ài viết trình bày việc xây dựng chương trình tính mô phỏng tạo ra các chuỗi kết quả như: bức xạ lên mặt phẳng nghiêng (It), nhiệt lượng hữu ích thu được (Qu), hiệu suất bộ thu (η), nhiệt độ trung bình của bình chứa phân tầng nhiệt (ts1, ts2, ts3 ), tỉ số mặt trời (fR) của hai hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời loại bộ thu tấm phẳng và loại bộ thu ống chân không cho bất kỳ giờ/ngày/tháng nào hoặc cả năm theo điều kiện tự nhiên tại Việt Nam. Qua đó, người sử dụng có thể đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả của bộ thu ống chân không.
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐUN NƯỚC NÓNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG ỐNG CHÂN KHÔNG TẠI VIỆT NAM Nguyễn Hiếu Nghĩa*, Nguyễn Thế Bảo** TÓM TẮT Bài viết trình bày việc xây dựng chương trình tính mô tạo chuỗi kết như: xạ lên mặt phẳng nghiêng (It), nhiệt lượng hữu ích thu (Qu), hiệu suất thu (η), nhiệt độ trung bình bình chứa phân tầng nhiệt (ts1, ts2, ts3 ), tỉ số mặt trời (fR) hai hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời loại thu phẳng loại thu ống chân không cho giờ/ngày/tháng năm theo điều kiện tự nhiên Việt Nam Qua đó, người sử dụng đánh giá thơng số ảnh hưởng đến hiệu thu ống chân không RESEARCH OF THE SOLAR HOT WATER SYSTEM USED THE EVACUATED TUBES IN VIETNAM SUMMARY This article describes the way to build the simulation program to generate the sequenced results such as: Radiation on sloped serfaces (It), useful energy gain (Qu), collector efficiency (η), stratified tank temperature (tS1, tS2, tS3), solar fraction (fR) of two solar hot water systems, namely Flate Plate Collector and Evacuated Tube Collector for any hour/day/month or all year abide by the weather data in Viet Nam Thereby, the user can evaluate the parameters affecting the efficiency of the Evacuated Tube Collector Định nghĩa ký hiệu I, It - cường độ xạ mặt phẳng ngang mặt phẳng nghiêng, J/m2.h; Q - nhiệt lượng trung bình vào ống, W/m2; • m - lưu lượng nước đối lưu tự nhiên qua ống, kg/s; D - đường kính ống hấp thu, m; μ - độ nhớt động lực học nước, kg/m.s Red - hệ số Reynolds θ - góc nghiêng ống so với trực đứng L - chiều dài nhận nhiệt ống, m; Pr - hệ số Prandtl Nud - hệ số Nusselt Grd - hệ số Grashof Grd* - hệ số Grashof phụ βn - hệ số giãn nở nhiệt nước, K-1; * Kn - độ dẫn nhiệt nước, W/m.K; υ - độ nhớt động học, m2/s; Qu - lượng hữu ích, W; tout - nhiệt độ nước khỏi ống, oC; tin - nhiệt độ nước vào ống, oC; AS-Tube - diện tích nhận xạ ống, m2; NTubes - số lượng ống qw t out = + t in • C p.m η - hiệu suất thu Aa - diện tích nhận xạ thu, m2; G - cường độ xạ mặt trời, W/m2; t - nhiệt độ trung bình nước thu, oC; Ta - nhiệt độ môi trường, oC; fR - tỉ số mặt trời ThS, Khoa Nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp TPHCM TS, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TPHCM ** 40 Tạp chí Đại học Cơng nghiệp Tổng quan tình hình sử dụng lượng mặt trời đun nước nóng Việt Nam Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới Thời gian chiếu sáng trung bình năm từ 2000 đến 2600 Ở tỉnh phía Nam, số nắng trung bình ngày khoảng 6,5 giờ, cường độ tổng lượng xạ trung bình ngày 12 tháng đạt kWh/m2/ngày Từ mùa khô chuyển sang mùa mưa, tổng lượng xạ trung bình giảm khoảng 20% Ở tỉnh phía Bắc, số nắng trung bình đạt 4,1 giờ/ngày