Solar heat or heat and electricity producing systems

 Hệ thống lưu trữ nhiệt: Đối với hệ thống sản xuất nhiệt, việc lưu trữ nhiệt được thiết kế để giữ lại nhiệt năng tạo ra từ ánh sáng mặt trời để sử dụng vào các thời điểm không có ánh sá

ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG NGÀNH KĨ THUẬT HÓA HỌC

MAI QUỐC THÀNH MSSV: 62300142

ĐỀ TÀI: 6.3.1.

Solar heat or heat-and-electricity

producing systems

I Giới thiệu:

1 Giới thiệu sơ lược về năng lượng mặt trời

2 Giới thiệu chung về hệ thống sản xuất nhiệt và điện năng lượng mặt trời.

II Nội dung:

1 Khái niệm.

2 Sử dụng các hệ thống sản xuất nhiệt và điện ở vĩ độ.

3 Mô phỏng các hệ thống năng lượng mặt trời ở nhiệt

độ cao.

4 Việc tối ưu hóa các hệ thống cho mục đích sử dụng sưởi ấm

5 Gián tiếp, mạch thu thu nhiệt bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

6 Thành phần quang điện trong hệ thống lai quang điện – nhiệt.

I Giới thiệu sơ lược.

1 Giới thiệu sơ lược về năng lượng mặt trời

- Khái niệm: Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng được tạo ra từ quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành các dạng năng lượng sử dụng được như nhiệt năng và năng lượng điện Ánh sáng mặt trời chứa lượng lớn năng lượng và có thể được khai thác và sử dụng để cung cấp điện, làm nóng nước, hoặc cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động

2 Giới thiệu về hệ thống sản xuất nhiệt và điện năng lượng mặt trời:

- Khái niệm: Hệ thống sản xuất nhiệt và điện năng lượng mặt trời là một hệ thống tích hợp sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra cùng lúc nhiệt năng và năng lượng điện Hệ thống này kết hợp các công nghệ năng lượng mặt trời để tận dụng tối đa nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời và đáp ứng các nhu cầu sử dụng nhiệt và điện

- Hệ thống này thường gồm các thành phần sau:

 Tấm pin mặt trời: Đây là thành phần chính để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Tấm pin mặt trời sử dụng hiệu ứng quang điện để tạo

ra dòng điện khi ánh sáng chiếu vào chúng

 Bộ tập trung nhiệt năng mặt trời: Đây là công nghệ sử dụng tấm tập trung mặt trời để tạo ra nhiệt năng Tấm tập trung mặt trời được thiết kế để tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm tập trung, tạo ra nhiệt đủ để làm nóng chất lỏng hoặc tạo hơi nước

 Hệ thống lưu trữ nhiệt: Đối với hệ thống sản xuất nhiệt, việc lưu trữ nhiệt được thiết kế để giữ lại nhiệt năng tạo ra từ ánh sáng mặt trời để sử dụng vào các thời điểm không có ánh sáng mặt trời hoặc nhu cầu nhiệt cao hơn

 Bộ điều khiển và hệ thống quản lý: Hệ thống này được sử dụng để điều khiển và quản lý hoạt động của các thành phần trong hệ thống, đảm bảo hiệu suất cao và tối ưu hóa sử dụng năng lượng mặt trời

II Nội dung

1 Khái niệm

- Khái niệm: Nhiệt mặt trời, hay hệ thống sản xuất nhiệt và điện, là công

nghệ sử dụng năng lượng từ mặt trời để tạo ra nhiệt hoặc cả nhiệt và điện

Các hệ thống này thường liên quan đến việc sử dụng các bộ thu năng lượng mặt trời, chẳng hạn như tấm nhiệt mặt trời hoặc hệ thống năng lượng mặt

trời tập trung (CSP), để thu và chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng nhiệt có thể sử dụng được Nhiệt thu được có thể được sử dụng cho nhiều

ứng dụng khác nhau, bao gồm sưởi ấm không gian, sưởi ấm nước, quy trình công nghiệp và thậm chí sản xuất điện thông qua hệ thống nhiệt và điện kết hợp (CHP) Bằng cách khai thác nguồn năng lượng tái tạo và dồi dào của

mặt trời, hệ thống nhiệt mặt trời góp phần giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu phát thải khí nhà kính, thúc đẩy các giải pháp năng lượng bền vững

đồ của hệ thống sử dụng năng lượng

mặt trời để là

ng hoặc cung cấp

Sơ đồ của hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để

làm nóng hoặc cung cấp điện.

