Nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CÔNG NGHĨA PHONG CÔNG NGHĨA PHONG KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỤC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2018B HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CÔNG NGHĨA PHONG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HỒNG THỊ KIM DUNG HÀ NỘI - 2019 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Công Nghĩa Phong Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng gió đến pin lượng mặt trời Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC18012 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 12/09/2019 với nội dung sau: - Sửa lại thuyết minh theo mẫu tiêu chuẩn - Chỉnh sửa thuật ngữ, Việt hóa từ khóa hình vẽ Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2019 Tác giả luận văn PGS TS Hoàng Thị Kim Dung CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Vũ Đình Q Cơng Nghĩa Phong LỜI CAM ĐOAN Tôi – Công Nghĩa Phong, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa CLC2018B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS.TS Hồng Thị Kim Dung – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Cơng Nghĩa Phong MỤC LỤC TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iv KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii LỜI MỞ ĐẦU x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Khái quát việc sử dụng lượng tái tạo giới 1.2 Tổng quan lượng mặt trời 1.2.1 Giới thiệu lượng mặt trời 1.2.2 Ưu điểm nhược điểm lượng mặt trời 1.2.3 Tiềm phát triển lượng mặt trời Việt Nam 1.2.4 Ứng dụng lượng mặt trời 1.3 Tổng quan pin lượng mặt trời 1.3.1 Giới thiệu pin lượng mặt trời 1.3.2 Phân loại pin lượng mặt trời 1.3.3 Cấu tạo pin lượng mặt trời Silic 11 1.3.4 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời Silic 13 1.3.5 Ứng dụng pin lượng mặt trời 15 1.3.6 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến pin NLMT 16 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 19 2.1 Giới thiệu gió 19 2.2 Profile vận tốc gió 19 2.2.1 Profile vận tốc gió trung bình 20 2.2.2 Profile vận tốc gió giật 21 2.3 Tải trọng gió tác dụng lên hệ pin NLMT 22 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng gió đến hệ pin NLMT 25 2.4.1 Tốc độ gió 25 2.4.2 Hướng gió 27 ii 2.4.3 Góc đặt pin NLMT 27 2.4.4 Vị trí tương đối pin NLMT 29 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HẦM GIÓ 30 3.1 Mơ hình thực nghiệm hầm gió Ulsu 30 3.2 Mơ số ảnh hưởng gió đến pin NLMT hầm gió 31 3.2.1 Mơ số mơ hình 2D 31 3.2.2 Mô số mơ hình 3D 33 3.3 Đánh giá kết mô số 38 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MẶT ĐẤT 40 4.1 Mơ hình hệ pin lượng mặt trời mặt đất 40 4.2 Mơ CFD ảnh hưởng gió đến hệ pin NLMT 41 4.2.1 Miền tính tốn CFD 41 4.2.2 Sự hội tụ lưới tính tốn CFD 41 4.2.3 Điều kiện tính tốn 42 4.2.4 Kết mô số CFD 43 4.3 Kiểm bền hệ pin lượng mặt trời ảnh hưởng gió 53 4.3.1 Mơ hình lưới kết cấu 53 4.3.2 Điều kiện tính tốn 