cường độ xạ trung bình khoảng kWh/m2 ngày, lượng xạ trung bình tương đối cao Đây nguồn lượng dồi Có thể kết luận xạ mặt trời nguồn tài nguyên lớn Việt Nam Tuy nhiên, việc tận dụng nguồn lượng hạn chế Hiện có khoảng vài ngàn thu lượng mặt trời lắp đặt so với 100.000 đun nước nóng điện trở lắp đặt thành phố Hồ Chí Minh Nhiều trường đại học nghiên cứu hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời, như: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Trường Đại học Bách khoa TPHCM, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM (nhãn hiệu HELIO) Trong đó, Trung Quốc việc ứng dụng hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời phát triển Đặc biệt loại thu ống chân không, chiếm 65% tổng số diện tích lắp mới, trung bình khoảng triệu m2/năm [4] Bộ thu ống chân không hoạt động tốt thu phẳng chế độ nhiệt độ cao nhờ giảm trao đổi nhiệt đối lưu có lớp chân khơng [3] Thành cơng thu ống chân không gắn trực tiếp vào bình trữ nhiệt nằm ngang [2] Tại Việt Nam, Trung tâm Tiết kiệm lượng thuộc Sở Khoa học Công nghệ TPHCM phối hợp với số đơn vị thực chương trình hỗ trợ người tiêu dùng sử dụng máy nước nóng lượng mặt trời Nhưng phạm vi nước, việc ứng dụng hệ thống nước nóng lượng mặt trời ít, đặc biệt chưa có phần mềm tính tốn cho hệ thống nước nóng mặt trời loại thu ống chân khơng đối lưu tự nhiên với bình trữ nhiệt nằm ngang Lý thuyết tính tốn hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời sử dụng ống chân Sự truyền nhiệt xảy nước tuần hoàn tự nhiên ống nhận nhiệt xạ mặt trời, lên vào bình chứa Nước lạnh từ bình chứa chảy vào ống chỗ cho lượng nước lạnh Lưu lượng nước tuần hồn phụ thuộc vào cường độ xạ mặt trời nhiệt độ nước phân phối bình, nhiệt độ hoạt động thu cách thiết kế thu (đường kính ống, chiều dài ống, độ cong phản xạ, góc nghiêng thu) thay đổi liên tục theo ngày[2] Mối quan hệ lưu lượng nước đối lưu tự nhiên ống chân không trình bày hình Các hệ số Red, Nud, Grd, Grd* phụ thuộc vào đường kính ống; chọn ao, a1, n hệ số quan hệ thứ 1, (ao = 0,1914, a1 = 0,4084, n = 1,2) [1], [3]; ηo = 0.536, a = 0.824, b = 0.0069[1] Lúc bắt đầu mô phỏng, nhiệt độ nước vào ống nhiệt độ tầng nước ngang miệng ống độ nghiêng ống nhỏ nhiệt độ lớp cao độ nghiêng ống nhiều Nhiệt lượng hữu ích thu ống chân khơng tính từ cường độ xạ nhiệt độ môi trường [1] Biểu thức cân lượng thu phải thỏa mãn bước mô phương pháp lặp Từ nhiệt lượng trung bình dự tính (q) vào ống thơng qua hệ số Reynolds với biểu thức (Nu*Gr) tìm lưu lượng đối lưu ống (m) Nhiệt độ bình chứa, thơng số vật lý (βn, Kn, υ, μ, Pr, Cp) cặp nhật lại liên tục tổn thất nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu tầng sau bước lặp thu đạt cân lượng 41 Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đun nước nóng bằng… Hình Mơ hình mơ dòng đối lưu tự nhiên nước ống chân không Sau hệ thống đạt cân bằng, ta có nhiệt lượng hữu ích nhiệt độ nước khỏi thu theo Thực tế, nhiệt độ khối nước tăng dần nhận cường độ xạ liên tục Để mơ q trình này, tác giả chia lượng nước tăng nhiệt độ thành 10 phần nhỏ cho từ từ vào bình chứa suốt Việc làm đảm bảo cho chương trình mơ tăng nhiệt độ bình chứa với thực tế Đặc biệt có tải sử dụng q trình tăng nhiệt độ xác Tổn thất nhiệt hệ thống chủ yếu từ bình chứa Khối lượng nước chứa ống chiếm khoảng 15% lượng nước hệ thống nên phải cộng thêm