Nguồn: Ảnh

(Renewable energy- trang 355 - Bent Sørensen -16/7/2004)

2 Sử dụng các hệ thống sản xuất nhiệt và điện ở vĩ độ

- Khái niệm: Việc sử dụng cùng các hệ thống sản xuất nhiệt hoặc điện và nhiệt mặt trời ở các vĩ độ có mức bức xạ mặt trời cao hơn thực sự sẽ cải thiện hiệu suất của chúng và giúp có thể đáp ứng tải bằng các hệ thống nhỏ hơn và ít tốn kém hơn

 Mức độ bức xạ mặt trời cao hơn có nghĩa là có nhiều ánh sáng mặt trời hơn

để thu giữ và chuyển đổi thành năng lượng có thể sử dụng được Nguồn năng lượng mặt trời tăng lên này cho phép các hệ thống tạo ra nhiều nhiệt hoặc điện hơn, cho phép đáp ứng nhu cầu năng lượng tốt hơn

 Với bức xạ mặt trời cao hơn, bộ thu năng lượng mặt trời có thể hoạt động với hiệu suất cao hơn vì chúng nhận được ánh nắng gay gắt hơn Điều này

có nghĩa là các bộ thu hoặc tấm thu năng lượng mặt trời có kích thước nhỏ hơn có thể đạt được sản lượng năng lượng tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với các hệ thống lớn hơn ở những khu vực có bức xạ mặt trời thấp hơn Do đó, các hệ thống nhỏ hơn và ít tốn kém hơn có thể được sử dụng để đáp ứng tải năng lượng cần thiết

 Giảm kích thước và chi phí của hệ thống có một số lợi thế Nó làm cho năng lượng mặt trời dễ tiếp cận hơn và có giá cả phải chăng hơn, cho phép áp dụng nhiều ứng dụng hơn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các giải pháp năng lượng tái tạo Ngoài ra, các hệ thống nhỏ hơn thường dễ cài đặt và bảo trì hơn, đòi hỏi ít không gian và tài nguyên hơn

Do đó, việc sử dụng các hệ thống sản xuất nhiệt hoặc điện và nhiệt mặt trời ở các vĩ độ có mức bức xạ mặt trời cao hơn không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn cho phép bao phủ năng lượng hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn, thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi các công nghệ năng lượng tái tạo

3 Mô phỏng các hệ thống năng lượng mặt trời ở các vĩ độ khá cao

- Thật vậy, việc mô phỏng các hệ thống năng lượng mặt trời ở các vĩ độ khá cao, chẳng hạn như 56°N đối với dữ liệu tham khảo của Đan Mạch, đưa ra những thách thức thiết kế độc đáo có thể rõ ràng hơn so với các vĩ độ có đầu vào năng lượng mặt trời cao hơn và ổn định hơn và tải nhiệt nhỏ hơn Tuy nhiên, những thách thức này vẫn có thể là mối quan tâm và sự liên quan

chung Một số vấn đề về thiết kế phát sinh trong các hệ thống năng lượng mặt trời ở vĩ độ cao bao gồm:

 Giảm bức xạ mặt trời: Ở vĩ độ cao hơn, mức bức xạ mặt trời thường thấp hơn do góc mà ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt Trái đất Đầu vào năng lượng mặt trời giảm này ảnh hưởng đến tiềm năng tạo năng lượng tổng thể của các hệ mặt trời và cần được xem xét cẩn thận trong quá trình thiết kế hệ thống

