Hệ thống được thiết kế để ngưng tụ nước từ không khí, phục vụ cho nhu cầu sử dụng nước của một số vùng khó khăn về nguồn nước và những vùng thuộc kiểu khí hậu nóng ẩm, giảm thiểu chi phí kinh tế cũng như tận dụng được nguồn năng lượng vô tận từ thiên nhiên.
Về không khí – nhiệt độ:
18
- Nhiệt độ không khí trung bình (xác định theo nhiệt độ trung bình của môi trường): tkk = 31 oC
- Độ ẩm không khí trung bình (xác định theo độ ẩm trung bình của không khí theo ngày): RH = 80 %
- Nhiệt độ ngưng tụ của không khí: tng = 27.36 oC
- Nhiệt độ bề mặt nhận nhiệt Peltier (thực nghiệm): tpel = -5 oC - Độ chênh nhiệt độ tại 2 mặt Peltier: ΔT ≈ 80 oC
- Công suất làm lạnh: Q = 150 W
- Nhiệt độ tại gốc cánh nhôm: tAlf = - 4.3 oC - Nhiệt độ tại đỉnh cánh nhôm: tAlp = - 3.6 oC
- Công suất giải nhiệt của bộ tản nhiệt khí SE – 207: Qgn = 200, W Lưu lượng gió tối đa: V = 56.2 ft3/m = 1.59 m3/s = 0.0265 m3/s - Hệ số an toàn của Pin mặt trời (1.3 ÷ 1.5): chọn 1.3
Về nguồn điện:
- Điện áp của 2 quạt tản nhiệt:
Điện áp định mức: Vđm = 12 VDC
Cường độ dòng điện định mức: Iđm = 0.25 A Điện áp hoạt động: Vhđ = 10.8 ÷ 13.2 VDC Điện áp khởi động: Vkđ = 7 VDC
Công suất điện đầu vào: Wđ = 1 W - Thông số điện áp của Peltier:
Điện áp định mức: Vđm = 12 VDC
Cường độ dòng điện định mức: Iđm = 10 A Cường độ dòng điện khởi động: Ikđ = 2 A Điện áp hoạt động: Vhđ = 3 ÷ 5 VDC
19 Điện áp khởi động: Vkđ = 3 VDC
- Thông số điện áp của quạt tạo dòng không khí: Điện áp định mức: Vđm = 5 VDC
Đường độ dòng điện định mức: Iđm = 0.25 A
2.2.2. Tính toán sơ bộ công suất hệ thống và tính chọn Pin mặt trời
Hệ thống được tính toán và thiết kế hoạt động trong 6h (từ 9h00 đến 15h00). Peltier TEC 12715:
- Công suất tiêu thụ điện: Ppel = U.I = 12. 10 = 120, W
- Công suất tiêu thụ điện trong ngày: P1 = Ppel. 6 = 120. 6 = 720, W Quạt bộ tản nhiệt SE – 207:
- Công suất tiêu thụ điện của 2 quạt Pfan = U.I.n = 12. 0.25. 2 = 6, W - Công suất tiêu thụ điện trong ngày:
P2 = Pfan. 6 = 6. 6 = 36, W Quạt tạo dòng không khí:
- Công suất tiêu thụ điện:
Pfan2 = U.I = 5. 0.25 = 1.25, W - Công suất tiêu thụ điện trong ngày
P3 = Pfan2. 6 = 1.25. 6 = 7.5, W
Tổng công suất làm việc của hệ thống trong ngày:
∑ P = P1 + P2 + P3 = 720 + 36 + 7.5 = 763.5, Wh
Do tổn hao trong hệ thống, số Wh của tấm Pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Wh của toàn tải. Thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1.3 ÷ 1.5 lần.
