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 Comsol Multiphyscis
Trên tính toán lý thuyết là nhiệt độ đọng sương của không khí là 27.36oC, thực nghiệm cho thấy nhiệt độ không khí đầu ra là 20.2 oC và đồ thị mô phỏng cho ra kết kết quả dao động từ 20.3 ÷ 20.5oC.
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thể hiện sự giảm độ khô của không khí
58
Thứ nhất là do trở lực của miếng nhôm đến không khí nhỏ. Mặc dù nhiệt độ nhôm được làm lạnh đến ngưỡng nhiệt độ -3 đến -3.5 oC, nhưng không khí được luân chuyển qua ống được làm lạnh và ngưng tụ nước thì không được 100%, một phần gặp trở lực ở miếng nhôm thì lượng không khí đi dưới miếng nhôm để vượt qua trở lực đó - dẫn đến nhiệt độ không khí dưới miếng nhôm từ thực nghiệm và mô phỏng đều cho ra kết quả nhiệt độ không khí thấp hơn nhiệt độ môi trường chỉ 1 đến 1.5 oC.
Thứ 2 nữa là không khí thất thoát theo đường lấy nước ngưng ở đồ án của nhóm, lượng không khí liên tục được cấp vào mà không có hồi lưu lại bởi lượng không khí bị thất thoát nên độ khô của không khí sau khi đi qua vùng làm lạnh ở miếng nhôm là suy giảm rất ít (chỉ khoảng 0.02 đến đến 0.029).
Do đó, trên miếng nhôm vẫn nhanh chóng tạo được màng nước trên bề mặt nhưng để tạo thành giọt nước rơi xuống thì khá lâu, thí nghiệm thực tế cho thấy có giọt nước rơi xuống kể từ lúc vận hành hệ thống một khoảng thời gian nhất định, sự suy giảm độ khô của không khí thể hiện không đáng kể, từ kết quả mô phỏng được thể hiện trên, ta có thể thấy độ khô của không khí giảm rất ít (chỉ trong khoảng 0.025 ÷ 0.03). Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, độ ẩm lại vùng không khí giữa các khe hẹp trên miếng nhôm được làm lạnh bởi Peltier, tuy nhiệt độ ở đỉnh cánh đạt giá trị tối thiểu -2oC, song độ ẩm không khí đạt 85
÷ 90 %. Có thể nói, lượng không khí luân chuyển qua miếng nhôm được ngưng tụ thành lỏng còn rất ít và dường như bị thất thoát khá nhiều. Điều đó được thể hiện khá rõ bởi sự ảnh hưởng trực tiếp từ bức xạ mặt trời đến quá trình làm việc của hệ thống. Điều này sẽ được kiến nghị khắc phục ở phần dưới.
4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước
Nhiệt độ môi trường là một trong những nhân tố chính tác động đến quá trình ngưng tụ nước, nhiệt độ môi trường nằm trong khoảng 32 ÷ 40oC và nhiệt độ trung bình đạt 37oC cho thời tiết trời nắng, tại điều kiện trời mây khoảng 30 ÷ 35oC và nhiệt độ trung bình đạt 33.4oC.
Luồng không khí cấp vào từ quạt cấp có nhiệt độ ứng với nhiệt độ môi trường, nếu nhiệt độ cao sẽ cần một lượng lớn nguồn nhiệt để làm lạnh không khí đến nhiệt độ đọng sương. Bên cạnh đó, nhiệt độ môi trường khi tăng cao sẽ làm cho các tấm Pin năng lượng mặt trời hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể, làm gia tăng nhiệt độ bề mặt Pin – do Pin mặt
59
trời được thiết kế, chế tạo và thí nghiệm trong điều kiện khá lý tưởng ở nhiệt khoảng 25oC, vì thế việc tăng nhiệt độ bề mặt Pin quá cao rất dễ gây ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của pin mặt trời.
