho mô-đun PV, 6 mẫu mô-đun PV/T sử dụng bộ TĐN kiểu A và kiểu B, hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng máy nén biến tần) trong chương 5.

Tiêu đề	Nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằm nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt (PV/T)
Tác giả	Hoàng Văn Viết
Người hướng dẫn	GS. TS Lê Chí Hiệp, PGS.TS Nguyễn Thế Bảo
Trường học	ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Chuyên ngành	Kỹ thuật Nhiệt
Thể loại	Luận án Tiến sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	304
Dung lượng	10,6 MB