54 4.3.3 Kết kiểm bền hệ pin NLMT 54 4.4 Ảnh hưởng gió đến nhiệt độ pin lượng mặt trời 58 4.4.1 Mơ hình tải lượng mặt trời 58 4.4.2 Mơ hình xạ từ bề mặt đến bề mặt 61 4.4.3 Điều kiện tính tốn 62 4.4.4 Kết mô nhiệt độ bề mặt pin NLMT 63 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 𝑧 𝑧𝑟𝑒𝑓 𝑉(𝑧) 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑈𝑥 𝐺𝑣 𝑣𝑡 𝜅 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝛾 𝐹𝐷 𝐹𝐿 𝐶𝐷 𝐶𝐿 𝐶𝑓 𝐶𝑝 𝐶𝑛𝑠 𝐶𝑝 𝑅𝐷 𝑅𝐿 𝛼 𝛽 𝐸𝑑𝑛 𝐸𝑑 𝐸𝑟 𝜌𝑔 ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… Độ cao tính từ mặt đất Độ cao tham chiếu Vận tốc gió độ cao z Vận tốc gió độ cao zref Vận tốc gió ma sát Hệ số giật vận tốc gió Vận tốc gió giật Hằng số Von Karman Khối lượng riêng khơng khí Hằng số mũ phụ thuộc dạng địa hình Lực cản Lực nâng Hệ số lực cản Hệ số lực nâng Hệ số lực toàn phần Hệ số áp suất cục Hệ số áp suất bề mặt đón gió Hệ số áp suất bề mặt khuất gió Sai số lực cản mơ số so với thực nghiệm Sai số lực nâng mô số so với thực nghiệm Góc tới gió Góc đặt pin NLMT Bức xạ mặt trời trực tiếp Bức xạ mặt trời khuếch tán bề mặt Bức xạ mặt trời phản xạ mặt đất Hệ số phản xạ mặt đất KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT NLMT ………………………… Volume Of Fluid CFD ………………………… Computational Fluid Dynamics DSC ………………………… Dye – sensitized solar cell UDF ………………………… User-Defined Function iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Số liệu xạ mặt trời khu vực Việt Nam [3] Bảng 2.1 Giá trị số mũ 𝛼 dạng địa hình 21 Bảng 2.2 Góc đặt 𝛽 theo vĩ độ lắp cố định 28 Bảng 3.1 Kết thực nghiệm Ulsu 30 Bảng 3.2 Kết hội tụ lưới mơ hình 2D 32 Bảng 3.3 Kết mô số 2D 32 Bảng 3.4 Kết hội tụ lưới mơ hình 3D 34 Bảng 3.5 Kết mô số 3D 34 Bảng 4.1 Các thông số pin NLMT 40 Bảng 4.2 Điều kiện biên toán CFD 43 Bảng 4.3 Kết lực hệ số lực tốc độ gió thay đổi 44 Bảng 4.4 Phân bố áp suất vận tốc mặt XY tốc độ gió thay đổi 44 Bảng 4.5 Phân bố áp suất pin phân bố XZ tốc độ gió thay đổi 45 Bảng 4.6 Đường dòng vận tốc XY YZ tốc độ gió thay đổi 46 Bảng 4.7 Kết lực hệ số lực 𝛼 thay đổi 46 Bảng 4.8 Phân bố áp suất vận tốc XY 𝛼 thay đổi 47 Bảng 4.9 Phân bố áp suất pin phân bố mặt XZ 𝛼 thay đổi 48 Bảng 4.10 Đường dòng vận tốc XY YZ 𝛼 thay đổi 49 Bảng 4.11 Kết lực hệ số lực 𝛽 thay đổi 50 Bảng 4.12 Phân bố áp suất vận tốc XY 𝛽 thay đổi 51 Bảng 4.13 Đường dòng vận tốc XY YZ 𝛽 thay đổi 51 Bảng 4.14 Phân bố áp suất pin phân bố XZ 𝛽 thay đổi 52 Bảng 4.15 Sự hội tụ lưới kết cấu 53 Bảng 4.16 Thơng số vật liệu mơ hình kết cấu 54 Bảng 4.17 Kết kiểm bền tốc độ gió thay đổi 55 Bảng 4.18 Kết kiểm bền hướng gió thay đổi 56 Bảng 4.19 Kết kiểm bền góc đặt thay đổi 58 Bảng 4.20 Thông số vật liệu nhơm kính 62 v Bảng 4.21 Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT tốc độ gió thay đổi 64 Bảng 4.22 Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT 𝛼 thay đổi 65 Bảng 4.23 Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT 𝛽 thay đổi 65 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ xạ mặt trời quốc gia (globalsolaratlas.info) Hình 1.2 Thùng rác tự nén sử dụng NLMT Hình 1.3 Nhà máy điện mặt trời Ivanpah Hình 1.4 Hệ pin NLMT mái nhà Bộ Công Thương Hình 1.5 Bếp sử dụng NLMT Hình 1.6 Thiết bị làm nóng nước sử dụng NLMT Hình 1.7 Pin NLMT làm từ phân tử Silic Hình 1.8 Pin NLMT nhạy cảm với màu DSC 10 Hình 1.9 Pin NLMT dạng keo nước 11 Hình 1.10 Cấu tạo tế bào quang điện 12 Hình 1.11 Quy trình chế tạo pin NLMT 12 Hình 1.12 Cấu tạo pin NLMT 13 Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động pin NLMT 13 Hình 1.14 Trạm xe buýt sử dụng pin NLMT 15 Hình 1.15 Đèn đường chiếu sáng sử dụng pin NLMT 15 Hình 1.16 Xe ơ-tơ sử dụng NLMT hãng Sono Motors 16 Hình 1.17 Nhà máy quang điện Solar Star Mỹ 16 Hình 2.1 Lớp biên 20 Hình 2.2 Tấm pin NLMT bị phá hủy gió mạnh Đài Loan 22 Hình 2.3 Lực nâng lực cản tác dụng lên pin NLMT 23 Hình 2.4 Vị trí điểm đặt lực toàn phần tác dụng lên 24 Hình 2.5 Lược đồ tự khơng khí (a, c [26]); 24 Hình 2.6 Biểu đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam theo World Bank 26 Hình 2.7 Tốc độ gió theo % diện tích Việt Nam theo World Bank 26 Hình 2.8 Các trường hợp khảo sát hướng gió 𝛼 thay đổi 27 Hình 2.9 Góc đặt 𝛽 pin NLMT 28 Hình 3.1 Hầm gió METUWIND 31 Hình 3.2 Mơ hình mơ số 2D 31 vii Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất 4.3.3.2 Trường hợp hướng gió thay đổi Khi hướng gió thay đổi, biến dạng ứng suất tác dụng lên pin NLMT thay đổi khác Các trường hợp gió xiên 𝛼 = 45𝑜 135𝑜 cho kết ứng suất biến dạng lớn bảng 4.18 nêu Bảng 4.18 Kết kiểm bền hướng gió thay đổi Hướng gió Biến dạng lớn (mm) Ứng suất lớn ( MPa) Ứng suất nhỏ ( Pa) 0𝑜 0.186 0.672 3.212 45𝑜 0.861 1.047 1.693 90𝑜 0.093 0.059 0.240 135𝑜 1.363 1.267 0.246 180𝑜 0.449 0.632 0.473 Với trường hợp gió xiên 𝛼 = 45 𝑜 , pin bị biến dạng lớn mép pin chịu tác dụng gió hình 4.11 ứng suất lớn pin vị trí giá đỡ hình 4.12 Hình 4.11 Biến dạng pin 𝛼 = 45𝑜 Hình 4.12 Ứng suất tác dụng lên pin 𝛼 = 45𝑜 56 Chương Mơ số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất Với trường hợp gió xiên ngược 𝛼 = 135𝑜 , pin bị cong lên hình 4.13 ứng suất lớn pin vị trí giá đỡ hình 4.14 Hình 4.13 Biến dạng pin 𝛼 = 135𝑜 Hình 4.14 Ứng suất tác dụng lên pin 𝛼 = 135𝑜 Với trường hợp gió thổi ngược 𝛼 = 180𝑜 , pin bị cong lên hai mép cao hình 4.15 ứng suất lớn pin vị trí giá đỡ hình 4.16 Hình 4.15 Biến dạng pin 𝛼 = 180𝑜 Hình 4.16 Ứng suất tác dụng lên pin 𝛼 = 180𝑜 57 Chương Mơ số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất 4.3.3.3 Trường hợp góc đặt thay đổi Ta thấy gió thổi diện góc đặt pin thay đổi biến dạng pin thay đổi không đáng kể Tuy nhiên, góc đặt tăng từ 5𝑜 lên 20𝑜 ứng suất lớn tác dụng lên pin tăng lên đáng kể, sau tiếp tục tăng góc đặt ứng xuất khơng tăng thêm nhiều Biến dạng lớn xảy mép pin ứng suất lớn vị trí khung nhơm liên kết với chân đế Trong trường hợp này, pin bị cong xuống ứng suất tác dụng lên pin chưa đủ để kết cấu bị phá