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 với kiểu mô hình và hiện tưởng xảy ra với mô hình được xây dựng trong phần mềm nhằm đưa ra phương pháp mô phỏng tối ưu và chính xác nhất.

COMSOL có thể mở rộng các mô hình thông thường một cách dễ dàng trong các mô hình đa vật lý để giải các hiện tượng cũng như làm cho nó tương thích. Nhờ gắn liền các biểu thức vật lý mà tính khả thi có được trong việc xây dựng các mô hình bằng cách xác định khối lượng vật chất có liên quan như là thuộc tính vật liệu, tải, phản lực

31

liên kết, nguồn và dòng chảy bằng cách xác định các phương trình cơ bản. Chúng ta có thể ứng dụng các biến, mô tả, số liệu một cách trực tiếp cho các miền của vật rắn, các đường biên, các điểm lưới một cách trực tiếp của độc lập. COMSOL Multiphysics được biên soạn dịch theo phương trình vi phân từng phần để miêu tả lại các mô hình. Chúng ta có thể tiếp cận COMSOL Multiphysics như các chương trình bình thường khác thông qua giao diện đồ họa rất linh hoạt hoặc bởi chương trình biên soạn trong ngôn ngữ biên soạn COMSOL hoặc ngôn ngữ mathlab [24].

Sử dụng các chế độ ứng dụng này, chúng ta có thể thực hiện được rất nhiều kiểu phân tích, bao gồm:

 Các phân tích phụ thuộc vào thời gian và ổn định  Các phân tích tuyến tính và phi tuyến

 Các phân tích phương thức

2.4.2. Môi trường Comsol Multiphysics

COMSOL Multiphysics được biết đến như là một phần mềm mô phỏng số đa học vật lý bằng cách mô phỏng số học một cách dễ dàng trong các mô hình đa vật lý để giải thích các hiện tượng một cách tương thích. Nhờ gắn liền các biểu thức vật lý mà tính khả thi có được trong việc xây dựng các mô hình bằng cách xác định các phương trình cơ bản. Chúng ta có thể ứng dụng các biến, mô tả, số liệu một cách trực tiếp cho các miền của vật rắn, các đường biên, các điểm lưới một cách độc lập: Do đó trong Nghiên Cứu này em sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để Mô Phỏng Sự truyền nhiệt diễn ra bên trong bộ ngưng tụ nước từ không khí có sự tác động, ảnh hưởng bởi tốc độ không khí đầu vào [6]:

- Mô phỏng sự hoạt động của bộ ngưng tụ nước từ không khí, cụ thể là em mô phỏng quá trình truyền nhiệt từ hiệu ứng nhiệt điện Peltier SeeBeck qua kim loại nhôm, sự ảnh hưởng bởi tốc độ không khí đầu vào đến quá trình trình truyền nhiệt và nhiệt độ tại cánh nhôm tăng giảm ra sao qua mô hình chảy rối k-.

- Đưa ra các thông số mô phỏng của hệ thống qua đó tính toán hiệu suất để đánh giá tổng quan về hệ thống.

32

 Các phân tích phụ thuộc vào thời gian và ổn định

 Các phân tích tuyến tính và phi tuyến

Chúng ta có thể dung chương trình này để mô phỏng rất nhiều phạm vi ứng dụng: ♦ Âm học ♦ Sinh học. ♦ Các phản ứng hóa học. ♦ Sự khuếch tán. ♦ Điện tử. ♦ Động lực học chất lưu.

♦ Pin nhiên liệu và điện hóa học. ♦ Địa vật lý.

♦ Truyền nhiệt. ♦ Cơ điện tử micro.

♦ Kỹ thuật sóng cực ngắn. ♦ Quang học.

♦ Lượng tử ánh sáng.

33

Hình 2.6: Thư viện mô phỏng Comsol Multiphysics

34

Hình 2.8: Mô hình mẫu trong phần mềm Comsol Multiphysics

2.4.3. Một số thành phần chính của Comsol Multiphysics

35

Thanh công cụ:

♦ Home: Chứa các thanh công cụ để thiết lập mô phỏng

♦ Definition: định nghĩa các thông số và cài đặt giá trị thông số bên ngoài ♦ Geometry: để vẽ hình ảnh

♦ Materials: thêm vật liệu

♦ Physics: thêm công thức vật lý ♦ Mesh: dùng để tạo lưới

♦ Study: dùng để mô phỏng ♦ Results: trả kết quả mô phỏng

36

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống

3.1.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống

3.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ngưng tụ nước từ không khí

Trong đó:

1: Pin năng lượng mặt trời

2: Domino chia điện áp ngõ ra của Pin đến các thiết bị điện 3: Mạch điện tử điều áp, bảo vệ thiết bị điện

37 5: Bộ ngưng tụ

 Nguyên lý hoạt động:

Pin năng lượng mặt trời SLC nhận được bức xạ mặt trời chiếu xuống, nhờ hiệu ứng quang điện của Pin mặt trời chuyển hóa quang năng thành điện năng cung cấp cho hệ thống. Nguồn điện tạo ra được từ Pin mặt trời SLC cấp cho tải sử dụng điện là 2 quạt của bộ tản nhiệt khí TBGN, Peltier PS và quạt tạo dòng không khí thông qua 3 mạch điều áp. Chính 3 mạch điều áp này có chức năng ổn định dòng điện và điện áp không ổn định từ pin mặt trời giúp đảm bảo sự an toàn cho các thiết bị điện. Khi điện được cấp đạt giá trị định mức của thiết bị, các thiết bị hoạt động với thứ tự: Hoạt động đầu tiên là bộ tản nhiệt khí TBGN, sau đó là quạt tạo dòng không khí và sau cùng là Peltier (TEC 12715). Chính hiệu ứng Nhiệt – điện của Peltier là tác nhân chính làm lạnh khối kim loại nhôm Al được kết nối với bề mặt nhận nhiệt của Peltier, nhiệt độ trên bề mặt nhận nhiệt của Peltier đạt giá trị - 5oC và thực hiện quá trình dẫn nhiệt làm cho nhiệt độ ở đỉnh cánh của kim loại nhôm lạnh xuống ở nhiệt độ 3oC, dẫn đến hiện tượng đọng sương của không khí trên bề mặt kim loại nhôm.

38

Hình 3.4: Đồ thị mức độ hoạt động Pin mặt trời. Nguồn [41]

Hệ thống được thiết kế dựa trên ý tưởng từ hiệu ứng nhiệt điện Peltier – Seebeck và khả năng ứng dụng của Pin năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn điện cho hệ thống. với kích thước dạng khối, tổng quan L x W x H = 1300 x 810 x 1245 [mm].

Hình 3.5: Bản vẽ kích thước mô hình

Hệ thống ngưng tụ nước từ không khí sử dụng nguồn điện từ Pin năng lượng mặt trời nên có sự liên kết giữa Pin năng lượng với các thiết bị điện tử trong hệ thống. Thiết kế với 2 tấm Pin năng lượng mặt trời Solaricity mono loại 110 Wp, với tổng kích thước Pin năng lượng mặt trời SLC: L x W x H = 1243mm x 1354mm x 35 mm.

39

Hình 3.6: Mô hình hệ thống 3D

Bề mặt nóng của Peltier được áp vào bề mặt giải nhiệt của thiết bị giải nhiệt khí, với thiết kế tháp đôi – 7 ống nhiệt với đường kính mỗi ống là Ø6, với hiệu ứng Si – phông trong ống nhiệt, khả năng giải nhiệt cho mặt nóng rất hiệu quả và tạo ra độ chênh nhiệt độ rất lớn giữa hai mặt của Peltier. Làm cho bề mặt nhận nhiệt của Peltier đạt xuống nhiệt độ - 5 oC. Tăng khả năng trao đổi nhiệt với không khí và quá trình ngưng tụ nước từ không khí được diễn ra nhanh hơn.

Không gian ngưng tụ nước từ không khí được tái hiện lại như một ống gió. Không khí từ môi trường được luân chuyển qua ống gió bởi 1 quạt hướng trục nhỏ, hút không khí có sẵn trong ống gió ra môi trường bên ngoài. Quá trình hút không khí bên trong ống gió thổi ra ngoài sẽ tạo ra một độ chênh áp nhỏ, chính sự chênh áp này làm cho không khí từ bên ngoài môi trường tự động được luân chuyển qua ống và thực quá trình trao đổi nhiệt với nhôm được làm lạnh bởi Peltier, và diễn ra quá trình ngưng tụ. Lượng nước ngưng tụ sẽ thu hồi thông qua lổ hổng Mica được cắt ngay dưới tấm nhôm.

40

Hình 3.7: Mô hình hệ thống thực tế

41

Hình 3.9: Thông số hệ thống lúc bắt đầu vận hành

42

3.1.3. Các thiết bị chính cấu thành nên mô hình:

Pin năng lượng mặt trời Solaricity mono Panel 110Wp:

Hình 3.11: Pin năng lượng mặt trời thí nghiệm mô hình thực tế

Solarcity mono Panel là loại pin năng lượng mặt trời được tạo từ chất bán dẫn Silic đơn tinh thể dạng ống hình trụ, có độ tinh khiết cao, đều màu và đồng chất.

Bốn mặt ống được cắt thành các tấm mỏng hình chữ nhật đứng màu đen, xếp liền nhau tạo thành khoảng trống màu trắng hình thoi, tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí thành phần.

Loại pin mono này có ưu điểm hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng là 16 – 20 %, hệ số suy giảm công suất chỉ ở mức 30 – 40 % so với trên 50% ở loại pin năng lượng mặt trời loại Poly. Tuổi thọ của loại pin mono cao (khoảng 35 năm) và môi trường làm việc của loại pin này có thể sản sinh ra điện năng trong trường hợp khắc nghiệt hơn loại pin poly, đó là những khu vực ít nắng và không liên tục cũng như khả năng chuyển đổi từ quang năng sang điện năng cho dù lượng bức xạ mặt trời thấp trong điều kiện trời ít nắng.

43 - Peltier TEC – 12715:

Hình 3.12: Peltier thí nghiệm mô hình thực tế

Là loại linh kiện bán dẫn với hai loại bán dẫn P – N, có khả năng chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng với 2 bề mặt nóng – lạnh và có độ chênh nhiệt độ rất lớn khoảng 50 ÷ 70oC. Với nguyên lý làm việc như một bơm nhiệt, bề mặt lạnh của thiết bị này có thể đạt giá trị -5oC khi bề mặt nóng được giải nhiệt tốt. Do đó, sử dụng bề mặt nhận nhiệt của Peltier để chế tạo ra mô hình ngưng tụ nước từ không khí.

- Bộ tản nhiệt khi ID – Cooling SE – 207:

44

Bộ tản nhiệt làm mát bằng không khí 2 tháp SE – 207 với nắp tản nhiệt bằng niken mạ đen, và hai quạt làm mát. Bộ tản nhiệt được trang bị thêm 7 ống nhiệt được hàn vào đế đồng, hai tháp nhôm phẳng, tất cả đều được che phủ bởi nắp niken.

Công suất giải nhiệt: 200W - Mạch điều áp 4.5 – 30VDC/ 15A

Hình 3.14: Mạch điều áp dòng điện cho Peltier thí nghiệm mô hình thực tế

Mạch giảm áp DC hiệu suất cao 95% sử dụng ở dải điện áp 4.5 ÷ 30V, dòng đầu ra lên tới 15A, thích hợp cho các ứng dụng giảm áp cần công suất lớn. Mạch được thiết kế dễ dàng sử dụng với một đầu cấp điện áp và một ngõ ra được điều chỉnh điện áp ra bằng biến trở tinh chỉnh được gắn trực tiếp trên bảng mạch. Bảng mạch được gắn thêm 2 miếng nhôm tản nhiệt cỡ lớn giúp quá trình tản nhiệt tốt hơn, giúp cho công suất bảng mạch được cao hơn.

- Quạt cấp không khí:

45 Kích thước 4cm x 4cm x 1 cm  Điện áp định mức: Vđm = 12 VDC