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều kiện ngày nắng kiện ngày nắng
Hình 4.5: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ
nước vào ngày nắng
Qua đồ thị trên ta thấy nhiệt độ môi trường đạt giá trị cao nhất là 40.4oC vào lúc 12h50. Nhiệt độ môi trường đạt giá trị thấp nhất là 31.3 vào lúc 9h00, và nhiệt độ trung bình là 35.2oC. Lượng nước ngưng tụ được nhìn chung tăng đều theo thời gian do nhiệt độ môi trường thay đổi không quá lớn.
60
4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều kiện ngày mây điều kiện ngày mây
Hình 4.6: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ
nước vào ngày mây
Khác với ngày nắng, ở đồ thị ngày mây thì nhiệt độ môi trường trong khoảng từ 30.3oC đến 33.8oC (nhiệt độ cao nhất rơi vào lúc 12h40), trung bình nhiệt độ môi trường là 33.04oC. Đối với độ ẩm môi trường, nằm trong khoảng từ 71% đến 82% (cao nhất vào lúc 11h15). Ngoài ra, quá trình ngưng tụ nước diễn ra chậm, thu được tối đa là 93ml.
Thông qua 2 đồ thị trên, ta có thể thấy thông số nhiệt độ môi trường trong điều kiện trời nắng dao động tương đối không đáng kể - trong khoảng từ 30 ÷ 37oC, thường lên cao vào giữa trưa với 39 ÷ 40oC nên đòi hỏi một nguồn nhiệt lượng làm lạnh rất lớn để duy trì nhiệt độ đọng sương trong buồng lạnh.
Riêng đối với ngày nhiều mây, nhiệt độ môi trường thường không cao, chỉ dao động trong khoảng 30 ÷ 34oC nên không gây ảnh hưởng nhiều đến quá trình ngưng tụ nước từ không khí nhưng lại gây ra một tác động xấu khác đó chính là giảm lượng bức xạ mặt trời.
61
4.3. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống
Bức xạ mặt trời có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình làm việc của hệ thống, đây là một trong những nhân tố chính quyết định hiệu quả làm việc của hệ thống. Bức xạ càng cao sẽ cho ra nguồn điện với cường độ và hiệu điện thế càng cao và các thiết bị sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Tuy nhiên, yếu tố thời tiết lại là nguyên nhân chính cản trở đến quá trình hấp thu bức xạ mặt trời của Pin. Cụ thể, khi trời nhiều mây thì lượng bức xạ nhận được rất thấp, làm giảm đáng kể công suất làm lạnh của Peltier, từ đó làm chậm quá trình ngưng tụ nước và hơn thế nữa, việc thiếu hụt bức xạ mặt trời sẽ làm cho các thiết bị điện làm việc thiếu tải, cụ thể là hệ hống giải nhiệt cho Peltier hoạt động không đủ công suất vốn có, làm cho quá trình giải nhiệt cho bề mặt tỏa nhiệt của Peltier không hiệu quả dẫn đến Peltier dễ cháy hỏng thiết bị. Ngoài ra thì khi trời mưa thì hệ thống hầu như không làm việc được. Cho nên, để đảm bảo đáp ứng yêu cầu làm việc và tránh các sự cố trên, ta thường hay lắp thêm bộ sạc cho pin mặt trời (battery) mà phần sau đề tài nghiên cứu sẽ kiến nghị.
4.3.1. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống trong điều kiện ngày nắng
Hình 4.7: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp của toàn hệ
62
Đồ thị trên cho thấy điện áp của pin nằm trong khoảng từ 15.9VDC đến 18.8VDC (cao nhất vào lúc 13h30), trung bình điện áp toàn hệ thống là 17.58V. Điện áp hệ thống làm việc hiệu quả thường rơi vào khoảng thời gian giữa trưa và giảm dần lúc về chiều, đây là khoảng thời gian trời quang mây và cũng là đỉnh điểm lúc 13h cho hiện tượng thiên đỉnh của mặt trời, Pin năng lượng luôn được hứng trọn vẹn bức xạ mặt trời với hướng đặt pin theo hướng nam – bắc, là vị trí luôn nhận được lượng bức xạ từ mặt trời tối ưu nhất.