hủy Bảng 4.19 Kết kiểm bền góc đặt thay đổi Góc đặt Biến dạng lớn (mm) Ứng suất lớn (MPa) Ứng suất nhỏ ( Pa) 5𝑜 0.123 0.290 0.84207 10𝑜 0.200 0.524 0.59557 15𝑜 0.192 0.620 1.8123 20𝑜 0.186 0.672 3.2121 25𝑜 0.162 0.682 3.8029 30𝑜 0.173 0.686 3.1059 4.4 Ảnh hưởng gió đến nhiệt độ pin lượng mặt trời 4.4.1 Mơ hình tải lượng mặt trời ANSYS Fluent cung cấp mơ hình tải NLMT sử dụng để tính tốn hiệu ứng xạ từ tia mặt trời vào miền tính tốn Hai tùy chọn có sẵn cho mơ hình: Solar Ray Tracing DO irradiation Solar Ray Tracing phương pháp hiệu thiết thực để áp dụng tải NLMT làm nguồn nhiệt phương trình lượng Do vậy, mơ hình tải NLMT với thuật dò tia Solar Ray Tracing sử dụng Thuật tốn dị tia NLMT Solar Ray Tracing sử dụng để dự đoán nguồn lượng trực tiếp phát sinh từ xạ mặt trời tới Nó lấy chùm tia mơ hình 58 Chương Mơ số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất hóa cách sử dụng vector vị trí mặt trời tham số chiếu sáng, áp dụng cho đối tượng miền tính tốn Tuy nhiên, mơ hình Solar Ray Tracing thiết lập cho vùng biên tiếp giáp với vùng chất lưu miền tính tốn Do đó, vùng biên gắn vào miền rắn coi suốt khơng tính đến thuật tốn mơ hình Solar Ray Tracing Hình 4.17 Mơ hình tải NLMT Vector hướng mặt trời vector hướng nhìn phía mặt trời từ miền tính tốn Ta nhập thành phần vector (X, Y, Z) thông lượng chiếu xạ mặt trời trực tiếp khuếch tán hộp thoại Mơ hình xạ mặt trời ta thu thơng số từ mơ hình tính tốn NLMT (Solar Calculator) Hình 4.18 Mơ hình tính tốn NLMT Với mơ hình tính tốn NLMT, phương trình xạ trực tiếp bình thường áp dụng cho điều kiện thời tiết đẹp, mây che phủ (trời quang) lấy từ sổ tay ASHRAE: 𝐸𝑑𝑛 = 𝐴 𝐵 𝑒 sin(𝜃) 59 (4.1) Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất Với A B xạ mặt trời biểu kiến khối lượng khơng khí m=0 hệ số tắt khí Những giá trị dựa bề mặt Trái đất vào ngày đẹp trời 𝜃 độ cao mặt trời (tính độ) so với phương ngang Tính tốn cho tải khuếch tán mơ hình mặt trời dựa cách tiếp cận đề xuất sổ tay ASHRAE năm 2001 (Chương 20, Fenestration) Phương trình chiếu xạ mặt trời khuếch tán bề mặt thẳng đứng cho bởi: 𝐸𝑑 = 𝐶𝑌𝐸𝑑𝑛 (4.2) Trong C số có giá trị đưa Bảng Chương 30 Sổ tay ASHRAE 2001, Y tỉ lệ xạ khuếch tán bầu trời bề mặt thẳng đứng so với bề mặt ngang (được tính hàm góc tới) 𝐸𝑑𝑛 chiếu xạ trực tiếp bình thường bề mặt trái đất vào ngày trời quang Phương trình chiếu xạ mặt trời khuếch tán cho bề mặt bề mặt thẳng đứng cho bởi: 𝐸𝑑 = 𝐶𝐸𝑑𝑛 (1 + 𝑐𝑜𝑠𝛽 ) (4.3) Với 𝛽 góc đặt bề mặt (tính độ) so với mặt phẳng ngang Phương trình chiếu xạ mặt trời phản xạ mặt đất cho bởi: 𝐸𝑟 = 𝐸𝑑𝑛 (𝐶 + 𝑠𝑖𝑛𝜃)𝜌𝑔 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛽) (4.4) 𝜌𝑔 hệ số phản xạ mặt đất Độ phản xạ mặt đất sử dụng để tính tốn thành phần xạ khuếch tán phản xạ khỏi mặt đất Tổng xạ khuếch tán bề mặt tổng 𝐸𝑑 𝐸𝑟 xạ mặt trời khuếch tán tính từ mơ hình Solar Calculator Mơ hình Solar Ray Tracing cho phép thiết lập hiệu ứng chiếu sáng mặt trời trực tiếp xạ mặt trời khuếch