vào thể tích bình chứa phải điều chỉnh lại hệ số tổn thất nhiệt cho phù hợp với tăng diện tích bề mặt bình Vào ban ngày, phần bình chứa bị trộn, số điểm phân lớp nhiệt không ảnh hưởng đến hệ thống nhiều [1] 42 Nhiệt độ lưu chất thông số quan trọng ảnh hưởng tới tốc độ tuần hồn bình chứa thu [2] Lượng nước tải lấy phía (lớp 1) bình, nước cấp lại đáy bình (lớp 3) Bình chứa chia thành lớp nhiệt không nhau, lớp chiếm 3/7, lớp chiếm 2/7 lớp chiếm 2/7 thể tích bình Tính tỉ số mặt trời fR: có tải theo tính tỉ số mặt trời cho hệ thống theo Giả sử lượng nước tải giờ, tải lượng nước yêu cầu Để chương trình mơ thực tế, tác giả chia nhỏ lượng nước làm 10 phần Việc làm đảm bảo cho lượng nước trích ra, nạp lại đặn mô với thực tế Chương trình mơ Dựa vào sở lý thuyết để lập chương trình mơ ngôn ngữ Matlap Dưới giao diện hai hệ thống thu phẳng thu ống chân khơng Tạp chí Đại học Cơng nghiệp Dữ liệu đầu xuất dạng bảng dạng đồ thị Kết bình luận Bộ thu ống chân khơng thu phẳng có diện tích 2,8 m2, 2,6 m2; tổng lượng nước 194 kg, 175 kg Lượng nước tải 144 lít/ngày đặn vào giờ: 10, 11, 12 14, 15, 16 (24 lít/giờ) với lượng nước cấp lại vào bình ổn định 30oC, nhiệt độ nước yêu cầu 60oC Ngoại trừ hiệu suất thu có tính so sánh hai hệ thống đồ thị khác có tính tham khảo Xuất ngày chọn ngày 26 tháng Các ô vuông ô tròn biểu thị cho thu phẳng thu ống chân khơng Ở hình 2, nhiệt lượng hữu ích (Qu,MJ) loại thu ống chân không cao loại thu phẳng theo tùy theo diện tích nhận xạ cao tương ứng loại thu ống chân không 2,8 m2 loại thu phẳng 2,6 m2 thể hai đường màu xanh tổng ngày Qu: 23,19>16,73 MJ; đường màu đỏ nằm phía lượng xạ lên 1m2 mặt phẳng nghiêng (tổng ngày It = 15,48 MJ) Hai đồ thị sau thể hoạt động thu ống chân không thu phẳng TP Hồ Chí Minh Hình Hiệu suất ngày 26/04 Hình It Qu ngày 26/04 Hình thể hiệu suất (η, %) hai hệ thống theo ngày Vào trưa, hiệu suất thu phẳng tăng cao nhận lượng xạ lớn so với buổi sáng buổi chiều Còn thu ống chân 43 Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đun nước nóng bằng… khơng hiệu suất ổn định suốt ngày cao thu phẳng Hiệu suất trung bình ngày thu ống chân không đạt 53,44% cao thu phẳng đạt 41,57% Dưới đồ thị hai loại thu ống chân không thu phẳng năm tháng không chênh lệch nhiều có giá trị lớn nên tỉ số mặt trời trung bình năm cao (fsolar = 0,8785) Miền Trung miền Bắc chênh lệch xạ theo mùa lớn lượng xạ trung bình năm không cao miền Nam nên tỉ số mặt trời trung bình năm miền Trung miền Bắc 0,78; 0,757 So sánh độ tin cậy - chương trình tính & thực nghiệm 6.1 So sánh chương trình eva_connect1 với thực nghiệm Hình Hiệu suất BTOCK & BTTP theo năm Hình 4: hiệu suất thu ống chân không theo tháng lớn thu phẳng, trung bình năm hiệu suất hai thu đạt 51,6%; 42,545% Hình Tỉ số mặt trời BTOCK theo năm Hình 5: ba vị trí khác Việt Nam chọn tính mơ hệ thống nước nóng Hồ Chí Minh (Φ = 10,8oN), Đà Nẵng (Φ = 16,02oN), Hà Nội (Φ = 21,02oN) mô phỏng, thu có diện tích khơng đổi góc đặt trùng với góc vĩ độ để tỉ số mặt trời đạt cực đại Nhìn chung, xạ mặt trời tăng lên từ miền Bắc vào miền Nam dẫn tới kết quan sát tỉ số mặt trời miền Nam cao miền Bắc Khu vực miền Nam có hai mùa mưa, nắng lượng xạ 44 Các đồ thị thể độ xác chương trình tính với đo đạc theo từng ngày liên tiếp từ hệ thống thu ống chân không theo thay đổi tải lớp nhiệt bình chứa với nước cấp