III. Kết quả thực nghiệm ngoài trời:
3.Đặc tính nhiệt độ của tấm PV+PCM ở chế độ ngoài trời:
80.00 70.00 60.00 50.00 (o C) N hi ệt đ ộ 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 11 h3 5 11 h4 1 Thời gian (hh:mm)
44
70.00 60.00 50.00 (o C) 40.00 N hi ệt đ ộ 30.00 20.00 10.00 0.00 10 h1 6 10 h0 2 10 h0 9 Thời gian (hh:mm)
Hình 4.10: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV + PCM + nước (chế độ NTR)
5. Tương quan so sánh giữa nhiệt độ trung bình bề mặt của tấm PV ở các chế độ làm việc khác nhau: làm việc khác nhau:
Để so sánh hiệu suất sinh điện trong điều kiện vận hành thực tế của các tấm pin, tổng lượng bức xạ tới trên diện tích bề mặt tấm pin và tổng lượng điện năng sinh ra của tấm pin được tính theo Bảng 4.1 và qua đó suy ra giá trị hiệu suất trung bình của các mẫu pin.
Bảng 4.1: Bảng tính hiệu suất của pin ở các mẫu khác nhau
Mẫu Pin
Pin + Nước Pin + PCM
Pin + PCM + Nước
Phịng thí nghiệm. Mặc dù như đã giải thích ở trên, giá trị nhiệt độ làm việc của tấm pin và do đó hiệu suất sinh điện của các tấm pin có chịu ảnh hưởng của gió, nhiệt độ mơi trường và sự biến động của bức xạ mặt trời giữa các ngày thực nghiệm, nhưng tác giả đã sàng lọc trong những dữ liệu thí nghiệm có điều kiện ngồi trời gần như giống nhau (nhiệt độ môi trường dao động quanh khoảng 35 – 36oC, tốc độ gió thấp hơn 0,1 m/s (những ngày trời nắng oi và lặng gió), bức xạ tương đối ổn định ở mức gần 900W/m2, bỏ qua một số thời điểm bị mây che khuất).
Xét trong khoảng thời gian 2 giờ (khoảng thời gian mà PAL-33 từ trạng thái rắn chuyển pha hoàn toàn sang lỏng và tiếp tục gia tăng nhiệt độ) nhờ giải pháp hỗ trợ ổn định nhiệt bằng PCM kết hợp với nước, hiệu suất sinh điện đạt mức 11.21%, cao hơn khoảng 3,07% so với hiệu suất có thể đạt được của tấm pin nguyên bản. Khoảng chênh này sẽ tăng lên nếu lượng PCM sử dụng đủ nhiều trong toàn bộ thời gian làm việc trong ngày của tấm PV. Hình 4.11 thể hiện biểu đồ so sánh tương quan giữa các giá trị hiệu suất trung bình đạt được ở các mẫu pin.
H iệ u su ất 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 2.00% 0.00%
Pin Pin + Nước Pin + PCM Pin + PCM + Nước
Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy phương án làm mát bằng PCM kết hợp với nước cho khả năng duy trì nhiệt độ của tấm ở giá trị gần nhiệt độ mơi trường lâu hơn cả. Do các điều kiện thí nghiệm ngồi trời ở các ngày khác nhau có sự khác biệt về (i) sự biến thiên của cường độ bức xạ mặt trời, (ii) nhiệt độ mơi trường, (iii) tốc độ gió làm ảnh hưởng tới mức độ tản nhiệt ra mơi trường nên mặc dù ở cùng cường độ bức xạ như nhau, giá trị nhiệt độ thực tế bề mặt tấm PV vẫn có thể biến thiên khơng hồn tồn thuần túy theo quy luật tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ. Để giảm thiểu mức độ ảnh hưởng của các tham số nêu trên, tác giả đã tiến hành thí nghiệm trong nhiều ngày ở giai đoạn thời tiết nắng nóng ổn định nhất có thể, sau đó sàng lọc những ngày có điều kiện ngồi trời tương đồng nhất để thực hiện so sánh. Tuy nhiên, sự tác động đồng thời của nhiều biến số mơi trường gây khó khăn cho sự so sánh để làm bật hiệu quả ổn định nhiệt độ chỉ do riêng PCM đem lại một cách trực quan trên các đồ thị. Do đó, kết quả hiệu suất sinh điện được sử dụng để phản ánh hiệu quả của giải pháp thiết kế cải tiến.
Ngồi ra, q trình nghiên cứu chỉ ra được một số kinh nghiệm quan trọng trong việc thiết lập sản phẩm thực tế. Việc đảm bảo sự tiếp xúc nhiệt tốt giữa bề mặt cần làm mát và lớp PCM. Khi PCM được gói trong bao chứa dạng túi mềm, trong quá trình chuyển pha sẽ bị biến dạng và cong võng, hình thành khe hở giữa lớp PCM và bề mặt cần làm mát và do đó khiến cho quá trình trao đổi nhiệt bị suy giảm đáng kể. Vì vậy nhất thiết cần có cơ chế hỗ trợ để lớp PCM luôn được ép chặt lên bề mặt cần làm mát.
Bảng 4.2 thống kê giá trị hiệu suất thực nghiệm ứng với các mức nhiệt độ làm việc khác nhau trong điều kiện thí nghiệm ngồi trời với giả định rằng nhiệt độ mơi trường trung bình là 36oC, mức gió trung bình theo phương ngang khoảng 0,2m/s.
Bảng 4.2: Bảng dữ liệu thực nghiệm giữa hiệu suất của mẫu Pin + PCM + nước theo các giá trị cường độ bức xạ mặt trời khác nhau
Nhiệt độ bề mặt tấm PV (oC) 38 43 48 53 58
8.93 8.31
Dựa trên bảng dữ liệu này, tác giả đã thực hiện phương pháp hồi quy bậc 2 theo các phương trình (4.2) và (4.3), và thu được hàm hồi quy thể hiện quan hệ giữa nhiệt độ tấm pin và hiệu suất sinh điện có dạng:
(T) = 18,21 – 0,15 T
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔPHỎNG PHỎNG
I. Mơ hình mơ phỏng
Như đã trình bày ở phần trên, mơ hình mơ phỏng hệ tấm pin mặt trời được xây dựng trên nền tảng phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics với các trường hợp : (i) tấm pin nguyên bản; (ii) tấm pin có hỗ trợ làm mát bằng nước; (iii) tấm pin có hỗ trợ làm mát bằng PCM và nước.
Vì hình thức cấu trúc của tấm pin mặt trời ở dạng tấm phẳng có các kích thước chiều dài và chiều rộng bề mặt tấm lớn hơn nhiều so với độ dày của tấm, mơ hình mơ phỏng được đề xuất là dạng 2D và bỏ qua dòng trao đổi nhiệt qua 4 vách bên của hệ (chỉ tính đến dịng trao đổi nhiệt ở mặt trên và mặt dưới) với môi trường xung quanh.
Ngồi ra, do độ dày của lớp kính phủ mặt trên, solar cell, EVA, và tấm đỡ của tấm PV nguyên bản là khá mỏng so với độ dày chung của cả hệ, nên trong q trình mơ phỏng, các lớp này được gộp chung và được đại diện bởi 1 lớp vật dẫn có độ dày tương ứng với hệ số truyền nhiệt trung bình.
Do tỷ lệ chênh lệch lớn giữa chiều dày và chiều dọc tấm PV gây khó khăn cho việc hiển thị, tác giả giả định rằng dòng nhiệt phân bố đều trên toàn bộ bề mặt tấm pin và do đó có thể mơ phỏng một đoạn cắt theo chiều dài của tấm PV với hình ảnh như mơ tả bên dưới.
II. Kết quả mơ phỏng:
1. Mơ hình Tấm PV ngun bản:
Tấm PV nguyên bản (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 5.2: Đường cong mơ phỏng nhiệt độ trên bề mặt tấm PV nguyên bản 2. Tấm pin có nước làm mát: Tấm PV nguyên bản Nước làm mát Tấm PC khay chứa
Hình 5.4: Đường cong mơ phỏng nhiệt đợ trên bề mặt tấm PV+nước 3. Tấm pin với PCM : Tấm PV nguyên bản Lớp PCM Tấm PC khay chứa
Hình 5.4: Đường cong mơ phỏng nhiệt đợ trên bề mặt tấm PV+PCM 4. Tấm pin có PCM và nước làm mát: Tấm PV nguyên bản Lớp PCM Nước làm mát Tấm PC khay chứa
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
I. Kết luận
Đề tài đã thực hiện thành cơng việc xây dựng một mơ hình cấu trúc trên phần mềm mơ phỏng có đối chiếu với kết quả thí nghiệm trên mơ hình thực tế. Kết quả cho thấy mơ hình mơ phỏng có sự tương thích tốt với kết quả thực nghiệm. Trên cơ sở đó, người sử dụng có thể linh hoạt thay đổi các thông số kỹ thuật để tạo nên các điều kiện làm việc khác nhau của tấm PV để mơ phỏng và tìm ra dự báo đáp ứng nhiệt độ của tấm pin ở điều kiện làm việc tương ứng mà không cần thiết phải thiết lập thực nghiệm.
Thơng qua phân tích kết quả thực nghiệm và mơ phỏng, nhóm tác giả nhận thấy việc kết hợp PCM với nước làm mát là một giải pháp mang lại hiệu quả giảm nhiệt tốt hơn so với việc dùng chỉ một trong hai giải pháp cũng như so với tấm pin nguyên bản. Bằng việc sử dụng vật liệu chuyển pha PAL-33, mức giảm nhiệt độ của tấm pin có thể đạt khoảng 7oC – 15oC, độ giảm nhiệt độ phổ biến ở khoảng 9oC, nhiệt độ thấp này được duy trì trong khoảng thời gian dài hay ngắn tùy thuộc vào hàm lượng và giá trị ẩn nhiệt của loại PCM được sử dụng trong thiết kế và ứng dụng vào mơ hình. Nhờ nhiệt độ làm việc được duy trì ở mức thấp hơn so với trường hợp của tấm pin thông thường, hiệu suất sinh điện tổng trong ngày của tấm pin có thể được tăng từ khoảng 8.14% (khi vận hành
ởchế độ nguyên bản, không được hỗ trợ ổn định nhiệt) lên khoảng 11.21%. Đây là một kết quả tích cực cho thấy giải pháp thiết kế của đề tài mang lại là phù hợp và có thể ứng dụng để đem lại hiệu quả trong việc khai thác nguồn năng lượng sạch và miễn phí từ mặt trời.
Ngồi ra, đề tài có các phát hiện quan trọng sau:
Khi đưa vào sử dụng thì lớp PCM thường được chứa trong bao/túi/hộp chứa để khơng bị rị rỉ khi chuyển pha từ rắn sang lỏng và ngược lại. Tuy nhiên, khi thiết kế, nếu lớp vỏ bao này dùng vật liệu có hệ số truyền nhiệt thấp hoặc biến dạng gây giảm hiệu quả tiếp xúc của PCM và bề mặt cần ổn định nhiệt thì sẽ làm cho tác động làm mát và ổn định nhiệt của PCM bị ảnh hưởng rõ rệt, thậm chí mất tác dụng. Do đó, trong thiết kế có sử dụng PCM, nhất thiết cần đảm bảo sự tiếp xúc nhiệt tốt giữa PCM và bề mặt/đối tượng cần được ổn định nhiệt độ.
Trong trường hợp chung, khi lớp PCM chỉ có thể tiếp xúc với mặt dưới (theo phương trọng trường) của đối tượng (cụ thể như trong ứng dụng thiết kế với tấm PV trong đề tài này) thì cần phải có giải pháp nâng ép lớp PCM này tiếp xúc chặt lên bề mặt của đối tượng. Một sáng tạo của đề tài là do PCM có khối lượng riêng nhỏ hơn nước nên có thể sử dụng lớp nước bên dưới để luôn đẩy lớp PCM lên tiếp xúc với mặt đáy của đối tượng cần ổn định nhiệt độ. Đây là một giải pháp đem lại lợi ích kép, nhất là đối với hệ thống làm mát bằng PCM do lớp nước bên dưới đồng thời giúp tản nhiệt một phần cho lớp PCM nóng chảy trong q trình trao đổi nhiệt với tấm pin mặt trời. Khi tấm PV được đặt ở phương nằm ngang thì lực nổi sẽ phân bố lớp PCM đều trên toàn bộ tiết diện tấm, do vậy lớp PCM sẽ luôn tiếp xúc tốt với bề mặt cần được làm mát. Do đó, ta khơng cần có vỏ bọc mà PCM và nước có thể được chứa chung trong cùng một hộp chứa kín như đã thiết kế trong đề tài nhưng sẽ được phân thành 2 lớp riêng biệt (do tính khơng hịa tan trong nước của PAL-33 và khối lượng riêng khác nhau). Tuy nhiên, khi tấm PV đặt ở phương nghiêng (15o ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh) thì lực nổi sẽ có xu hướng đẩy lớp PCM lên phía mép cao của tấm PV trong khi nước sẽ nằm phía mép thấp của tấm PV. Do cơ chế đối lưu tự nhiên, nước khi hấp thụ nhiệt sẽ nóng lên dần và đối lưu lên trên sẽ trao đổi nhiệt với khối PCM, sau khi được PCM hấp thụ nhiệt sẽ tuần hồn xuống dưới để tiếp tục chu trình làm mát tấm PV. Nếu muốn đảm bảo tác động của PCM đồng đều hơn lên bề mặt tấm PV thì ta nên có một lớp vỏ PCM dạng tấm để lực đẩy của nước sẽ giúp áp tấm PCM lên tiếp xúc đều trên bề mặt lưng của tấm PV.
