Nghiên cứu xác định công suất và hiệu suất của một hệ thống đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời bằng thực nghiệm - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm để xác định công suất và hiệu suất của một hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời đặt tại thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa..[r]

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 24

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐUN NƯỚC NÓNG

DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI BẰNG THỰC NGHIỆM

AN EXPERIMENTAL STUDY ON THERMAL POWER AND PERFORMANCE OF A SOLAR WATER HEATING SYSTEM

Nguyễn Quốc Uy

Trường Đại học Điện lực

Tóm tắt:

Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm để xác định công suất hiệu suất hệ thống đun nước nóng lượng mặt trời đặt thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hịa Mục đích nghiên cứu cung cấp cho người đọc số liệu đánh giá công suất hiệu suất thực địa mẫu thu lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không sử dụng Việt Nam Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất thực tế đo nhỏ so với kết công bố thu loại sở tham khảo định hướng cho tính tốn thiết kế tính tốn kiểm tra hệ thống thu tương tự

Từ khóa:

Bộ thu lượng mặt trời kiểu ống chân không, hiệu suất nhiệt

Abstract:

This article presents results of an experimental study on thermal power and performance of a solar water heating system located in Nha Trang City, Khanh Hoa Province The aim of this study is to provide data for evaluation of thermal power and performance of a glass vacuum tube solar collector in Vietnam The test results revealed that measured performances are smaller than the published results for the same class of collectors and will be reference bases for design and test calculations of similar systems

Keywords:

Evacuated tube solar collector, thermal performance

1 ĐẶT VẤN ĐỀ1

Ngày nhận bài: 12/08/2015; Ngày chấp nhận: 20/08/2015; Phản biện: PGS.TS Phạm Văn Trí.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 25

số nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời (NLMT) nguồn có triển vọng ngày khai thác sử dụng nhiều NLMT sử dụng để sản xuất điện để cung cấp nhiệt cho nhiều ứng dụng khác nhau, đun nước nóng ứng dụng phổ biến Việc đun nước nóng NLMT thực hệ thống thiết bị chuyên dụng mà hệ thống thu NLMT phận quan trọng Bộ thu NLMT thiết bị chuyển đổi xạ mặt trời thành nhiệt đun nước nóng lên, cung cấp cho nhu cầu sử dụng sinh hoạt dân dụng cho nhiều q trình cơng nghệ đặc thù Có nhiều kiểu thu NLMT sử dụng thực tế, phổ biến kiểu phẳng kiểu ống thủy tinh chân không Bộ thu kiểu ống thủy tinh chân không kiểu sử dụng phổ biến nhiều nước, đặc biệt Trung Quốc Việt Nam có nhiều ưu điểm kiểm chứng qua thực tiễn cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt, bảo trì, sửa chữa, đồng thời có giá thành hợp lý với hiệu sử dụng cao Khi tính tốn thiết kế tính tốn kiểm tra hiệu làm việc hệ thống thiết bị đun nước nóng NLMT việc xác định đặc tính thu cơng suất, hiệu suất yêu cầu bắt buộc Cho đến có nhiều nghiên cứu thu NLMT kiểu lý thuyết thực nghiệm nhiều tác giả nước

Ở nước, tác giả Nguyễn Quân [1] đề xuất phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu xác định thông số đặc trưng thu kiểu phẳng Tác giả Hà Đăng Trung [2] nghiên cứu thực

nghiệm hiệu thu NLMT kiểu hộp phẳng mỏng có cánh bên Việc chế tạo, thử nghiệm đánh giá hiệu suất thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không sử dụng ống nhiệt thực nhóm tác giả Hồng An Quốc cộng [3] Tác giả Lê Chí Hiệp cộng [4] đánh giá khả cấp nhiệt thu NLMT sử dụng ống nhiệt thông qua việc đánh giá hiệu suất thu thực nghiệm Nhóm tác giả Hoàng An Quốc cộng [5] xây dựng phần mềm để xác định hiệu suất thu NLMT kiểu ống thuỷ tinh chân không sử dụng ống nhiệt Tác giả Nguyễn Nguyên An [6] xây dựng hệ thống cung cấp nước nóng kết hợp thu NLMT bơm nhiệt để đáp ứng nhu cầu nước nóng cho hộ gia đình

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 26

Runsheng Tang cộng [11] nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng đến hiệu suất thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không đặt Vân Nam, Trung Quốc Tin-Tai Chow cộng [12] đánh giá hiệu suất hệ thống đun nước nóng NLMT kiểu ống thủy tinh chân khơng kiểu ống thủy tinh chân khơng có sử dụng ống nhiệt mô số thực nghiệm Hong Kong Kết cho thấy hiệu suất thu kiểu ống nhiệt cao chút thời gian thu hồi vốn Xinyu Zhang cộng [13] kiểm tra thực nghiệm hiệu suất 1000 hệ thống thiết bị đun nước nóng gia dụng NLMT kiểu ống thủy tinh chân không theo tiêu chuẩn Trung Quốc