20
Chọn hệ số an toàn cho cho các tấm Pin năng lượng mặt trời: 1.3 Số Wh các tấm Pin mặt trời phải cung cấp:
PV = 1.3 x ∑ P = 763.5 x 1.3 = 992.55, Wh Số Wp các tấm pin mặt trời:
Wp = 𝑃𝑉 𝑃𝐺𝐹𝑡 =
992.55
5.4 = 183.81, Wp
Số tấm Pin năng lượng mặt trời, chọn loại Pin năng lượng mặt trời Mono Solarcity 100W, do đó số tấm Pin năng lượng mặt trời cần thiết để cấp nguồn cho hệ thống là:
n = 𝑊𝑝 𝑊𝑆𝐿𝐶 =
183.81
100 = 1.84
Chọn 2 tấm Pin năng lượng mặt tời Mono Solarcity 100W.
2.3. Tính toán thiết kế hệ thống ngưng tụ nước trong không khí
2.3.1. Đưa ra phương án thiết kế
Ta sẽ thiết kế hệ thống với bộ khung kim loại được làm từ vật liệu sắt, phía trên sẽ lắp 2 tấm Pin năng lượng mặt trời với góc nghiêng bằng 140, phần giữa khung kim loại sẽ là hệ thống làm lạnh ngưng tụ hơi nước. Hệ thống ngưng tụ hơi nước gồm có buồng lạnh, bộ làm mát IDC – cooling SE – 207 được lắp ở phía trên, bề mặt làm mát của bộ làm mát tiếp xúc với mặt nóng của Peltier, mặt lạnh của sẽ tiếp xúc với nhôm tản nhiệt để làm lạnh nhôm dưới nhiệt độ đọng sương của nước. Vị trí lắp đặt của Peltier và nhôm tản nhiệt nằm bên trong ống gió với quạt cấp được đặt ở phía đầu ống. Và cuối cùng là tủ điện được đặt bên cạnh.
Chọn các thiết bị với thông số kích thước:
- Buồng lạnh ống gió: gồm có nhôm tản nhiệt và Peltier. Kích thước buồng lạnh: L x W x H = 10cm x 20cm x 15cm
Peltier: W x L x H = 4cm x 4cm x 0.38cm - Nhôm tản nhiệt:
21 + Số lượng cánh tản nhiệt: n = 6 cánh
+ Khoảng cách trung bình khe hẹp giữa 2 cánh: 7 mm + Bề dày của cánh: 0.8 mm
+ Bề dày lớp vách tiếp xúc với mặt lạnh Peltier: 4.5 mm - Ống gió: W x L x H = 5cm x 4cm x 22cm
Thông số làm việc của các thiết bị lắp đặt - Công suất điện: 200 W
- Công suất giải nhiệt: 200 W
- Công suất lạnh định mức của Peltier: 150 W - Nhiệt độ làm lạnh nhôm thấp tối thiểu: 0 oC
- Lưu chất: không khí, chọn thông số trung bình lúc 9h00 sáng, vào lúc độ ẩm cao nhất
Nhiệt độ - độ ẩm không khí đầu vào: tkk = 31oC, RH = 80% Nhiệt độ đọng sương của không khí: tDP = 27.36oC
Lưu lượng khối lượng không khí cấp: Vkk = 2.3 x 10-3, kg/s - Kích thước dự tính:
Bộ khung tổng quan của hệ thống theo kích thước thẳng: L x W x H = 1.27 x 0.81 x 1.22, m
Độ nghiêng của Pin năng lượng mặt trời: 14o
- Tháp giải nhiệt đôi, 7 ống nhiệt ∅6 mm với kích thước tổng thể: L x W x H: 122mm x 139mm x 159mm
2.3.2. Tính toán thiết kế hệ thống
Tính toán góc nghiêng Pin mặt trời
Góc tới của ánh sáng mặt trời thay đổi trong suốt cả năm do vòng quay của trái đất quanh trục chính của nó và quay theo quỹ đạo elipolic của nó. Trong khi ánh sáng
22
mặt trời chiếu xuống trái đất với góc dốc trong mùa hè ở Bắc bán cầu, nó rơi với góc nông vào mùa đông.
