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 Cường độ dòng điện định mức: Iđm = 0.15 A - Mạch giảm áp XL4016E1 8A Hình 3.16: Mạch giảm áp XL4016E1 - 8A Điện áp vào: 4 ÷ 40 VDC Dải ra: 1.25 ÷ 36 VDC Dòng điện cực đại: 8 A
Nhiệt độ làm việc: - 40 ÷ + 85oC
3.1.4. Mạch giảm áp DC – DC XL4015 4 ÷ 38V/ 5A
46 Dải điện áp vào: 4 ÷ 38VDC
Dải điện áp ra: 1.25 ÷ 36 VDC Dòng điện ngõ ra tối đa: 5A Nhiệt độ: -40 ÷ +85oC
3.2. Phương pháp thí nghiệm
Dựa trên điều kiện hết sức lý tưởng ở Việt Nam với độ ẩm trong không khí lên đến 80%, cùng với trung bình cường độ bức xạ tại Việt Nam (cụ thể tại Thành phố Hồ Chí Minh là tương đối lớn). Nhóm đã đưa ra ý tưởng thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình và đồng thời cũng thực nghiệm trên mô hình tại ba điều kiện khác nhau. Nhằm đưa ra sự so sánh mang tính khách quan nhất về thực trạng điều kiện khí hậu ở thành phố Hồ Chí Minh ảnh hưởng như thế nào cho nghiên cứu ngưng tụ nước từ không khí.
Mục tiêu thực nghiệm và kết quả thực nghiệm phản ánh cụ thể 3 trường hợp điều kiện khác nhau diễn biến tại Thành phố Hồ Chí Minh là điều kiện trời nắng (quang mây), điều kiện trời mây và sau cùng là điều kiện trời mưa.
Từ thực nghiệm trên mô hình thực, nhóm đã tiến hành thực nghiệm rất nhiều lần và thu thập được bảng số liệu ứng với từ điều kiện cụ thể, đưa ra được đồ thị và tiến hành nhận xét - so sánh sự khác nhau cũng như sự ảnh hưởng như thế nào trong từng điều kiện cụ thể đến với quá trình ngưng tụ nước từ không khí. Sự so sánh, đối chiếu được đồ thị hóa trong chương 4. Các thông số chính yếu cho thực nghiệm được thực hiện đo đạc tỉ mỉ và khoảng cách thời gian cho những lần thu thập số liệu là 5 phút/ lần, nhằm đưa ra được tính khách quan nhất cho đánh giá ứng với mỗi điều kiện môi trường cụ thể và được diễn ra xuyên suốt trong 6 giờ (từ 9h –15h). Các thông số đặc trưng cần thực nghiệm thu thập từ mô hình bao gồm bức xạ mặt trời, dòng điện và điện áp do Pin mặt trời sản sinh ra được từ quá trình hấp thu bức xạ Pin mặt trời, dòng điện và điện áp tiêu thụ của Peltier, điều kiện môi trường bao gồm nhiệt độ và độ ẩm không khí, tốc độ gió cấp vào không gian làm lạnh ngưng tụ nước... các thông số này được thu thập và tiến hành vẽ đồ thị, đối chiếu kết quả thu được và đưa ra so sánh, kết luận cho những điều kiện trên và được cụ thể hóa trong các phần trình bày kế tiếp.
47
3.3. Các thiết bị đo
3.3.1. Đo bức xạ mặt trời:
Hình 3.18: Thiết bị đo Cường độ bức xạ mặt trời
Thông Số Kỹ Thuật Máy đo bức xạ mặt trời Tenmars TM – 750: Thang đo :4000 W / m2, 634 Btu / h, ft2 × h
Độ phân giải: 1W / m2, 1 Btu / h, ft2 × h
Độ chính xác: thường trong vòng 10W / m2 ± 3 (Btu / ft2 × h) hoặc ± 5% Nhiệt độ bù trừ: gây ra lỗi 0.38W / m2 / ºC ± 0.12 Btu / (ft2 × h) / ºC từ 25ºC Độ chính xác góc: Cosine corrected, ºC
Thời gian lấy mẫu: Khoảng 0,25 s Trọng lượng: Khoảng 80g
Kích thước: 108 (L) ×48 (W) × 23 (H) mm Nguồn: 2 pin AAA 1.5V.
48
3.3.2. Đo tốc độ gió
Hình 3.19: Thiết bị đo tốc độ gió
Thông số hoạt động: Điện áp hoạt động: 9V
Kích thước: 220mm × 58mm × 35mm Trọng lượng: 107g
Khoảng đo: 196 – 4900 ft/min hoặc 0.3 – 30.00 m/s Sai số: ± (3% + 40 ft/min) hoặc ± (3% + 0.20 m/s)
49
3.3.3. Đo nhiệt độ
Hình 3.20: Đồng hồ đo nhiệt độ
Dải nhiệt độ đo: -50 oC ÷ 110oC Sai số đo: ± 3%
Loại cảm biến: cặp nhiệt điện NTC 10K / 3435 Hiệu điện thế hoạt động: 1,5V
50
3.3.4. Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí
Hình 3.21: Đồng hồ đo nhiệt độ - độ ẩm
Kích thước: 48 × 28,6 × 15,2 mm Kích thước LCD: 35,7 × 16,8 mm Trọng lượng: 25g
Phạm vi đo độ ẩm từ 10 ÷ 99%.
Thời gian xác định, đo độ ẩm 10 giây, Độ chính xác đo độ ẩm ± 5% Phạm vi đo nhiệt độ từ -50 ÷ 70oC.
Độ chính xác đo nhiệt độ ± 1 độ (ở nhiệt độ thường) Sử dụng 2 pin cúc LR44
51
3.3.5. Đo điện áp hoạt động của hệ thống
Hình 3.22: Đồ hồ đo điện áp hoạt động của hệ thống
Màn hình LED 0.28 inch LED hiển thị Đỏ – Xanh
Điện áp hoạt động DC 3.5 ÷ 30V Đo điện áp 0 ÷ 100V
Áp tối thiểu (V) 0.1 V
Đo chính xác 1% (± 1 chữ số) Dòng tối thiểu (A) 0.01A Đo dòng tối đa 50A
Nhiệt độ hoạt động -10 ÷ 65°C Độ ẩm hoạt động 10 ÷ 80 %
52
3.4. Các phương pháp đo
3.4.1. Đo nhiệt độ bộ tản nhiệt
Để thực hiện việc đo nhiệt độ của bộ tản nhiệt và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, nhóm đã sử dụng cảm biến nhiệt độ điện tử, thực hiện việc đo nhiệt độ bộ tản nhiệt trên bề mặt các cánh nhôm tản nhiệt, nơi dòng không khí sau khi giải nhiệt chuyển động qua. Đầu cảm biến sẽ ngập trong khoảng không gian của dòng không khí đi qua. Khi đo sẽ cho nhiệt độ chính xác hơn, sự dẫn nhiệt tiếp xúc sẽ tốt hơn.
Hình 3.23: Lắp sensor đo nhiệt độ tại bộ tản nhiệt khí SE - 207
3.4.2. Đo nhiệt độ, độ ẩm của dòng không khí trước và sau khi được làm lạnh
Nhóm đã thực hiện đặt cảm biến của đồng hồ đo nhiệt độ và độ ẩm tại 2 vị trí khác nhau. Vị trí thứ nhất để đo nhiệt độ và độ ẩm không khí cấp vào buồng lạnh, tương đương với nhiệt độ và độ ẩm môi trường xung quanh.
53
Hình 3.24: Đặt đồng hồ đo nhiệt độ môi trường gần ngõ vào của buồng lạnh
Vị trí thứ 2, cảm biến được đặt gần sát với nhôm làm lạnh ngay tại phía ra của dòng không khí sau khi làm lạnh. Vị trí này có thể đo một cách chính xác nhiệt độ và độ ẩm của dòng không khí sau khi được đọng sương, tránh tình trạng chênh lệch nhiệt độ do tổn thất nhiệt qua vách buồng.
3.4.3. Đo cường độ bức xạ mặt trời
Nhóm đã đo cường độ bức xạ mặt trời bằng cách đặt máy đo bức xạ mặt trời gắn vuông góc với bề mặt pin năng lượng mặt trời. Như vậy, cường độ bức xạ mặt trời phản ánh qua máy đo sẽ chính xác với cường độ bức xạ mặt trời mà pin năng lượng mặt trời nhận được.
54
Hình 3.25: Đặt đồng hồ đo cường độ bức xạ mặt trời vuông góc với pin mặt trời
3.4.4. Đo tốc độ dòng không khí cấp
Nhóm tiến hành đo tốc độ dòng không khí cấp lần lượt tại ngõ vào và ra của buồng lạnh, sau đó lấy giá trị trung bình sẽ cho giá trị chính xác vận tốc dòng không khí chuyển động qua nhôm làm lạnh.
55
Hình 3.26: Đặt đồng hồ đo tốc độ gió tại vị trí ngõ vào của buồng lạnh
3.4.5. Đo điện áp, cường độ dòng điện
Nhóm đã sử dụng đồng hồ đo cường độ và điện áp để đo cường độ dòng điện, điện áp của chip TEC_12715 và toàn bộ hệ thống điện của mô hình. Sơ đồ lắp đặt của đồng hồ như sau:
56
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1. Kết quả mô phỏng truyền nhiệt trên Comsol Multiphysics
4.1.1. Kết quả mô phỏng
Hình 4.1: Kết quả mô phỏng truyền nhiệt giữa Kim loại Nhôm và không khí
Theo kết quả thực nghiệm cho thấy không khí đầu ra được làm lạnh xuống 20.2oC, nhiệt độ này thấp hơn 5.16oC ở nhiệt độ đọng sương tính toán của không khí và 6.92oC ở nhiệt độ đọng sương lý thuyết của không khí, với điều kiện không khí đầu vào là 31oC - 80%.
57
Hình 4.3: Đồ thị thể hiện nhiệt độ đầu ra của không khí từ kết quả mô phỏng số trên