2.1.3.1 Mô tả hệ thống thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý bộ thu không khí năng lượng mặt trời vớ các cánh sóng dọc bên trong như hình 2.3. Mặt cắt ngang của bộ thu như hình 2.4. Hệ thống được lắp đặt tại trường Trường Cao Đẳng Nghề Hòa Bình Xuân Lộc, Tỉnh Đồng Nai để thực hiện thí nghiệm.
Bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc được thiết kế với kích thước tổng cộng 1000mm x 2000mm x 120mm [19]. Tấm hấp thụ nhiệt phía dưới được phủ một lớp sơn đen mờ hấp thụ nhiệt với tỷ lệ hấp thụ bức xạ mặt trời lên đến 0,97 (± 0,02). Bảo vệ lớp biên và đáy của bộ thu sử dụng tấm bông khoáng (Rockwool) dày 30mm để cách nhiệt hiệu quả. Tấm phủ trên cùng sử dụng kính đơn 5 mm. Bên trong gắn 7 cánh sóng dọc với chiều dài 1602mm, 9 gợn sóng, chiều dài cung sóng 210.40mm, bước sóng 178mm. Cánh được làm bằng tấm nhôm mỏng sơn đen nhằm hấp thụ nhiệt và tăng khả năng trao đổi nhiệt với không khí và phân phối không khí nhằm tận dụng tối đa diện tích trao đổi nhiệt giữa không khí và tấm hấp thụ. Thiết bị đo bao gồm: Điều chỉnh lưu lượng không khí bằng thiết bị dimer 220V-1000W. Đầu vào không khí sử dụng quạt hướng trục có thông số công suất 22W, lưu lượng không khí 161.41m3/h được điều chỉnh bằng dimer để thay đổi lưu lượng.
Nguyên lý hoạt động của bộ thu không khí năng lượng mặt trời với các cánh sóng dọc bên trọng: khi quạt hướng trục hoạt động, không khí được hút từ môi trường bên ngoài vào bộ gom không khí để phân bố lưu lượng không khí đồng đều đến các kênh dẫn không khí rồi thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, không khí nhận nhiệt có nhiệt độ tăng dần đến nhiệt độ yêu cầu trước khi ra khỏi bộ thu.
28
1-Kênh dẫn không khí; 2-Quạt cấp; 3-Không khí đầu vào; 4-Lớp cách nhiệt; 5-Bộ gom không khí; 6-Cánh sóng dọc;7-Không khí đầu ra.Tin,Tout-Nhiệt độ không khí đầu vào và đầu ra.T1,T2 ,T3,T4,T5-Vị trí đo nhiệt độ không khí tại các điểm trong mỗi kênh.
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý bộ thu không khí năng lượng mặt trời với các cánh sóng dọc bên trong.
Hình 2.4 Mặt cắt ngang của bộ thu không khí năng lượng mặt trời với các cánh sóng dọc bên trong.
29
Trong nghiên cứu này, tấm kính có các thông số: kích thước: 1000mmx2000mm, bề dày: 5 mm. Vật liệu: thủy tinh trong suốt, các thông số vật liệu: hệ số hấp thụ 𝛼k = 0,12, hệ số phản xạ 𝜌k = 0,08, hệ số xuyên qua 𝜏k = 0.8, hệ số phát xạ 𝜀k =0.96, chiết xuất thủy tinh: n = 1.526.
Tấm hấp thụ có kích thước: 900mm x 1900 mm x 0.3mm. Vật liệu: nhôm chất hấp thụ: sơn đen mờ kết hợp bột kim loại. Hệ số hấp thụ: 𝜀 = 0,97, hệ số phát xạ: 𝜀c= 0,1,hệ số dẫn nhiệt là 165 (W/m.K)
Cánh sóng dọc có kích thước: chiều dài 1602mm, chiều cao 43mm, chiều dày 0.3mm, vật liệu là nhôm. Chất hấp thụ: sơn đen mờ, hệ số hấp thụ: 𝜀 = 0,97, hệ số phát xạ: 𝜀c = 0,1, hệ số dẫn nhiệt 𝜆 =165 (W/ m.K).
Lớp cách nhiệtcó kích thước: 1000mmx2000mm.Bề dày: 50mm,vật liệu là bông khoáng,hệ số dẫn nhiệt 0.034 (W/m.K).
Hình 2.5Thông số kích thước lượn sóng
30
Hình 2.6 Gia công cánh sóng dọc
31
Hình 2.8 Bộ thu không khí sau khi chế tạo và lắp đặt
2.1.3.2 Thiết bị đo dùng cho thí nghiệm
Thiết bị đo bức xạ mặt trời: Máy đo bức xạ Mặt Trời Tenmars TM-750. Thông Số Kỹ Thuật:
-Thang đo: 4000W /m2, 634Btu / (ft2 * h) -Độ phân giải: 1W / m2, 1Btu / (ft2 * h) -Độ chính xác: ±5%.