vào bình chứa nhiệt độ cố định 30oC, nhiệt độ lúc bắt đầu mơ khác Hình Nhiệt độ lớp 1, ngày 17 tới 20/6/2008 Hình thể độ xác nhiệt độ bình chứa phân tầng nhiệt theo từ ngày 17 tới 20/06/2008 với mức tải đặn 144 lít/ngày vào lúc 10, 11, 12 14, 15, 16 ngày (24 lít/giờ) Lớp sai số nhiệt độ đo đạc nhiệt độ tính từ chương trình theo từ 0,19oC tới 3,89oC hay theo nhiệt độ trung bình ngày khoảng 3,2% 1,78 oC Lớp sai số nhiệt độ đo đạt nhiệt độ tính từ chương trình theo từ 0,0387oC tới 6,29oC hay theo trung Tạp chí Đại học Cơng nghiệp chạy khơng tải Tại lớp sai số từ 0,12oC tới 4,7oC hay theo trung bình ngày cao khoảng 4% 2,33oC Tại lớp sai số từ 0,2642oC tới 3,28oC hay theo trung bình nhiệt độ ngày cao khoảng 3,35% 1,7oC Nhiệt độ chênh lệch trung bình lớp theo chương trình 6,56oC bình nhiệt độ ngày khoảng 4,23% 1,84oC Nhiệt độ chênh lệch trung bình lớp theo chương trình 12 oC 6.2 So sánh chương trình eva_connect1 với Chương trình F-Chart So sánh chương trình eva_connect1 viết cho thu ống chân khơng với chương trình FChart với liệu thời tiết TP Hồ Chí Minh Bộ thu ống chân khơng có diện tích 2,8 m2, lượng nước sử dụng 150 lít/ngày, nhiệt độ nước yêu cầu 55oC, nhiệt độ nước cấp trở lại 30oC Hình Nhiệt độ lớp 1, ngày 26 tới 28/6/2008 Hình 7: từ ngày 26 tới ngày 28/06/2008 với mức tải đặn 144 lít/ngày tải theo thay đổi: vào lúc 10, 11 tải 48 lít/giờ 14, 15 tải 24 lít/giờ ngày Lớp sai số từ 0,266oC tới 4,94oC hay theo trung bình nhiệt độ ngày khoảng 3,34% 1,73 oC Lớp sai số từ 0,176oC tới 5,5oC hay theo trung bình nhiệt độ ngày cao khoảng 4,18% 1,78oC Nhiệt độ chênh lệch trung bình lớp theo chương trình 9,93oC Tỉ số mặt trời trung bình năm TP Hồ Chí Minh thu ống chân khơng có sai số trung bình năm 0,01 nhiet trung binh lop 1, cua binh chua tu 4-6 thang 80 t1,t3: thuc nghiem co mau 75 70 Hình Tỉ số mặt trời (fR) 65 Phân tích kinh tế - kỹ thuật nhiet do, C 60 55 50 45 40 35 30 10 20 30 40 gio 50 60 70 Hình Nhiệt độ lớp 1, ngày tới 6/7/2008 Hình dùng để kiểm tra độ xác nhiệt độ từ chương trình tính với nhiệt độ đo đạc theo từ ngày tới ngày 6/07/2008, 80 Bộ thu ống chân khơng gồm 18 ống nói với lượng nước sử dụng ngày 144 lít, trung bình năm có tỉ số mặt trời 0,863 TP Hồ Chí Minh, lượng mặt trời cung cấp cho nước nóng sử dụng năm tongQ = 1584,4 kWh thu Vốn đầu tư ban đầu hệ thống 6,3 triệu đồng so sánh với máy đun nước nóng điện có vốn đầu tư ban đầu triệu đồng Nếu tính tiền điện (với giá điện 1500 đồng/kW, mức lạm phát năm I = 10%, mức chiết khấu 45 Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đun nước nóng bằng… năm d = 13%) ta có đồ thị thời gian hoàn vốn sau: So với dùng điện đun nước tắm khơng tốn phí đầu tư ban đầu nên thời gian hoàn vốn khoảng 2,1 năm, đến năm thứ 16 sinh lợi 36,58 – 4,9 = 31,68 triệu đồng (lợi 7,465 lần) Kết luận 4 thi thoi gian hoan von x 10 3.5 Sinh loi tien VND*103 may dung dien 2.5 1.5 nuoc nong mat troi 0.5 0 nam 10 12 14 16 Hình 10 Đồ thị thời gian hoàn vốn So với máy đun nước nóng điện năm 10 tháng sử dụng hoàn vốn, năm thứ 16 sinh lợi 33,2– 4,9 = 28,3 triệu đồng (lợi 6,77 lần) tuổi thọ hệ thống thu ống chân không từ 15 năm trở lên 46 Các nghiên cứu bước đầu giúp người tiêu dùng hiểu biết thiết bị Các nội dung ý kiến tư vấn rõ ràng, xác thực mặt kỹ thuật, chất lượng sản phẩm hiệu kinh tế hệ thống nước nóng sử dụng lượng