tán Tuy nhiên, lưu ý rằng, mơ hình Solar Ray Tracing khơng phải mơ hình xạ bề mặt, khơng xử lý phát xạ từ bề mặt Nếu phát xạ 60 Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất bề mặt yếu tố quan trọng tốn ta xem xét triển khai mơ hình xạ kết hợp với mơ hình Solar Ray Tracing Đối với tốn mơ ảnh hưởng gió đến nhiệt độ pin NLMT, ta phải sử dụng kết hợp mơ hình Solar Ray Tracing mơ hình xạ bề mặt đề cập cụ thể phần 4.4.2 4.4.2 Mơ hình xạ từ bề mặt đến bề mặt Như trình bày trên, ta cần kết hợp thêm mơ hình xạ bề mặt ANSYS Fluent cung cấp sáu mơ hình xạ:  Mơ hình xạ chuyển giao rời rạc (DTRM)  Mơ hình xạ P-1  Mơ hình xạ Rosseland  Mơ hình xạ từ bề mặt đến bề mặt (S2S)  Mơ hình xạ rời rạc (DO)  Mơ hình xạ Monte Carlo (TM) Mơ hình xạ bề mặt (S2S) phù hợp để mơ hình hóa thiết bị truyền xạ (ví dụ: hệ thống loại bỏ nhiệt tàu vũ trụ, hệ thống thu NLMT hệ thống làm mát ô-tô) So với mơ hình xạ DTRM DO, mơ hình S2S có thời gian lặp nhanh nhiều, thân việc tính tốn tốn CPU Hình 4.19 Mơ hình truyền nhiệt xạ từ bề mặt đến bề mặt 61 Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất 4.4.3 Điều kiện tính tốn Mơ hình tải NLMT Solar Load sử dụng kết hợp với mơ hình xạ từ bề mặt đến bề mặt S2S Mô hình Solar Load thiết lập với tọa độ vị trí lắp đặt Hà Nội 21.01𝑜 vĩ độ Bắc 105.48𝑜 kinh độ Đông vào thời điểm 12h ngày 21/06 với trời quang khơng mây che phủ Từ đó, ta thu xạ mặt trời tác dụng lên mơ hình tính tốn là:  Direct Normal Solar Irradiation (at Earth's surface) [𝑊/𝑚2 ]: 886.173  Diffuse Solar Irradiation - vertical surface: [𝑊/𝑚2 ]: 67.5777  Diffuse Solar Irradiation - horizontal surface [𝑊/𝑚2 ]: 118.747  Ground Reflected Solar Irradiation - vertical surface [𝑊/𝑚2 ]: 100.412 Trong toán này, độ phản xạ mặt đất đặt 0.2 Bài toán liên quan đến đối lưu tự nhiên, gia tốc trọng trường 𝑔 = 9.81 𝑚/𝑠 thiết lập với khối lượng riêng không khí theo xấp xỉ boussinesq 𝜌𝑎𝑖𝑟 = 1.146 𝑘𝑔/𝑚3 nhiệt độ 35𝑜 𝐶 áp suất 1atm Vận tốc gió hàm số mũ biến đổi theo độ cao Để đơn giản hóa, pin NLMT coi kính giá đỡ làm nhôm với thông số bảng 4.20 Bảng 4.20 Thơng số vật liệu nhơm kính Thơng số Kính Nhôm Density (𝑘𝑔/𝑚3 ) 3000 2707 Specific Heat (𝐽/𝑘𝑔 𝐾) 500 996 Thermal Conductivity 𝑊/𝑚 𝐾) 1.8 204 Sự đối lưu cưỡng mơ hình hóa dựa định luật làm mát Newton, hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng cho [4]: 𝑄 = ℎ × 𝐴 × (𝑇𝑆 − 𝑇𝑓 ) (4.5) ℎ = 5.7 + 3.8𝑣 (4.6) 62 Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất Trong Q (W) nhiệt truyền đối lưu, ℎ (𝑊/𝑚2 ℃) hệ số truyền nhiệt đối lưu, 𝐴 (𝑚2 ) diện tích tiếp xúc, 𝑇𝑠 nhiệt độ bề mặt, 𝑇𝑓 nhiệt độ chất lưu 𝑣 (𝑚/𝑠) vận tốc gió Hình 4.20 Bức xạ mặt trời tác dụng lên pin mặt đất Bài toán mơ hội tụ nhiệt độ trung bình pin NLMT hội tụ hình 4.21 sau 800 vịng lặp Hình 4.21 Sự hội tụ nhiệt độ bề mặt pin NLMT 4.4.4 Kết mô nhiệt độ bề mặt pin NLMT Với trường hợp tốc độ gió thay đổi, ta thu phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT bảng 4.21 