Theo tài liệu [11], góc lệch β (tilt angle) là góc nghiêng của pin mặt trời theo phương nằm ngang. Góc này là hướng nam ở Bắc bán cầu và hướng bắc ở Nam bán cầu. Góc nghiêng thay đổi trong khoảng 0o ≤ β ≤ 180o. Khi một mặt phẳng được quay ngang quanh trục đông – tây với một lần hiệu chỉnh mỗi ngày. Góc nghiêng của bề mặt được hiệu chỉnh mỗi ngày và được tính toán theo công thức: β = |Փ – δ|
Hình 2.3: Góc lệch của đường xích đạo theo phương ngang. Nguồn [20]
Góc lệch δ = 23.45 × Sin (360
365×(284 + n)) = 23.45× Sin(360
23 Từ bảng số liệu:
Bảng 2: Giá trị góc lệch theo tháng. Nguồn [20]
Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6
60.88o 53.39o 42.38o 30.51o 21.20o 16.02o
Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Tháng 12
18.88o 26.67o 37.95o 49.79o 59.01o 63.08o
Hình 2.4: Góc nghiêng của Pin mặt trời theo phương ngang. Nguồn [20]
Chọn Փ tại tháng 6 có giá trị 16.02o
Góc nghiêng của pin năng lượng mặt trời:
β = |Փ – δ| = |16.02 – 2| = 14.02o
Vậy góc nghiêng đặt pin năng lượng mặt trời là 14o Tính toán công suất làm lạnh thực nghiệm được
Từ mô hình thực nghiệm, ta đo được các thông số trung bình vào lúc 9h00 sáng - Vận tốc gió cấp vào: v = 0.55 m/s
24 - Nhiệt độ môi trường: tkk = 31 0C - Độ ẩm tương đối: RH = 80 % - Kích thước ống gió: 4cm x 5cm Ta có:
Công thức tính nhiệt độ đọng sương:
Áp suất bão hòa theo nhiệt độ tại nhiệt độ môi trường (𝑅𝐻 = 80% ; tkk = 31 oC). P1 = exp{ 17 × 𝑡
233.59 + 𝑡− 5.093} = exp{ 17 × 31
233.59 + 31− 5.093} = 0.045, bar Dung ẩm tại nhiệt độ môi trường:
d1 = 0.621 0.80 × 0.045
1 − 0.80 × 0.045 = 0.0232, kgẩm/ kgkkk Áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ đọng sương:
P1 = 1 × 0.0232
0.621 + 0.0232= 0.036, bar Nhiệt độ đọng sương của không khí tại nhiệt độ môi trường:
P1 = exp{12000 − 4026.42
235500+𝑡1} => tb = 1200.420 + 235 × ln (0.036)
12 − ln (0.036) = 27.36,
oC Entapy của không khí tại nhiệt độ môi trường:
I1 = 1.004t + d1 (2500 + 1.842t) = 1.004 x 31 + 0.0232 x (2500 + 1.842 x 31) = 90.45, kJ/kgkk Trong đó: t: Nhiệt độ không khí ẩm, oC d1: dung ẩm, kgẩm/kgkkk
Không khí sau khi làm lạnh và được ngưng tụ sẽ được đưa ra ngoài buồng lạnh với thông số:
25 Độ ẩm tương đối: RH = 79.8%
Áp suất bão hòa theo nhiệt độ của không khí ra (RH2 = 79.8%; t2 = 20.2 oC). P2 = exp{ 17 × 𝑡𝑜𝐶
233.59 + 𝑡𝑜𝐶− 5.093} = exp{ 17 × 20.2
233.59 + 20.2− 5.093} = 0.019, bar Dung ẩm tại nhiệt độ môi trường:
d2 = 0.621 0.798 × 0.019
1 − 0.798 × 0.019 = 0.0115, kgẩm/ kgkkk Entapy của không khí tại nhiệt độ ra:
I2 = 1.004t + d2 (2500 + 1.842t) = 1.004 x 20.2 + 0.0115 x (2500 + 1.842 x 20.2) = 49.46, kJ/kgkk Trong đó: t: Nhiệt độ không khí ẩm, oC d1: dung ẩm, kgẩm/kgkkk
Lưu lượng thể tích không khí cấp vào:
Gv = v x Fống = 0.55 x 0.04 x 0.05 = 1.1 x 10-3, m3/s - Fống: diện tích mặt cắt của ống gió, m2
Nhiệt độ trung bình của không khí vào và ra: ttb = tm = (33.4 + 20.2) × 0.5 = 26.8, 0C Tính toán khối lượng riêng không khí:
Tại nhiệt độ không khí được làm lạnh – ngưng tụ: t = 23.89 oC, RH = 100% Tra đồ thị không khí ẩm I – d ta được áp suất riêng phần: ph = 22.24 mmHg
26
Hình 2.5: Đồ thị thể hiện mối liên hệ của khối lượng riêng không khí với dung ẩm và
nhiệt độ. Nguồn [10]
Xét ở điều kiện lý tưởng, ta có áp suất khí quyển ở điều kiện lý tưởng p = 760 mmHg và khối lượng riêng không khí ρ = ρo = 1.293 kg/ m3. Khi đó, khối lượng riêng của không khí khô: ρk = 𝜌𝑜 1+ 𝑡 273 = 1.293 1+ 20.2273 = 1.204, kg/ m 3
Khối lượng riêng của không khí khi có hơi:
ρm = ρk – 0.176 × 𝜌ℎ
𝑇 = 1.204 – 0.176 ×
22.24
273 = 1.1897, kg/ m
3
Lưu lượng khối lượng không khí cấp vào:
Gm = Gv x ρm = 1.1 x 10-3 x 1.1897 = 1.31x10-3, kg/s Công suất làm lạnh không khí của thiết bị:
Qlạnh = Q0 = Gm (I1 - I2) = 1.31 x (90.45 – 49.46) = 53.7, W Công suất điện của thiết bị:
27 Hiệu suất của hệ thống (COP):
COP = 𝑄𝑙𝑎𝑛ℎ 𝑄đ𝑖ệ𝑛 =
53.7
161 = 0.33 Lượng nước ngưng tụ lý thuyết trong 1h:
GN = Gs× (d1 – d2) = 1.31×10-3× (0.0232 – 0.0115) = 1.53×10-5, kg/s = 0.0551, kg/h
2.3.3. Tính toán tổn thất điện và tổn thất nhiệt
Tổn thất điện:
- Theo tài liệu [43] về những nguyên nhân dẫn đến tổn thất của Pin mặt trời đến từ rất nhiều yếu tố tự nhiên:
Tổn thất do tính toán về nhiệt độ: 10 %
Tổn thất do khả năng lưu giữ bức xạ trên Pin: 5 % Tổn thất công suất cực đại (MPP): 10 %
Tổn thất do bụi bẩn bám trên Pin: 5 % Tổn thất do tuổi thọ kéo dài của Pin: 5 %
Do đó, tổng hiệu năng Pin năng lượng sản sinh ra được:
ŋSLC = 0.9 ×0.95 × 0.9 × 0.95 × 0.95 = 0.7 (2.23) Hệ số hấp thụ năng lượng của Pin năng lượng mặt trời (PGF) thực tế:
PGF = 0.7 × 5.4 = 3.78, kW/m2/ngày Số Wp của Pin năng lượng mặt trời cần thực tế là:
Wp = 𝑃𝑉 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑃𝐺𝐹 = 992.55 3.78 = 262.6, Wp Tổn thất nguồn điện: ∆ξe = 262.6 − 220 262.6 = 0. 16 ≈ 16 % Hiệu suất thực của Pin năng lượng mặt trời là: 𝜂SLC = 84 %. Công suất thực của Pin cấp cho hệ thống:
28
Tổn thất nhiệt:
* Tính toán trở kháng thủy lực:
Tổn thất áp suất trong buồng lạnh do quạt cấp không khí vào được xác định theo công thức: ∆p = ∆pm + ∆pc + ∆pg + ∆p0, N/m2 (2.24) Với: ∆pm: trở kháng ma sát ∆pc: trở kháng cục bộ ∆pg: trở kháng gia tốc ∆p0: trở kháng trọng trường. - Trở kháng ma sát:
Dòng không khí chuyển động trong ống, trở kháng ma sát được xác định theo công thức: ∆𝑝𝑚 = 𝜉 × 𝑙
𝑑× 𝜌 ×𝜔2
2 , 𝑁/𝑚2 (2.25)
Trong đó:
- d là đường kính trong của ống, do đây không phải là ống tròn nên ta dùng đường kính tương đương: def = 0.04 m.