mặt trời Cụ thể chương trình thiết thực: connect1.m viết cho hệ thống phẳng, eva_connect1.m viết cho thống ống chân khơng, economic.m dùng tính kinh tế cho hệ thống nước nóng lượng mặt trời Hiệu suất thu ống chân không cao phẳng từ tới 10% Tỉ số mặt trời Hồ Chí Minh 0,878 cao Đà Nẵng 0,78, Hà Nội 0,757 khả ứng dụng tốt Hệ thống ống chân không nhận nhiệt đặn loại phẳng nên cung cấp nước nóng Đặc biệt, nhiệt độ hệ thống tăng cao hiệu suất thu giảm so với thu phẳng Thời gian hoàn vốn nhanh (khoảng năm) nên cho phép giảm gánh nặng điện lưới quốc gia phục vụ dân sinh Tạp chí Đại học Cơng nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Budihardjo*, G L Morrison and M Behnia (2002), Performance of a Water-in-Glass Evacuated Tube Solar Water Heater, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052 Australia [2] I Budihardjo, G.L Morrison and M Behnia (2003), Development of TRNSYS Models for Predicting the Performance of Water-in-Glass Evacuated Tube Solar Water Heaters in Australia, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, The University of New South Wales, Sydney 2052 AUSTRALIA [3] I Budihardjo1, G.L Morrison and M Behnia ,(2004), Performance of single-ended evacuated Tube solar water heaters, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, University of Sydney, Sydney 2006 AUSTRALIA , [4] I.Budihardjo and G.L.Morrison (2005), Performance of Water-in-Glass Evacuated Tube Solar Water Heaters, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, AUSTRALIA [5] Graham L Morrison, Indra Budihardjo and Masud Behnia, Heat Transfer in Evacuated Tubular Solar Collectors, School of Mechanical and Manufacturing Engineering,University of New South Wales, Sydney 2052 Australia [6] Graham L Morrison & Byard D Wood, Packaged Solar Water Heating Technology Twenty Years Of Progress [7] Jean Philippe PRAENE, Franỗois GARDE, Franck LUCAS, Dynamic Modelling And Elements Of Validation Of Solar Evacuated Tube Colletors, Laboratoire de Génie Industriel, Equipe Génie Civil Thermique de l’Habitat, IUT de Saint-Pierre, Université de La Réunion, 40 avenue de Soweto, France [8] Masud BEHNIA and Graham MORRISON, Flow Visualization and Heat Transfer in Solar Hot Water Systems [9] Meeting Report, Annex 3, Analysis And Explanation Of Theconversion Factor For Solar Thermal Collectors [10] Duffie, J.A and Beckman, W.A (1991), Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley, New York [11] Nguyễn Công Vân (2005), Năng lượng mặt trời (Quá trình nhiệt ứng dụng), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [12] Hồng Đình Tín (2001), Truyền nhiệt & Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 47 ... dùng sử dụng máy nước nóng lượng mặt trời Nhưng phạm vi nước, việc ứng dụng hệ thống nước nóng lượng mặt trời ít, đặc biệt chưa có phần mềm tính tốn cho hệ thống nước nóng mặt trời loại thu ống chân. .. đạt cân lượng 41 Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đun nước nóng bằng Hình Mơ hình mơ dòng đối lưu tự nhiên nước ống chân không Sau hệ thống đạt cân bằng, ta có nhiệt lượng hữu ích nhiệt độ nước khỏi... tốn hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời sử dụng ống chân Sự truyền nhiệt xảy nước tuần hoàn tự nhiên ống nhận nhiệt xạ mặt trời, lên vào bình chứa Nước lạnh từ bình chứa chảy vào ống chỗ cho lượng