Ta thấy mép pin có nhiệt độ nhỏ so với bề mặt (hình 4.22) Bên cạnh nhiệt độ mặt pin cao mặt nhận xạ nhiệt từ mặt trời 63 Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất Bảng 4.21 Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT tốc độ gió thay đổi Tốc độ gió m/s m/s m/s 12 m/s 15m/s Mặt Mặt Giá trị nhiệt độ lớn nhất, thấp trung bình bề mặt pin NLMT theo trường hợp tốc độ gió thay đổi thể hình 4.23 Ta thấy nhiệt độ pin NLMT giảm tốc gió tăng lên Tấm pin NLMT hoạt động tốt nhiệt độ thử nghiệm 25𝑜 𝐶, ℃ tăng lên nhiệt độ pin phần lượng bị hoa hụt Do đó, với điều kiện tính tốn với tốc độ gió 15 m/s thu lượng lớn Hình 4.22 Phân bố nhiệt độ mép pin NLMT 64 Chương Mơ số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất Bảng 4.22 Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT 𝛼 thay đổi Hướng gió 𝟎𝒐 𝟒𝟓𝒐 𝟗𝟎𝒐 𝟏𝟒𝟓𝒐 𝟏𝟖𝟎𝒐 Mặt Mặt Bảng 4.23 Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT 𝛽 thay đổi Góc đặt 𝟓𝒐 𝟏𝟎𝒐 𝟏𝟓𝒐 Mặt Mặt 65 𝟐𝟎𝒐 𝟐𝟓𝒐 Chương Mô số ảnh hưởng gió đến pin NLMT mặt đất Bảng 4.22 4.23 thể phân bố nhiệt độ bề mặt bề mặt pin NLMT hướng gió thay đổi góc đặt thay đổi Ta thấy mép pin theo hướng gió có nhiệt độ thấp so với vị trí cịn lại Nhiệt độ bề mặt pin NLMT giảm nhẹ góc đặt pin tăng lên Qua hình 4.24 4.25, ta thấy hướng gió thay đổi góc đặt thay đổi nhiệt độ bề mặt pin khơng thay đổi nhiều không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất pin NLMT Ta kết luận tốc độ gió lớn nhiệt độ bề mặt pin NLMT giảm dẫn đến hiệu suất làm việc tăng lên Hình 4.23 Giá trị nhiệt độ bề mặt pin v thay đổi Hình 4.24 Giá trị nhiệt độ bề mặt pin 𝛼 thay đổi Hình 4.25 Giá trị nhiệt độ bề mặt pin 𝛽 thay đổi 66 KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu thực luận văn, nhận thấy pin lượng mặt trời thiết bị biến đổi lượng mặt trời thành điện hữu ích Hiện ứng dụng rộng rãi giới tiềm phát triển Việt Nam lớn Quá trình hoạt động pin lượng mặt trời bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như: cường độ ánh sáng, góc chiếu sáng, độ ẩm, bụi, … gió Tuy nhiên, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng yếu tố chưa nhiều đủ Luận văn đánh giá ảnh hưởng gió đến pin lượng mặt trời qua ba yếu tố thay đổi tốc độ gió, hướng gió góc đặt pin phương pháp mô số Phương pháp mơ số dịng chảy CFD kiểm chứng độ xác qua việc so sánh với kết thực nghiệm hầm gió Giá trị lực nâng, lực cản tác dụng lên pin tăng lên 𝑛2 lần tốc độ gió tăng lên n lần hồn tồn phù hợp với lý thuyết Tấm pin hệ giá đỡ kiểm chứng độ bền tác dụng gió kết cấu hệ thống hồn tồn đảm bảo với trường hợp tốc độ gió khảo sát lớn hướng gió, góc đặt thay đổi Gió khơng ảnh hưởng đến khí động kết cấu hệ pin NLMT, cịn ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ bề mặt pin, qua ảnh hưởng đến hiệu suất tạo lượng Khi tốc độ gió tăng lên nhiệt độ bề mặt pin giảm, làm tăng hiệu suất pin Qua đó, ta thấy việc làm mát cho pin NLMT quan trọng Luận văn hạn chế việc đơn giản hóa tốn điều kiện pin vật liệu kính đồng thực tế cấu tạo nhiều lớp với vật liệu khác Hướng nghiên cứu để phát triển luận văn xây dựng mơ hình chi tiết lớp pin NLMT, đánh giá ảnh hưởng gió chi tiết qua mặt cắt lớp pin NLMT 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời – Lý thuyết ứng dụng, NXB Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2008 [2] Lý Ngọc Thắng, Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí mặt trời nhằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị dùng lượng mặt trời, viện lượng, cơng thương, 2013 [3] Tạp chí lượng Việt Nam, 2012 [4] A K Rasaq, R A Baba, Idris, Assessment of wind resource for possibility of small wind turbine installation in Ilorin, Nigeria, KKU Engineering Journal, 2015 [5] Ayodeji Abiola-Ogedengbe and (2013), Experimental investigation of wind effect on solar panels, Master thesis in Engineering Science, The University of Western Ontario [6] ASCE (2010) Minimum design loads for buildings and other structures, ASCE standard, ASCE standard ASCE Publications [7] C Cornaro, A Andreotti, and (2013), Influence of Average Photon Energy index on solar irradiance characteristics and outdoor performance of photovoltaic modules , Prog Photovoltaics Res Appl., vol 21, pp 996–1003 [8] Chung, K., Chang, K., & Liu, Y (2008) Reduction of wind uplift of a solar collector model Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96(8), 1294-1306 [9] C Monokroussos, M Bliss, Y N Qiu, C J Hibberd, T R Betts, A N Tiwari, and (2011), Effects of spectrum on the power rating of amorphous silicon photovoltaic devices , Prog Photovoltaics Res Appl., vol 19, pp 640-8 [10] E Martinot and (2012), Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Cambridge University Press, pp 1-1088 68 [11] Emil Simiu & Robert Scanlan, Wind Effects On Structures, Third Edition, John Wiley and Sons, 1996 [12] E Skoplaki, J A Palyvos, (2009), Operating temperature of photovoltaic modules: A survey of pertinent correlations, Renew Energy, vol 34, pp 23–29 [13] Eurocode-1 and (2006), Actions on Structures General Actions.Part 1-4: Wind Actions SR EN 1991-1-4/2006 [14] G T Bitsuamlak, A K Dagnew, J Erwin, and (2010), Evaluation of Wind Loads on Solar Panel Modules Using CFD, Fifth Internat Symp.on Comput Wind Engineering (CWE2010), Chapel Hill, North California, USA, May 23-27 [15] H A A Kazem, M T T Chaichan, and (2012), Effect of Humidity on the PV Performance in Oman, Asian Trans Eng., vol 2(4), pp 29-32 [16] H Jiang, L Lu, K Sun, and (2011), Experimental investigation of the impact of airborne dust deposition on the performance of solar photovoltaic (PV) modules , Atmos Env 2011, vol 45, pp 4299-304 [17] Holmes, J.D, Wind Loading on Structures 2nd Edition, London, U.K, 2007 [18] IEC60904-3, Photovoltaic devices - Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data, International Electrotechnical Commission, Geneva, Switzerland, 2008 [19] J