Việc nghiên cứu đánh giá đặc tính thu NLMT công suất, hiệu suất nhiều tác giả quan tâm thực Các công ty sản xuất ống thủy tinh chân không công ty sản xuất thiết bị đun nước nóng NLMT, đưa sản phẩm thị trường thơng thường có cơng bố số đặc tính kỹ thuật chúng, có cơng suất, hiệu suất Tuy nhiên vấn đề đặt là: lắp đặt hệ thống thu NLMT cụ thể địa điểm định điều kiện Việt Nam (bao gồm điều kiện khí hậu điều kiện kỹ thuật kinh tế chất lượng ống thủy tinh nhập ngoại cung cấp thị trường, trình độ trang thiết bị chế tạo, lắp đặt, thiết bị đo đạc ) cơng suất, hiệu suất hệ thống nào, có sai khác nhiều so với công bố nhà

sản xuất hay khơng? Cơ sở giúp ích cho việc định hướng thiết kế chế tạo tính tốn kiểm tra hệ thống thiết bị thu vậy? Vì việc nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá cơng suất, hiệu suất hệ thống sử dụng thu NLMT kiểu ống thủy tinh chân không điều kiện nước ta để có số liệu thực tế định hướng cho việc thiết kế chế tạo hay thiết kế kiểm tra yêu cầu cần thiết

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Công suất nhiệt thu NLMT lượng hữu ích mà thu nhận giây Công suất nhiệt xác định hiệu xạ nhiệt mà thu hấp thụ tổng tổn thất nhiệt từ thu mơi trường (tính giây) Do nhiệt độ thu lớn nhiệt độ môi trường nên ln có truyền nhiệt đối lưu xạ từ thu môi trường xung quanh Vì vậy, tổng tổn thất nhiệt tính tích hệ số tổn thất nhiệt toàn phần thu với chênh lệch nhiệt độ trung bình bề mặt thu nhiệt độ mơi trường Do đó, cơng suất nhiệt thu xác định sau [7]:

m a

L C C

u A S A U t t

Q      

(1)

Trong công thức này, AC diện tích bề

mặt hấp thụ thu, S lượng xạ hấp thụ m2 mặt phẳng thu giây, UL hệ số tổn thất

nhiệt toàn phần thu, ta nhiệt độ

môi trường, tm nhiệt độ trung bình bề

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 27

khó đo khó xác định giải tích nên để thuận tiện hơn, người ta đưa hệ số nhận nhiệt FR tỉ số lượng

hữu ích thực thu lượng hữu ích cực đại đạt tồn bề mặt hấp thụ thu có nhiệt độ đồng nhiệt độ nước vào thu (tương đương với hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống):

 

 

 L fi a 

C fi fo p R t t U S A t t C m F         . (2)

Thay S GT  xác định công suất thu theo hệ số nhận nhiệt nhiệt độ nước vào:

   

 T L fi a 

R C

u A F G U t t

Q       

(3) Trong đó GT cường độ xạ tồn

phần tính mặt phẳng nghiêng lắp đặt thu, . tích số truyền - hấp thụ tia xạ, m lưu lượng khối lượng nước qua thu, Cp nhiệt

dung riêng nước, tfi tfo tương ứng

là nhiệt độ nước vào khỏi thu

Hiệu suất thu NLMT giống khái niệm hiệu suất nói chung, xác định tỉ số phần lượng hữu ích thu so với tổng lượng đưa đến thu:

T C u G A Q  

h (4)

Thay (3) vào (4), hiệu suất thu biểu diễn dạng khác:

  T a fi L R R G t t U F

F   

 

h . (5)

Như hiệu suất thu hàm số

biến độc lập 

       T a fi G t t

T* (còn

gọi chênh lệch nhiệt độ đơn vị) Ở chế độ ổn định, xem thành phần

  L

R U

F ,. , số hiệu suất hàm bậc điểm cắt trục tung tích số FR., đạt thu khơng có tổn thất nhiệt (nhiệt độ chất lỏng vào thu nhiệt độ môi trường), thành phần FRUL độ dốc đường hiệu suất Các đại lượng cịn gọi thơng số đặc trưng hay đặc tính thu Thực chất đại lượng số nên điểm thực nghiệm (giá trị hiệu suất tức thời) không nằm đường thẳng mà phân bố rải rác Khi coi hệ số tổn thất nhiệt toàn phần UL phụ thuộc

nhiệt độ theo quan hệ bậc ta biểu diễn hiệu suất theo hàm bậc hai T*:

 * 2

*

0 a T a GT  T

h

h (6) Để tính tốn hiệu suất theo cơng thức (6) cần xác định hệ số h0, a1, a2 Điều thực cách hồi quy điểm đo thực nghiệm hiệu suất tức thời đồ thị Các giá trị thực nghiệm hiệu suất tức thời tính theo công thức (7):

  T C fi fo p G A t t C m      

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 28

Trên sở công thức (7), thông qua thực nghiệm đo lưu lượng nước, nhiệt độ nước vào khỏi thu, tổng xạ mặt phẳng thu xác định công suất hiệu suất tức thời thu

Lưu ý tổng xạ GT mặt phẳng

thu đo trực tiếp được, để sử dụng cho tính tốn góc nghiêng khác nhau, chúng tơi đo mặt phẳng ngang Gg, sau dùng cơng thức

chuyển đổi [6], [7]:

r g d g b

g

T G R G R G R

G 0.7  0.3    (8)

Các hệ số chuyển đổi xạ xác định:

   

    

      

sin sin cos cos cos

sin sin

cos cos cos

   

      

b R

(9a)

2 cos 1 



d

R (9b)

2 cos

0   



r

R (9c)

Góc lệch xác định bằng:

  

  

 

  



365 360 284

sin 45

23 n

 (9d)

3 MÔ TẢ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

Hệ thống đun nước nóng NLMT nghiên cứu cấu thành từ 27 thu kiểu ống thủy tinh chân không loại công nghiệp, chia làm nhánh với số lượng thu nhánh tương ứng 18 Nước nóng từ hai nhánh đưa bình chứa tích 30 m3 Khi khơng có xạ mặt trời xạ mặt trời không đủ dùng kết hợp với bơm nhiệt để đun nước nóng Sơ đồ nguyên lý hệ thống bố trí thiết bị thể hình hình

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 29 Hình Sơ đồ bố trí thu hệ thống

Các đặc tính kỹ thuật hệ thống thu NLMT trình bày bảng

Bảng Thông số hệ thống thu NLMT

TT Thông số kỹ thuật Giá trị

1 Số lượng thu 27

2 Kiểu thu: kiểu xương cá

3 Số lượng ống thủy tinh chân không thu 50 Kích thước ống thủy tinh (đường kính trong/ngồi/chiều dài) 47/58/1800 mm

5 Góc nghiêng thu =20o

6 Góc vĩ độ lắp đặt thu =12o

Các đặc tính kỹ thuật thiết bị đo mô tả bảng

Bảng Đặc tính kỹ thuật thiết bị đo

TT Loại thiết bị Ký hiệu Phạm vi đo Sai số Chức

1 Đo nhiệt độ Pt100 ta 0÷100oC 0,5 Đo nhiệt độ môi trường

2 Đo nhiệt độ Pt100 tf(1÷11) 0÷100

o

C 0,5 Đo nhiệt độ nước Đo BXMT Gg 0÷1800W/m2 5% Đo cường độ BXMT

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 30

Các thiết bị đo kết nối với hệ thống tự ghi số liệu cho phép ghi nhận thay đổi thông số làm việc với tần suất 10s/lần Các số liệu sau ghi vào file Excel Trên sở xem xét, phân tích ưu nhược điểm kiểu hệ thống đo tự ghi số liệu, đến định sử dụng hệ thống dùng công nghệ AD converter Digital logger tích hợp PLC Các AD converter lựa chọn module mở rộng (Extension Module) có ký hiệu DVP-04AD dễ dàng tích hợp với module vi xử lý (Micro Processing Module) có ký hiệu DVP-14SS2, tất hãng Delta sản xuất Việc kết nối module thực hoàn toàn tự động thông qua BUS kết nối tiêu chuẩn hãng Delta thiết lập Trên sở kết nối này, module vi xử lý DVP-14SS2

vừa điều khiển toàn hệ thống vừa giám sát thay đổi tất kênh liệu Analog module mở rộng DVP-04AD cung cấp Ngoài việc trang bị module để đo xử lý số liệu nêu, hệ thống sử dụng hình cảm ứng HMI (model AS57-BSTD) có tích hợp chức tự động ghi tất số liệu đo phương tiện kỹ thuật số thông dụng thẻ nhớ SD hay USB

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Thông qua thực nghiệm, xác định công suất nhiệt hệ thống thu ứng với nhiều giá trị chênh lệch nhiệt độ đơn vị nhiều thời điểm đo khác tháng 3/2014 Các kết trình bày tóm tắt đồ thị hình

Hình Công suất nhiệt hệ thống thu

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.01 0.03 0.05 0.07 0.09

C

ôn

g s

uất

n

hiệt

[kW]