Hơn nữa, đây là đại lượng chịu sự tác động trực tiếp từ bức xạ mặt trời bởi cường độ bức xạ mặt trời, cường độ bức xạ càng cao thì điện áp hệ thống càng cao, tính hiệu quả trong quá trình vận hành và thí nghiệm thu thập số liệu diễn ra thuận lợi và chính xác hơn. Đây chính là một trong những yếu tố dẫn đến tính tương ứng, xấp xỉ giữa các kết quả thí nghiệm, tính toán cũng như mô phỏng (sẽ được đề cập trong phần sau của chương kết quả dưới đây).
Do đó, sự ổn định của bức xạ mặt trời là chìa khóa đáp ứng điều kiện làm việc ổn định của hệ thống thí nghiệm xuyên suốt từ 9h đến 15h trong điều kiện trời nắng.
Hình 4.8: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến cường độ dòng điện của
63
Qua hai đồ thị thể hiện tường minh nhất cho sự ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ mặt trời đến các thông số ở môi trường (nhiệt độ, độ ẩm của không khí) và thông số điện áp (điện áp do Pin sản sinh ra và điện áp tiêu thụ của hệ thống), đã cho chúng ta thấy được tầm quan trọng của bức xạ mặt trời trong quá trình vận hành hệ thống thực nghiệm và tiến hành cấp không khí để ngưng tụ nước là lớn như thế nào. Tại điều kiện trời nắng, bức xạ mặt trời luôn đạt ngưỡng tối thiểu là 824 W/m2 và hơn thế nữa là cường độ bức xạ mặt trời chúng ta nhận được luôn vượt ngưỡng 1000 W/m2 trong suốt khoảng thời gian từ 9h30 đến 14h15, cường độ bức xạ trong khoảng thời gian trên đạt được từ 1003 ÷ 1100 W/m2 và lượng điện năng nhận được từ Pin mặt trời vào khoảng 17.24 ÷ 18.8 VDC với điện áp và khoảng 8.93 ÷ 9.7A ở cùng thời điểm.
Điều đó đã thể hiện được tính ổn định mà hệ thống vận hạnh được nhờ nguồn điện mà Pin mặt trời sản sinh ra được. Đồng thời quá trình ngưng tụ nước sẽ diễn ra được nhanh hơn và suôn sẻ hơn với lượng nước thu được khoảng 172 ml/6h.
4.3.2. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống trong điều kiện ngày mây
Hình 4.9: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp toàn hệ thống
vào ngày mây
Điện áp đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ hống, đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình vận hành hệ thống. Tuy nhiên, sự cản trở của mây khiến lượng điện
64
được sản sinh ra cấp cho hệ thống không được đảm bảo công suất và tính hoạt động ổn định trong hệ thống.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, điện áp trung bình mà nguồn Pin năng lượng mặt trời cấp cho hệ thống đạt 8.49A, chỉ đạt mức xấp xỉ 85% lượng điện năng cần của hệ thống, dẫn đến tính ổn định trong quá trình vận hành hệ thống trong điều kiện trời mây là không cao dẫn đến kết quả thu được từ quá trình chạy hệ thống chỉ đạt 0.538% so với lượng nước ngưng tụ được với sự hoạt động ổn định trong điều kiện trời nắng.
Hình 4.10: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến cường độ dòng điện
toàn hệ thống vào ngày mây
Như đã đề cập ở phần trước, bức xạ mặt trời là nhân tố ảnh hưởng gần như 100% đến quá trình vận hành và làm việc của hệ thống. Song, tác nhân xấu ảnh hường đến bức xạ mặt trời xuống đất chính là mây. Chính sự cản trở này dẫn đến cường độ bức xạ không thể đến với mặt đất một cách liên tục được, thay vào đó nhiệt độ môi trường được giảm xuống với nhiệt độ trung bình khoảng 35.23oC và độ ẩm môi trường tăng lên rất cao trong khoảng 71 ÷ 81%, đây là dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm lý tưởng để thực hiện quá trình ngưng tụ nước từ không khí.