Tùy theo các thông số kỹ thuật của loại PCM được dùng (ẩn nhiệt, nhiệt độ chuyển pha, khối lượng riêng…) và mức cường độ bức xạ mặt trời ở nơi sử dụng mơ hình cải tiến này, lượng PCM cần được tính tốn và thiết kế với phù hợp và đủ để duy trì quá trình chuyển pha trong suốt thời gian tấm pin bị làm nóng lên do nhận bức xạ từ mặt trời trong ngày. Nếu lượng PCM bị thiếu thì sau khi bị chuyển hóa hết sang dạng lỏng, chính lớp PCM sẽ làm chậm khả năng tản nhiệt ở phía bề mặt lưng tấm PV, kéo theo nhiệt độ của tấm khi đó sẽ cao hơn mức nhiệt độ ở cùng điều kiện của tấm PV nguyên bản. Đây là một chú ý quan trọng trong thiết kế nếu khơng sẽ có thể làm tổng hiệu suất sinh điện của mơ hình tấm PV cải tiến giảm đi thay vì tăng thêm so với tấm PV nguyên bản.
Mơ hình mơ phỏng được xây dựng có thể được dùng cho việc dự báo mức năng lượng điện đầu ra ở các chế độ làm việc của tấm pin thông qua nhiệt độ làm việc của chúng. Sử dụng mơ hình mơ phỏng này, người dùng có thể linh hoạt thay đổi các thông số mô tả chế độ làm việc theo điều kiện thực tế và qua đó rút ra kết quả dự báo mà không cần tiêu tốn thời gian và công sức làm thực nghiệm.
II. Hướng phát triền của đề tài
Theo những phân tích đã nêu trên, đề tài có thể được phát triển tiếp theo các hướng sau:
-Nghiên cứu ứng với nhiều loại PCM hơn để tìm ra mức độ ảnh hưởng đến kết quả thực nghiệm khi các thông số PCM như nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt và khối lượng riêng thay đổi.
-Nghiên cứu phương án khử vùng bức xạ khơng có khả năng sinh điện nhưng lại gây nhiệt độ làm việc của tấm PV bị tăng lên.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Swapnil Dubey, Jatin Narotam Sarvaiya, Bharath Seshadri, “Temperature Dependent Photovoltaic (PV) Efficiency and Its Effect on PV Production in the World – A Review”, Energy Procedia, Volume 33, 2013, pp. 311–32.
[2] Miguel Fisac, Francese X,Villasevil1, Antonio M.Lopez, “High-efficiency photocoltic technology including thermoelectric generation”, Journal of Power Sources, Volume 252, 2014, pp, 264-269.
[3] Hassan Fathabadi, “Increasing energy efficiency of PV-converter-bettery section of sandalone building integrated photovoltaic systems”, Energy and Buildings, Volume 101, 2015, pp, 1-11.
[4] Miguel Fisac, Francesc X. Villasevil1, Antonio M. López, “High-efficiency photovoltaic technology including thermoelectric generation”, Journal of Power Sources, Volume 252, 2014, pp. 264–269.
[5] Hassan Fathabadi, “Increasing energy efficiency of PV-converter-battery section of standalone building integrated photovoltaic systems”, Energy and Buildings, Volume 101, 2015, pp. 1–11.
[6] M. Abdolzadeh, M. Ameri, “Improving the effectiveness of a photovoltaic water pumping system by spraying water over the front of photovoltaic cells”, Renewable Energy, Volume 34, 2009, pp. 91–96.
[7] Linus Idoko, Olimpo Anaya-Lara, Alasdair McDonald, “Enhancing PV modules efficiency and power output using multi-concept cooling technique”, Energy Reports, Volume 4, 2018, pp. 357–369.
[8] Elias Roumpakias, Olympia Zogou, Anastassios Stamatelos, “Correlation
of actual efficiency of photovoltaic panels with air mass”, Renewable Energy, Volume 74, 2015, pp. 70–77.
Xudong Zhao, “Performance comparison of encapsulated PCM PV/T, microchannel heat pipe PV/T and conventional PV/T systems”, Energy, Available online 19 October 2018.
57
[10] Ali Najah Al-Shamani, Mohammad H. Yazdi, M.A. Alghoul, Azher M. Abed, M.H. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ruslan, Sohif Mat, K.Sopian, “Nanofluids for improved efficiency in cooling solar collectors –A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 38, 2014, pp. 348–367.
[11] Anant Shukla, D. Buddhi, R.L. Sawhney, “Solar water heaters with phase change material thermal energy storage medium: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, 2009, pp. 2119-2125.
[12] Atul Sharma, C.R. Chen, Nguyen Vu Lan, “Solar-energy drying systems: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, 2009, pp. 1185-1210.
[13] Huann-Ming Chou, Chang-Ren Chen, Vu-Lan Nguyen, “A new design of metal-sheet cool roof using PCM”, Energy and Buildings, Volume 57, 2013, pp.