- l là chiều dài của ống: l = 0.22 m.
- 𝜌 là khối lượng riêng được tính theo nhiệt độ trung bình của không khí chảy trong ống: 𝜌 = ρm = 1.1897 kg/m3.
- ω1, ω2 lần lượt là vận tốc của không khí vào và ra khỏi buồng lạnh, m/s. - ω1 = 0.55 m/s; ω2 = 0.60 m/s.
- ω là tốc độ trung bình của không khí chảy trong ống: ω = 0.5 × (ω1 + ω2) = 0.58, m/s
29 Theo tiêu chuẩn Reynold:
𝑅𝑒𝑓 = 𝜔×𝐿𝑒
𝜈 (2.26)
Với Le là kích thước xác định: Le = H = 0.04 m
ν là độ nhớt động học của không khí. Tra bảng thông số vật lý của không khí khô (H = 760 mmHg) tài liệu [3]: νf = 16.2346 x 10-6, m2/s
Khi đó:
𝑅𝑒𝑓 = 0.58 × 0.04
16.2346 × 10−6 = 1355.13 < 2 × 103
Dòng không khí bắt đầu chảy tầng. Hệ số ma sát được tính theo công thức với ống không tròn: 𝜉 = 64 𝑅𝑒𝑓𝜑 = 64 1355.13× 1.5 = 0.07 ∆𝑝𝑚= 0.07 × 0.22 0.04 ×1.1897× 0.58 2 2 = 0.07, N/m2 - Trở kháng cục bộ: Trở kháng cục bộ được tính bằng công thức: ∆𝑝𝑐 = 𝜉 × 𝜌 ×𝜔 2 2 , 𝑁/𝑚 2
Với các đại lượng tương tự như trở kháng ma sát, duy nhất chỉ có hệ số trở kháng cục bộ 𝜉 được xác định bằng thực nghiệm
Theo nguồn [9]: ξ = 1.5
∆𝑝𝑐 = 1.5 × 1.1897 ×0.582
2 = 0.27, 𝑁/𝑚2
- Trở kháng gia tốc:
Trở kháng gia tốc gây nên do sự tăng tốc độ của dòng chảy được tính theo công thức:
30
Ở đây, ρ1, ρ2 lần lượt là khối lượng riêng của không khí vào và ra khỏi buồng lạnh, ω1, ω2 lần lượt là vận tốc của không khí vào và ra khỏi buồng lạnh.
ω1 = 0.55 m/s ω2 = 0.6 m/s
Với t1 = 310C và t2 = 20.20C, ta tra bảng thông số vật lý của không khí khô ở tài liệu [3]. ρ1 = 1.15242 kg/m3
ρ2 = 1.1918 kg/m3
∆𝑝𝑔 = 𝜌2× 𝜔2− 𝜌1× 𝜔1 = 1.1918 × 0.6 − 1.15242 × 0.55 = 0.14 , 𝑁/𝑚2 - Trở kháng trọng trường:
Trở kháng trọng trường được tính theo công thức:
∆𝑝0 = ±𝑔 × ℎ × (𝜌 − 𝜌0), 𝑁/𝑚2
Với ρ0 là khối lượng riêng của khí quyển. Do ở đây ta dùng môi chất là không khí nên trở kháng trọng trường bằng không, vì vậy ta có thể bỏ qua.
∆p = ∆pm + ∆pc + ∆pg + ∆p0 = 0.15 + 0.8 + 0.5 = 0.48, N/m2
2.4. Mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics 2.4.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics
COMSOL Multiphysics là một môi trường tương tác mạnh mẽ để mô hình hóa và giải quyết được các hiện tượng, vấn đề liên quan đến khoa học và kỹ thuật. Phần mềm cung cấp một môi trường văn phòng phân tích rất mạnh mẽ với mô hình được xây dựng với cách nhìn tổng quan nhất và liên kết tất cả các thuật toán. Với COMSOL, chúng ta có thể dễ dàng phân loại các hiện tượng và đưa ra các phương pháp giải thích hợp ứng