 Sự thay đổi theo mùa: Các vùng vĩ độ cao thường có sự thay đổi đáng

kể theo mùa về số giờ ban ngày, với mùa đông dài và mùa hè ngắn hơn Điều này có nghĩa là các hệ thống năng lượng mặt trời cần phải được thiết kế để tính đến những biến động này và đảm bảo cung cấp

đủ năng lượng trong suốt cả năm Việc lưu trữ năng lượng hoặc các nguồn sưởi ấm thay thế có thể cần thiết để đáp ứng tải sưởi ấm trong thời gian năng lượng mặt trời đầu vào thấp

So sánh giữa hệ thống năng lượng

mặt trời cố định và hệ thống theo

dõi mặt trời đơn giản

Nguồn: Ảnh

(Renewable energy- trang 224 - Bent Sørensen -16/7/2004)

 Độ nghiêng và hướng của tấm pin mặt trời: Để tối ưu hóa việc thu năng lượng, các tấm pin mặt trời cần được nghiêng và hướng đúng về phía mặt trời Ở vĩ độ cao, góc nghiêng và định hướng tối ưu khác với góc nghiêng và góc định hướng ở vĩ độ thấp hơn Thiết kế các hệ thống năng lượng mặt trời phù hợp với vĩ độ địa phương và tính đến các góc mặt trời thay đổi có thể tối đa hóa việc sản xuất năng lượng

 Tích tụ băng tuyết: Ở vùng khí hậu lạnh hơn, tuyết và băng tích tụ trên các tấm pin mặt trời có thể làm giảm hiệu quả của chúng và cản trở ánh sáng mặt trời Việc thiết kế các hệ thống giảm thiểu sự tích tụ tuyết hoặc kết hợp các cơ chế dọn tuyết trở nên quan trọng để duy trì hiệu suất tối ưu

 Tích hợp với các hệ thống sưởi ấm hiện có: Các vùng vĩ độ cao thường có sẵn hệ thống sưởi ấm để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm cao hơn Việc tích hợp hệ thống năng lượng mặt trời với các hệ thống hiện có này, chẳng hạn như mạng lưới sưởi ấm khu vực hoặc giải pháp sưởi

ấm kết hợp, đòi hỏi phải có thiết kế cẩn thận và xem xét khả năng tương thích của hệ thống

Giải quyết những thách thức thiết kế này ở vĩ độ cao cho phép sử dụng hiệu quả hệ thống năng lượng mặt trời ở những khu vực có đầu vào năng lượng mặt trời thấp hơn, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, tính bền vững và giảm phát thải khí nhà kính ở những khu vực đó Bài học rút ra từ những cân nhắc này cũng có thể

có giá trị đối với các vĩ độ và khu vực tương tự đang phải đối mặt với các vấn đề thiết kế tương tự

Bốn lớp kiến trúc của cây

năng lượng mặt trời.

Nguồn: Ảnh

Các tham số đánh giá tài nguyên của nhà máy điện mặt trời nổi.

N ồ Ả h

4 Việc tối ưu hóa các hệ thống cho mục đích sử dụng sưởi ấm.

- Chắc chắn, nhu cầu sưởi ấm thường cao hơn ở những vĩ độ cao hơn, khiến việc tối ưu hóa các hệ thống cho mục đích sử dụng đó đặc biệt phù hợp Ở những khu vực này, nơi khí hậu lạnh hơn chiếm ưu thế, việc sử dụng hiệu quả và hiệu quả các hệ thống thu nhiệt mặt trời trở nên quan trọng

- Các hệ thống liên quan đến việc thu nhiệt mặt trời vào kho lưu trữ nhiệt, chẳng hạn như hệ thống sưởi ấm nước hoặc sưởi ấm không gian bằng năng lượng mặt trời, thể hiện hành vi động học phức tạp Sự phức tạp này phát sinh từ sự tương tác giữa các yếu tố khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời và toàn bộ hệ thống Một số yếu tố này bao gồm:

 Nhiệt độ lưu trữ nhiệt: Nhiệt độ của môi trường lưu trữ nhiệt, chẳng hạn như nước hoặc chất lỏng truyền nhiệt, ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu suất tổng thể của hệ thống Nhiệt độ lưu trữ nhiệt cao hơn có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn cho mục đích sưởi ấm nhưng cũng có thể dẫn đến tổn thất nhiệt cao hơn Việc tìm ra nhiệt độ lưu trữ nhiệt tối ưu để cân bằng nguồn năng lượng sẵn có và hiệu quả là điều cần thiết

 Nhiệt độ đầu vào của chất lỏng thu: Nhiệt độ của chất lỏng đi vào bộ thu năng lượng mặt trời ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và hiệu quả thu năng lượng Nhiệt độ đầu vào bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ môi trường, bức xạ mặt trời và thiết kế hệ thống Tối ưu hóa nhiệt độ đầu vào chất lỏng góp giúp tối đa hóa việc hấp thụ và sử dụng năng lượng

 Tốc độ lưu thông: Tốc độ lưu thông chất lỏng truyền nhiệt trong hệ thống ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt và hiệu suất tổng thể của

hệ thống Tuần hoàn thích hợp đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả từ bộ thu sang môi trường lưu trữ nhiệt Kiểm soát tốc độ tuần hoàn, thường đạt được thông qua máy bơm hoặc đối lưu tự nhiên, rất quan trọng để duy trì động lực học tối ưu của hệ thống

Việc quản lý và tối ưu hóa các tham số này đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện

về động lực học của hệ thống và cân nhắc cẩn thận trong quá trình thiết

kế và vận hành hệ thống Các chiến lược mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển toán học có thể được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa hiệu suất

của hệ thống thu nhiệt mặt trời trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Bằng cách giải quyết những vấn đề phức tạp liên quan đến các yếu tố

này, hệ thống thu nhiệt mặt trời có thể được tối ưu hóa để cung cấp các

giải pháp sưởi ấm đáng tin cậy và hiệu quả ở những vùng có vĩ độ cao

hơn Sự tối ưu hóa này góp phần giảm sự phụ thuộc vào các phương

pháp sưởi ấm truyền thống, giảm mức tiêu thụ năng lượng và thúc đẩy

các phương pháp sưởi ấm bền vững và thân thiện với môi trường

-5 Gián tiếp, mạch thu nhiệt bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

- Thật vậy, mạch thu nhiệt trong hệ thống nhiệt mặt trời bị ảnh hưởng gián

tiếp bởi nhiệt độ lưu trữ nhiệt và mô hình tải chi phối sự trao đổi nhiệt giữa

mạch lưu trữ và tải Nhiệt độ lưu trữ nhiệt và kiểu tải đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất tổng thể và động lực học của hệ thống

- Nhiệt độ lưu trữ nhiệt ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt giữa mạch thu

và môi trường lưu trữ Nhiệt độ lưu trữ cao hơn cho phép truyền nhiệt hiệu

quả hơn từ mạch thu đến môi trường lưu trữ, tăng khả năng cung cấp năng

lượng tổng thể Mặt khác, nhiệt độ bảo quản thấp hơn có thể cần thời gian

bức xạ mặt trời lâu hơn để đạt được mức lưu trữ nhiệt mong muốn

Bộ tập trung hình nón

Nguồn: Ảnh

Hình vẽ mô phỏng của bộ tập trung nhiệt

năng mặt trời.

