Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống phun sương làm mát tự động cho trang trại quy mô lớn sử dụng nguồn năng lượng mặt trời được xây dựng và kiểm chứng. Hệ thống tạo ra nguồn điện từ các tấm pin mặt trời và cấp nguồn cho động cơ bơm nước ba pha thông qua biến tần, đồng thời điện năng cũng được lưu trữ trong ắc quy để sử dụng khi không có ánh sáng mặt trời.
ISSN 2354-0575 MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHUN SƯƠNG LÀM MÁT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Lê Thị Thu Hương1, Trịnh Xuân Thắng2, Lê Quyết Thắng1 Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Yên Thọ, Đông Triều, Quảng Ninh Trung tâm GDNN-GDTX Đông Triều, Mạo Khê, Đơng Triều, Quảng Ninh Ngày tịa soạn nhận báo: 03/07/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 06/08/2018 Ngày báo duyệt đăng: 15/08/2018 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động cho trang trại quy mô lớn sử dụng nguồn lượng mặt trời xây dựng kiểm chứng Hệ thống tạo nguồn điện từ pin mặt trời cấp nguồn cho động bơm nước ba pha thông qua biến tần, đồng thời điện lưu trữ ắc quy để sử dụng khơng có ánh sáng mặt trời Kết thực nghiệm cho thấy mơ hình hệ thống giảm nhiệt độ tối đa khoảng 7.2oC thời gian khoảng 32 giây Từ khóa: Hệ thống phun sương; Năng lượng mặt trời; Biến tần; Ổn định áp suất Giới thiệu Từ Quốc hội ban hành Pháp lệnh Giống vật nuôi năm 2004 đến ngành chăn ni Việt Nam có thay đổi cách nhanh chóng, từ sản xuất chủ yếu tự cung, tự cấp sang sản xuất hàng hóa theo hướng cơng nghiệp, đại Sản lượng sản phẩm tăng trưởng gấp đôi thời gian từ năm 2005 đến năm 2016 Sản lượng thịt tăng từ 2,5-2,7 triệu lên 5,4 triệu Sữa tăng từ 100.000 lên đến 800.000 Tuy nhiên, ngành chăn ni Việt Nam nhìn chung cịn nhỏ lẻ, chăn ni quy mơ gia đình chiếm tỷ lệ cao từ 60-70% [1] Việt Nam có điều kiện khí hậu tương đối khắc nghiệt với mùa đông lạnh giá mùa hè oi Nhiệt độ cao vào mùa hè có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe vật ni đồng thời gây nên ô nhiễm môi trường Để giải vấn đề đó, hệ thống làm mát, khử mùi thường sử dụng hệ thống phun sương làm mát hệ thống có ưu điểm bật Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng thống thường điện lưới chủ yếu sử dụng điện xoay chiều pha, điều khiển đơn giản, phù hợp với trang trại nhỏ Đối với trang trại có nhu cầu cơng suất sử dụng lớn, việc điều khiển lượng phun sương, mở rộng giám sát, linh hoạt thay đổi yêu cầu làm mát (nhiệt độ đặt, độ ẩm…) theo thời điểm ngày năm khó thực Đặc biệt trang trại vừa lớn thông thường đặt khu vực xa dân cư, vài nơi chưa có điện lưới chi phí cho việc xây dựng hệ thống điện lớn Việt Nam xem quốc gia có tiềm lớn lượng mặt trời số nắng trung bình khoảng 2.000 – 2.500 giờ/năm, tổng lượng xạ mặt trời trung bình khoảng 150 Khoa học & Cơng nghệ - Số 19/Tháng - 2018 kcal/cm2/năm, với ước tính tiềm lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE (tấn dầu tương đương/năm) Cùng với sách khuyến khích việc sử dụng nguồn lượng mặt trời phủ, nhiều dự án điện mặt trời triển khai rộng khắp nước với tốc độ phát triển nhanh Do việc sử dụng nguồn lượng mặt trời cung cấp điện cho hệ thống phun sương làm mát có ý nghĩa thực tiễn cao Hệ thống phun sương làm mát thiết kế để mang tới thoải mái thời tiết nắng nóng lợi dụng đặc tính vật lý ưu việt nước Nước có khả hấp thụ nhiệt đặc biệt cao nhiệt ẩn bốc Khi nước phun áp suất cao thơng qua vịi đặc biệt vào khơng khí, hạt nước có kích thước 5-10 μm giải phóng xuất giống sương mù Sương mù phát vào khí hấp thụ lượng xung quanh (nhiệt) bốc loại bỏ nhiệt từ môi trường, làm giảm nhiệt độ Q trình gọi làm mát bay [2] A Atieh S A Shariff [2] thiết kế, chế tạo