C C Fan and (1986), Theoretical temperature dependence of solar cell parameters, Sol Cells, vol 17, pp 309–315 [20] J Nelson and (2003), The Physics of Solar Cells, Imp Coll Press [21] K Akhmad, A Kitamura, and (1997), Outdoor performance of amorphous silicon and polycrystalline silicon PV modules, Sol Energ Mat Sol Cells, vol, vol 46, pp 209–18 [22] Kopp, G A., Surry, D., & Chen, K (2002) Wind loads on a solar array Wind and Structures, an International Journal, 5(5), 393-406 69 [23] Mateus Neto, Studying the influence of Angola’s tropical climatic conditions on the operational efficiency of silicon photovoltaic solar cells and finding technological solutions to enhance their performance, Hanoi University of science and technology, 2018 [24] M J Adinoyi, S S A M., and (2013), Effect of dust accumulation on the power outputs of solar photovoltaic modules, Renew Energy, vol 60, pp 633–6 [25] M K Panjwani, B NarejoG, and (2014), Effect of humidity on the efficiency of solar cell (photovoltaic), Int J Eng Res Gen Sci., vol 2(4) [26] Radu A., Axinte E., and (1989), Wind Forces on Structures Supporting Solar Collectors, J Wind Engng A Ind Aerodyn 32, 89, 93-100 [27] Shademan, M., & Hangan, H (2009) Wind loading on solar panels at different inclination angles 11th American Conference on Wind Engineering [28] Structural Engineering Institute (2006) Minimum design loads for buildings and other structures (Vol 7, No 5) American Society of Civil Engineers (ASCE) [29] Theodore Stathopoulos, 2007, Introduction to Wind Engineering, Wind Structure, Wind-Building Interaction Wind Effects on Buildings and Design of Wind-Sensitive Structures, CISM International Centre for Mechanical Sciences Volume 493, pp 1-30 [30] T Ishii, K Otani, T Takashima, Y Q Xue, and (2013), Solar spectral influence on the performance of photovoltaic (PV) modules under fine weather and cloudy weather conditions, Prog Photovoltaics Res Appl, vol 21, pp 481–9 [31] V.E Uslu, Computational fluid dynamic analysis of wind loads acting on ground mounted solar panels, Master thesis, Middle East Technical University [32] Y S Khoo, J P Singh, T M Walsh, A G Aberle, and (2014), Comparison of angular reflectance losses between PV modules with planar and textured glass under Singapore outdoor conditions, IEEE J Photovolt., vol 4, pp 362–7 70 ... lượng gió thơng thường lớn Do đó, luận văn tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ảnh hưởng gió đến pin NLMT 18 Chương Ảnh hưởng gió đến pin NLMT CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI... CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MẶT ĐẤT 40 4.1 Mơ hình hệ pin lượng mặt trời mặt đất 40 4.2 Mô CFD ảnh hưởng gió đến hệ pin NLMT 41 4.2.1... gió đến hệ pin NLMT như: tốc độ gió, hướng gió, … Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng gió đến pin NLMT Bên cạnh đó, lượng mặt trời kèm với lượng gió, nơi lượng mặt trời lớn lượng