32
Máy đo vận tốc gió: Máy đo vận tốc gió HT-81.Công dụng: đo nhiệt độ không khí trung bình, đo tốc độ gió, mô phỏng phản ứngcủa gió. Thông Số Kỹ Thuật:
-Dải đo gió: 196 - 4900 ft/min, 1.00 - 25.00 m/s, 3.6 - 90.0 km/h -Độ chính xác: ± (3% 40 ft/min), ± (3% 0,20 m/s), ± (3% 0,8 km/h) -Xuất xứ: Taiwan Total Meter
-Phương pháp đo: Đặt máy đo ngay trước đầu thổi của quạt, chong chóng của máy đo hướng về phía quạt thổi, song song với hướng gió.
Hình 2.10 Máy đo tốc độ gió
Thiết bị đo nhiệt độ: Máy đo nhiệt độ AmPe kìm VC3267
Công dụng: Đo dòng, trở, nhiệt độ, tần số, điện dung, đo nhiệt độ với dây K nhiệt tích hợp đi kèm.
-Xuất xứ: China
-Kích thước: 183mm x 66mm x 35mm
-Phương pháp đo: Sử dụng que đo cắm vào 2 chân đo của Ampe kìm theo đúng cực (-) và cực (+). Đặt đầu dò que đo vào vị trí cần đo đến khi số hiển thị trên màn hình ổn định. Đối với đo nhiệt độ kính thì dùng thêm keo tản nhiệt để độ tiếp xúc tốt hơn.
33
Hình 2.11 Máy đo nhiệt độ
Quạt hướng trục: Kích thước: 80mmx80mm, công suất 22W, lưu lượng không khí 161.41 m3/h.Điều chỉnh vận tốc, lưu lượng bằng Dimmer dimer 220V-1000W
Hình 2.12Quạt hướng trục lắp ở đầu vào bộ thu
2.1.3.3 Phương pháp thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, thời gian thí nghiệm được thực hiện từ 7h00 đến 17h00. Lưu lượng không khí qua bộ thu cánh sóng dọc bên trong được điều chỉnh nằm trong phạm vi 0.01kg/s đến 0.04kg/s. Trong thí nghiệm này, bức xạ năng lượng mặt trời chiếu đến bộ thu được xác định bằng máy đo bức xạ TM-750 sai số ±5%. Lưu lượng không khí qua bộ
34
thu thay đổi nhờ bộ điều chỉnh 220V-1000W và quạt hướng trục có thông số công suất 22W, lưu lượng không khí 161.41 m3/h, tốc độ và lưu lượng không khí qua bộ thu được xác định bằng máy đo vận tốc gió HT-81 sai số ± (3% - 0,20 m/s), nhiệt độ không khí đầu vào và đầu ra, nhiệt độ các kênh dẫn không khí, nhiệt độ tấm hấp thụ và nhiệt độ môi trường xung quanh được xác định bằng AmPe kìm VC3267 sai số ±1.0%. Thông số đo được ghi nhận trong khoảng thời gian 5 phút/lần, được ghi lại và lưu bằng phần mềm Excel để phục vụ cho tính toán phân tích.
35
2.2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
Trong nghiên cứu này, các tính chất nhiệt động của bộ thu được sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để đánh giá so sánh giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm.
Hình 2.13 Mô phỏngảnh hưởng của kích thước hình học sóng cánh đến phân bố dòng không khí
Hình 2.13 thể hiện kết quả mô phỏng sự ảnh hưởng của kích thước sóng đến phân bố dòng không khí bên trong bộ thu tấm phẳng năng lượng mặt trời. Các dạng dòng chảy trong bộ thu ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ đáng kể. Khi tăng kích thước chiều dài cung cánh thì dòng khí hình thành các xoáy khí được thể hiện ở hình 2.13.
36
Hình 2.14 thể hiện sự phân bố nhiệt độ dòng khí của bộ thu tấm phẳng khi có cánh sóng dọc bên trong. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi dòng khí ở đầu vào bộ thu có nhiệt độ thấp, càng đi lên phía trên nhiệt độ dòng khí tăng dần do dòng khí tiếp tục nhận nhiệt từ bộ thu cũng như từ chính các cánh sóng dọc.
Hình 2.15 Ảnh hưởng của cưởng độ bức xạ năng lượng mặt trời đến nhiệt độ đầu ra của bộ thu.