phân tích hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn lượng mặt trời trị giá 1500 USD với thời gian thu hồi vốn khoảng 30 tháng, thời gian sử dụng hệ thống lên đến hàng chục năm với nguồn lượng mặt trời vô tận H Esen O Tuna [3] đưa đánh giá hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn lượng mặt trời cho quán giải khát có diện tích 24 m2 Elazig, Thổ Nhĩ Kỳ trị giá 2480 USD với thời gian thu hồi vốn hệ thống 43 tháng Các hệ thống phun sương làm mát cho trang trại lớn vừa có u cầu cơng suất bơm tương đối lớn Do động bơm ba pha thường Journal of Science and Technology 29 ISSN 2354-0575 ưu tiên động bơm pha Để tiết kiệm điện đồng thời linh hoạt việc điều khiển hệ thống, biến tần công nghiệp ưu tiên sử dụng Nhóm tác giả đề xuất thiết kế, chế tạo chuyển đổi DC-AC làm trung gian để đưa điện áp từ ắc quy (được sạc từ dàn pin mặt trời) đến biến tần công nghiệp mà không cần sử dụng nguồn điện xoay chiều từ điện lưới Nguồn điện xoay chiều sử dụng để cấp nguồn cho tải xoay chiều pha Những kết đạt báogóp phần tích cực việc cung cấp kiến thức tổng quan cách chi tiết việc tạo nguồn điện độc lập sử dụng lượng mặt trời ứng dụng việc phun sương làm mát cho trang trại nuôi trồng với quy mô lớn vừa Đồng thời kiến thức đưa báo áp dụng lĩnh vực khác có liên quan đến nguồn lượng ứng dụng tự động hóa nơng nghiệp, chăn ni Xây dựng mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời 2.1 Chế tạo mơ hình, u cầu giải pháp Do sản phẩm báo mơ hình, nhằm mục đích kiểm nghiệm tính đắn phương án đề xuất nên để đơn giản, thiết bị phun sương lựa chọn theo tích hợp sẵn cơng ty cung cấp thiết bị phun sương làm mát Cụ thể: lựa chọn hệ thống phun sương gồm béc phun mã 3010, dây phun sương 8mm Ở diện tích phun sương cho mơ hình nhỏ, động bơm sử dụng động ba pha để không ý nghĩa phương thức điều khiển sử dụng cho trang trại lớn vừa Động ba pha công suất nhỏ sử dụng mơ hình báo quấn lại từ động bơm pha Hình Mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời Mơ hình hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn lượng mặt trời thiết kế báo phải đáp ứng yêu cầu sau: - Nguồn điện cung cấp cho hệ thống sử dụng nguồn lượng mặt trời - Hệ thống điều khiển phun sương tự 30 động theo nhiệt độ đặt trước Nhiệt độ thay đổi dễ dàng cách can thiệp vào chương trình điều khiển - Hệ thống ổn định áp suất đường ống theo áp suất đặt trước Khi thay đổi quy mô, diện tích phun sương thay đổi hệ thống Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 phun, béc phun thay đổi áp suất đặt cách can thiệp chương trình điều khiển - Hệ thống sử dụng động bơm ba pha để tạo áp lực đưa nước tới béc phun - Hệ thống tạo nguồn điện xoay chiều pha độc lập để phục vụ cho số yêu cầu khác Để đáp ứng yêu cầu mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời, giải pháp nhóm báo đề xuất sau: - Sử dụng pin mặt trời 100Wp để chuyển nguồn lượng mặt trời thành điện - Sử dụng bình ắc quy 100Ah kết hợp với điều khiển sạc để lưu trữ điện từ pin mặt trời - Sử dụng chuyển đổi DC-AC để chuyển điện áp 12VDC từ ắc quy lên thành điện áp 220VAC cung cấp cho thiết bị điện Đồng thời điện áp 220VAC từ chuyển đổi DC-AC cấp vào biến tần MM440 để điều khiển động bơm ba pha - Sử dụng cảm biến PT100 kết hợp với chuyển đổi để đo giá trị nhiệt độ môi trường - Sử dụng cảm biến áp suất có dải đo từ 0-10 bar, kết hợp với biến tần để điều khiển ổn định áp suất theo thuật toán PID - Bộ điều khiển sử dụng CPU 226 AC/DC/ RLY 2.2 Chương trình điều khiển Từ yêu cầu giải pháp trình bày phần 2.1, sơ đồ nguyên lý phần điều khiển cho hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời đề xuất Hình Hình Sơ đồ nguyên lý mạch phần điều khiển hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn lượng mặt trời Lưu đồ thuật tốn cho chương trình điều khiển cho PLC CPU 226/AC/DC/RLY thể Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Hình Journal of Science and Technology 31 ISSN 2354-0575 số điều kiện thời tiết Kết thực thời điểm nắng nóng vào tháng 4-5/2018 với điều kiện không sử dụng quạt làm mát đưa Bảng Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình Mơ hình thực tế hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời Bảng Kết kiểm tra mơ hình phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời Thời gian Nhiệt độ ban đầu (oC) Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình đo nhiệt độ (đã hiệu chỉnh theo hệ thống thực) Kết thảo luận Mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời thể Hình Mơ hình đưa thử nghiệm với 32 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 32.1 34.2 35.5 38.4 37.8 35.3 34.2 Thời gian đạt nhiệt độ < 30oC (s) 15s 20s 27s Đạt 31.2oC sau 32s Đạt 30.5oC sau 32s 27s 20s Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Từ Bảng 1, ta thấy nhiệt độ giảm xuống 30oC khoảng thời gian từ 15-20 giây Một vài trường hợp nhiều độ cao tầm 37.8oC hay 38.4oC sau khoảng thời gian tương đối dài nhiệt độ không đạt mức 30oC yêu cầu, nhiên nhiệt độ giảm xuống so với nhiệt độ ban đầu khoảng 7.2oC sau khoảng 32 giây Kết luận Nhóm tác giả thành công việc xây dựng kiểm nghiệm mô hình hệ thống phun sương làm mát tự động cho trang trại quy mô lớn vừa sử dụng nguồn lượng mặt trời với tính năng: tự động phun sương làm mát theo nhiệt độ đặt trước; ổn định áp suất đường ống theo giá trị đặt trước; động bơm sử dụng bơm ba pha điều khiển biến tần Nhiệt độ giảm lớn 7.2oC, thời gian để nhiệt độ đạt mức 30oC tương đối ngắn khoảng 15-30s Với kết vậy, phương án đề xuất việc kết hợp nguồn lượng mặt trời với hệ thống phun sương làm mát tự động phục vụ cho trang trại lớn có tính khả thi cao Tài liệu tham khảo [1].http://www.qdnd.vn/kinh-te/cac-van-de/de-chan-nuoi-thanh-nganh-san-xuat-hang-hoa-congnghiep-541474 [2] A Atieh, S A Shariff, Solar energy powering up aerial misting systems for cooling surroundings in Saudi Arabia Energy Conversion and Management 2013, 65, pp 670–674 [3] H Esen and O Tuna, Investigation of Photovoltaic Assisted Misting System Application for Arbor refreshment International Journal of Photoenergy, Volume 2015, Article ID 748219 MODEL OF AUTOMATIC SOLAR ASSISTED COOLER WITH MISTING SYSTEM Abstract: In this study, a model of automatic solar assisted cooler with misting system for the big farms, is established and verified The system generates required electricity with the solar photovoltaic modules to power pressurized water three phase pump through an inverter and stores it in a battery for use when there is no sunlight The experimental results show that the temperature can be reduced up to 7.2oC after about 32 seconds Keywords: Misting system; Solar; Inverter; Stable pressure Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology 33 ... Hình Mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời Mơ hình hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn lượng mặt trời thiết kế báo phải đáp ứng yêu cầu sau: - Nguồn điện... Bảng Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình Mơ hình thực tế hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng mặt trời Bảng Kết kiểm tra mơ hình phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn lượng. .. việc xây dựng kiểm nghiệm mơ hình hệ thống phun sương làm mát tự động cho trang trại quy mô lớn vừa sử dụng nguồn lượng mặt trời với tính năng: tự động phun sương làm mát theo nhiệt độ đặt trước;