Nguồn: Ảnh

- Các kiểu tải, đại diện cho nhu cầu nhiệt hoặc các kiểu sử dụng của hệ thống, quyết định sự trao đổi nhiệt giữa mạch lưu trữ và mạch tải Các kiểu tải xác định thời điểm và lượng nhiệt được rút ra khỏi môi trường lưu trữ để đáp ứng các yêu cầu về nhiệt Việc trao đổi nhiệt giữa mạch lưu trữ và mạch tải thường được thực hiện thông qua các bộ trao đổi nhiệt hoặc vòng truyền nhiệt

- Nhiệt độ lưu trữ nhiệt và mô hình tải có mối liên hệ với nhau Nhiệt độ lưu trữ nhiệt ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nhiệt cho các mạch tải, trong khi các kiểu tải ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt và khả năng cung cấp nhiệt tiếp theo trong mạch lưu trữ Đạt được sự cân bằng giữa các yếu tố này

là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hệ thống tối ưu và đáp ứng nhu cầu sưởi ấm một cách hiệu quả

- Để tối ưu hóa mạch thu nhiệt, nhiệt độ lưu trữ nhiệt và kiểu tải, các nhà thiết

kế và vận hành hệ thống thường sử dụng các chiến lược điều khiển và cơ chế phản hồi Các chiến lược này nhằm mục đích duy trì nhiệt độ lưu trữ nhiệt mong muốn, điều chỉnh tốc độ trao đổi nhiệt dựa trên mô hình tải và đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng nhiệt sẵn có

Bằng cách xem xét ảnh hưởng gián tiếp của nhiệt độ lưu trữ nhiệt và kiểu tải trên mạch thu, hệ thống nhiệt mặt trời có thể được thiết kế và vận hành theo cách tối đa hóa việc sử dụng năng lượng, cung cấp hệ thống sưởi đáng tin cậy và nâng cao hiệu suất hệ thống tổng thể

6 Thành phần quang điện trong hệ thống lai quang điện – nhiệt.

- Nếu có thành phần quang điện (PV) trong hệ thống lai quang điện-nhiệt (PVT), hiệu suất của nó chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hoạt động của nhiệt độ thông qua sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu suất sản xuất điện Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu suất quang điện nhìn chung yếu hơn so với phần thu nhiệt của hệ thống

- Hiệu suất của mô-đun PV thường giảm khi nhiệt độ của chúng tăng lên Hiện tượng này, được gọi là hệ số nhiệt độ của công suất, mô tả sự thay đổi công suất đầu ra theo nhiệt độ Nhiệt độ cao hơn có thể làm giảm hiệu suất điện của mô-đun PV, dẫn đến giảm sản lượng điện

- Mặt khác, bộ phận thu nhiệt của hệ thống PVT, chẳng hạn như bộ thu nhiệt mặt trời, lại bị ảnh hưởng trực tiếp hơn bởi sự thay đổi nhiệt độ Hiệu suất thu nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào chênh lệch nhiệt độ giữa bộ thu và chất

lỏng truyền nhiệt Nhiệt độ cao hơn thường dẫn đến truyền nhiệt hiệu quả

hơn và tăng năng lượng nhiệt

- Mặc dù sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu suất quang điện có tác động đến hiệu suất tổng thể của hệ thống quang điện, nhưng nhìn chung nó ít quan

trọng hơn so với phần thu nhiệt Thành phần thu nhiệt thường đóng góp

phần lớn hơn vào tổng sản lượng năng lượng trong hệ thống PVT

- Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PVT, điều quan trọng là phải xem xét

nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời, cơ chế truyền nhiệt và chiến lược điều khiển Bằng cách quản lý cẩn thận sự phân

bổ nhiệt độ trong hệ thống, có thể tối đa hóa việc tạo ra năng lượng từ cả PV

và các bộ phận nhiệt

Nhìn chung, mặc dù hoạt động của nhiệt độ ảnh hưởng đến cả khía cạnh

PV và nhiệt của hệ thống PVT, nhưng sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu suất PV thường yếu hơn so với bộ phận thu nhiệt Điều này nhấn mạnh

tầm quan trọng của việc xem xét các đặc tính riêng biệt và sự tối ưu hóa cần thiết cho từng thành phần khi thiết kế và vận hành hệ thống PVT lai

(Renewable energy- trang 386 -

Bent Sørensen -16/7/2004)

(Renewable energy trang 386 -Bent Sørensen -16/7/2004)