Hình 2.15 trình bày mối quan hệ giữa cường độ bức xạ và nhiệt độ đầu ra của bộ thu. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy rằng nhiệt độ của dòng không khí tăng dần từ khoảng 40 oC vào lúc bắt đầu thí nghiệm đến nhiệt độ cao nhất 80 oC lúc 12h30 sau đó giảm dần vào buổi chiều. Điều này là do buổi sáng cường độ bức xạ mặt trời tăng dần dẫn đến tăng nhiệt độ tấm hấp thụ trong khi buổi chiều nhiệt độ tấm hấp thụ giảm dần do cường độ bức xạ giảm. Sự sai số giưa thực nghiệm và mô phỏng dao động trong khoảng 1 oC ÷2 oC.
37
Hình 2.16Phân bố nhiệt độ không khí trong các kênh
Hình 2.16 thể hiện sự phân bố không khí qua các kênh. Bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bố trí 7 cánh sóng dọc chia đều thành 8 kênh dẫn không khí. Không khí qua bộ gom không khí trước khi vào các kênh dẫn để phân bố lưu lượng không khí di chuyển đều trong các kênh nhằm mục đích tận dụng tối đa bề mặt trao đổi nhiệt với tấm hấp thụ để nâng cao hiệu quả thu hồi nhiệt bộ thu. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong hình 2.16 chỉ ra rằng nhiệt độ không khí trong các kênh dẫn tương đối đồng đều và nhiệt độ tăng dần từ đầu đến kênh đến cuối kênh trước khi không khí ra khỏi bộ thu. Điều này chứng tỏ rằng không khí vào bộ gom phân phối không khí đều trong các kênh, dẫn đến nhiệt độ đồng đều từ kênh dẫn 1 cho đến kênh dẫn 8.
38
Hình 2.17Quan hệ giữa tỉ lệ cung cánh và bước cánh đến hiệu suất bộ thu
Hình 2.17 thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ cung cánh và bước cánh đến hiệu suất bộ thu. Từ đồ thị cho thấy khi tỉ lệ cung cánh và bước sóng cánh tăng dần từ 1 đến 1.182 thì hiệu suất cũn tăng dần và đạt giá trị lớn nhất là 67% tại tỉ lệ 1.182, khi tỉ lệ cung cánh và bước sóng tiếp tục tăng thì hiệu suất giảm. Điều này là do khi tỉ lệ cung cánh và bước sóng lớn hơn 1.182 thì thời gian lưu lại tại các cung lớn, tổn thất áp suất lớn và hiệu quả trao đổi nhiệt giảm. Với trường hợp kích thước bước sóng cánh là λ = 178mm, chiều dài cung cánh là L = 210.40 mm, bán kính cánh là R = 50mm tương ứng hiệu suất bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong đạt được giá trị lớn nhất so với các trường hợp còn lại.
39
Hình 2.18 Ảnh hưởng của chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt bộ thu cánh sóng dọc
Hình 2.18 thể hiện mối quan hệ của chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt bộ thu cánh sóng dọc. Từ kết quả thực nghiệm như hình 2.18 cho ta thấy rằng khi chiều cao cánh sóng dọc tăng lên từ 10mm đến 50mm thì hiệu suất của bộ thu tăng dần từ 40% đến gần 70% sau đó giảm dần khi chiều cao cánh tiếp tục tăng lớn hơn 50mm. Điều này có thể giải thích rằng khi chiều cao cánh sóng dọc bằng với độ dày khe không khí dẫn đến lớp không khí phía trên trong các kênh dẫn tiếp xúc với mặt kính bên dưới với cường độ đều hơn, đó nguyên nhân chính dẫn tổn thất nhiệt đối lưu giữa không khí và tấm kính ra môi trường bên ngoài. Nhưng nếu chiều cao cánh sóng dọc quá thấp thì các cánh không đủ kích thước để chia đều dòng không khí di chuyển trong bộ thu cũng như khả năng tạo chảy rối không khí dẫn đến trao đổi nhiệt đối lưu kém hiệu quả giữa không khí và bộ thu.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 H iệ u su ất % chiều cao cánh mm Hiệu suất %
40
Hình 2.19 Ảnh hưởng số lượng cánh và lưu lượng không khí đến hiệu suất thu hồi nhiệt của bộ thu cánh sóng dọc
Hình 2.19 thể hiện sự ảnh hưởng số lượng cánh và lưu lượng đến hiệu suất thu hồi nhiệt của bộ thu cánh sóng dọc. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hiệu suất bộ thu cao nhất khoảng 67% tương ứng với lưu lượng không khí qua bộ thu là 0.025 (kg/s) và số cánh sóng dọc bên trong bộ thu là 7 cánh. Khi lưu lượng không khí qua bộ thu nhỏ hơn 0.025 (kg/s) thì nhiệt độ không khí tăng nhanh dẫn đến hiệu quả trao đổi nhiệt thấp. Tuy nhiên khi lưu lượng không khí lớn hơn 0.025 (kg/s) dẫn đến tổn thất do dòng chảy rối tại các cung cánh. Trường hợp số lượng cánh bố trí trong bộ thu càng ít thì số lượng các kênh dẫn không khí giảm đi dẫn đến khả năng phân phối không khí không đều trong bộ thu, khả năng tạo rối thấp và không tận dụng tối đa diện tích trao đổi nhiệt giữa không khí và bề mặt tấm hấp thụ. Vì vậy trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí và cánh sóng và tấm hấp thụ giảm, đó cũng là nguyên nhân dẫn đến tổn thất bức xạ. Ngược lại bố trí nhiều cánh trong bộ thu sẽ cản trở sự hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời cũng sẽ dẫn đến hiệu suất bộ thu thấp. 3 4 5 6 7 8 9 10 35 40 45 50 55 60 65 70 Hiệu suất(%)
Số lượng cánh bố trí trong bộ thu 0.027(kg/s)
0.025(kg/s) 0.02(kg/s) 0.015(kg/s) 0.01(kg/s)
41
PHẦN 3: KẾT LUẬN
3.1 Kết luận
Đã thiết kết chế tạo thành công bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong để ứng trọng trong lĩnh vực sấy nông sản, thực phẩm và các lĩnh vực liên quan khác trong đời sống và công nghiệp.
Dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã tiến hành cho bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng:
Nhiệt độ đầu ra của không khí qua bộ thu dao động trong khoảng 40 oC đến 80 oC tùy thuộc điều kiện thời tiết và bức xạ năng lượng mặt trời.
Nhiệt độ không khí trong các kênh dẫn tương đối đồng đều
Tỷ lệ quan hệ giữa tỉ lệ cung cánh và bước cánh đến hiệu suất bộ thu được xác định là 1.182, tương ứng với trường hợp kích thước bước sóng cánh là λ =
178mm, chiều dài cung cánh là L = 210.40 mm, bán kính cánh là R = 50mm tương ứng hiệu suất bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong đạt được giá trị lớn nhất so với các trường hợp còn lại.
Chiều cao cánh sóng dọc được xác định là 50mm.
Lưu lượng không khí qua bộ thu cho hiệu suất cao nhất là 0.025 (kg/s) và số cánh sóng dọc là 7 cánh
3.2. Kiến nghị
* Dựa trên kết quả nghiên cứu bộ thu không khí năng lượng mặt trời có cánh sóng dọc bên trong, nhóm tác giả đề xuất cần áp dụng các bộ thu này vào lĩnh vực sấy nông sản thực phẩm để giảm năng lượng tiêu thụ cho quá trình sấy và tăng tính cạnh tranh cho nông sản.
42
* Tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật để có thể triển khai sản phẩm thương mại ra thị trường.
* Triển khai ứng dụng vào công tác đào tạo sinh viên ngành Công Nghệ Nhiệt.
43
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]https://bnews.vn/nong-nghiep-viet-nam-va-muc-tieu-xuat-khau-tren-43-ty usd/145728.html [2]http://baobinhduong.vn/chuyen-nang-luong-mat-troi-thanh-nang-luong-san-xuat- a119787.html [3] https://visong.vn/may-say-nang-luong-mat-troi/ [4] https://baoangiang.com.vn/hieu-qua-nha-phoi-say-nang-luong-mat-troi-bao-quan- nong-san-thuc-pham-va-thuy-san-a247925.html [5] https://nongnghiep.vn/may-say-muc-bang-nang-luong-mat-troi-d252028.html
[6] C.H. Liang, X.S. Zhang, X.W. Li, X. Zhu, “Study on the performance of a solar assisted air source heat pump system for building heating”, Energy and Buildings, 43, 2011, pp. 2188–2196.
[7] A. A bedi, “Utilization of solar air collectors for heating of Isfahan buildings in Iran”,
Energy Procedia, 14, 2012, pp.1509–1514.
[8] M.A. Karim, M.N.A. Hawlader, “Development of solar air collector for drying applications”, Energy Conversion$Management, 45, 2004, pp. 329–344.
[9] M.F. EI-khawajah, L.B.Y. Aldabbagh, F.E. gelioglu, “The effect of using transverse fins on a double pass flow solar air heater using wire mesh as an absorber”, Solar Energy, 85 (201), pp. 1479–1487.
[10] A.M. EI-Sawi, A.S. Wifi, M.Y. Younan, E.A. Elsayed, B.B. Basily, “Application of folded sheet metal in flat bed solar air collectors”, Applied Thermal Engineering,30 2010, pp.864–871.
[11] D.G. Peng, X.S. Zhang, H. Dong, K. Lv, “Performance study of a novel solar air