Từ đồ thị ở hình 4.9 và hình4.10, có thể nói sự tăng – giảm của điện áp và cường độ dòng điện mà Pin năng lượng mặt trời có thể sản sinh ra được và cung cấp cho hệ
65
thống so với sự tăng giảm cường độ bức xạ mặt trời có mối quan hệ gắn liền với nhau. Sở dĩ như vậy chính là do sự hấp thụ trực tiếp tiếp bức xạ từ Pin năng lượng mặt trời sẽ sản sinh ra điện áp cần thiết để nuôi các thiết bị điện tử trong hệ thống với sự duy trì hoạt động theo khả năng vốn có của nó. Tuy nhiên, chính sự không ổn định về quá trình hấp thụ bức xạ của Pin mặt trời đã làm cho hệ thống vận hành không suôn sẻ và ngắt đoạn. Cụ thể thời gian không có nắng kéo dài từ 13h10 đến 15h00, điện áp mà Pin năng lượng mặt trời sản sinh ra được trong khoảng thời gian trên từ 4.9 ÷ 8.6 VDC và cường độ dòng điện chỉ đạt mức 2.5 ÷ 4.35A ở cùng thời điểm đó.
Từ đồ thị trên, ta có thể kết luận được rằng lượng nước thu được từ hệ thống trong điều kiện trời mây sẽ ít hơn lượng nước thu được trong điều kiện trời nắng khá nhiều, do có 1 khoảng thời gian dài không có nắng. Chính hiện tượng này xảy ra, dẫn đến sự thiếu hụt điện năng trầm trọng cho các thiết bị tiêu thụ điện trong hệ thống, và đây cũng là mối nguy hại đến Peltier do thiết vị giải nhiệt hoạt động không hết công suất vốn có của nó, chính điều này làm cho bề mặt tỏa nhiệt của Peltier truyền nhiệt ngược lại cho bề mặt nhận nhiệt của chính nó và rất nguy hiểm cho hệ thống.
4.4. Lượng nước ngưng tụ được.
4.4.1. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày nắng
Hình 4.11: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày nắng.
66
Qua đồ thị trên, ta dễ dàng thấy được quá trình hình thành và ngưng tụ nước diễn ra một cách nhanh chóng, bắt đầu xuất hiện các giọt nước ngưng tụ sau khoảng 15 phút làm việc của hệ thống. Lượng nước tối đa mà hệ thống sản xuất ra được đạt giá trị khoảng 172ml, cường độ bức xạ mặt trời cao nhất rơi vào tầm giữa trưa lúc 12h55 với 1099 W/m2, trung bình giá trị của bức xạ mặt trời là 1027.5 W/m2. Có thể thấy rằng bức xạ mặt trời càng cao thì đường đồ thị của lượng nước ngưng tụ càng dốc. Hay nói cách khác, giá trị của lượng nước ngưng tụ được phụ thuộc vào giá trị của cường độ bức xạ mặt trời, bức xạ càng cao kéo theo quá trình ngưng tụ nước diễn ra nhanh hơn và ngược lại, quá trình ngưng tụ nước diễn ra chậm khi cường độ bức xạ thấp (lượng nước ngưng không hề giảm đi).
4.4.2. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày mây
Hình 4.12: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày mây
Trái ngược với ngày nắng, đường đồ thị biểu hiện giá trị lượng nước ngưng tụ được ở ngày mây ít dốc hơn. Đồng thời quá trình hình thành và ngưng tụ nước diễn ra chậm hơn (sau 30 phút hệ thống hoạt động). Lượng nước tối đa hệ thống thu được 93ml, ít hơn nhiều so với ngày nắng và giá trị trung bình của cường độ bức xạ mặt trời là 436.9 W/m2. Mặc dù lượng nước thu được ít hơn nhưng giữa chúng vẫn luôn tồn tại mối quan hệ gắn liền với nhau, cường độ bức xạ quyết định sự nhanh hay chậm quá trình ngưng tụ nước.
67
4.4.3. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày mưa
Hình 4.13: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày mưa
Từ đồ thị trên, ta dễ dàng nhìn thấy được lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện