Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều

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 trời mưa là rất ít, chỉ đạt 9ml/ 6h và bằng 0.05 lần so với lượng nước thu nhận được từ hệ thống trong điều kiện trời nắng.

Nhìn chung, tuy điều kiện trời nắng làm cho nhiệt độ và độ ẩm trong không khí tăng lên cao. Nhưng chính sự hoạt động ổn định của hệ thống vẫn đủ khả năng để làm cho nhiệt độ không khí tại vùng ngưng tụ hạ thấp quá ngưỡng ngưng tụ của không khí, với nhiệt độ ngưng tụ 20.2oC từ quá trình thực nghiệm thực tế so với nhiệt độ đọng sương tính toán lý thuyết là 27.36oC. Hơn nữa, tại những vị trí cánh nhôm, ngoài nhiệm vụ được làm lạnh và thực hiện quá trình ngưng tụ nước từ không khí, chính những cánh nhôm này có chức năng cản trở dòng không khí đi qua nó và lưu giữ không khí được lâu hơn trước khi được ngưng tụ và rời khỏi những cánh nhôm trên. Do đó, trong quá trình đo đạc, độ ẩm không khí sẽ rất cao trong khoảng 87 ÷ 90% so với độ ẩm môi trường.

68

Trong điều kiện trời mây, lượng nước thu được từ hệ thống xấp xỉ 0.54 lần so với lượng nước thu được từ hệ thống trong điều kiện trời nắng, cụ thể lượng nước thu nhận được từ hệ thống là 93ml/ 6h. Tuy cường độ bức xạ là không đều, nhưng trái lại điều kiện môi trường cung cấp cho hệ thống là rất lý tưởng với độ ẩm rất cao và nhiệt độ môi trường trung bình, do đó việc ngưng tụ nước diễn ra chậm hơn so với điều kiện trời nắng.

4.5. Hệ số làm lạnh của Peltier

Hình 4.14: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hệ số làm lạnh COP của hệ thống vào ngày nắng.

Tại điều kiện trời nắng, sự thay đổi nhiệt độ môi trường, bức xạ mặt trời cũng như lượng điện năng sinh ra đã phần nào tác động rất lớn đến hệ số COP cả hệ thống trong suốt thời gian chạy hệ thống. Trong khoảng thời gian từ 9h đến 9h25, tuy bức xạ mặt trời chỉ đạt khoảng từ 939 ÷ 997 W/m2, nhưng hệ số COP đạt mức trung bình tương đối cao 0.297/0.355 của hệ thống khi đạt hệ số COP cao nhất tại thời điểm 12h40.

Trong suốt khoảng thời gian từ 9h30 đến 14h15, cường độ bức xạ mặt trời luôn có ngưỡng dưới cao hơn 1000W/m2, trong khoảng từ 1003 ÷ 1100 W/m2 nhưng hệ số COP trung bình tăng không đáng kể so với 30 phút đầu vận hành hệ thống với độ tăng COP là 0.001817. Điều này cho thấy được rằng, tuy điện áp do Pin mặt trời cùng cấp cho hệ

69

thống là tăng theo chiều thuận với bức xạ mặt trời trời, nhưng chính lượng nhiệt từ các tia bức xạ làm nhiệt độ môi trường nóng lên, dẫn đến tính hiệu quả năng lượng giảm xuống mặc dù điện năng sản sinh là được là cung cấp đủ cho hệ thống luôn duy trì trong thời gian dài, chính điều này làm cho COP của cả hệ thống chưa được tăng cao.

Hình 4.15: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hệ số làm lạnh COP của hệ thống vào ngày mây

Chính sự tăng – giảm đột ngột của bức xạ mặt trời như trong đồ thị hình 4.15, hệ số COP của hệ thống tăng giảm bất chợt, mặc dù bức xạ mặt trời chỉ đạt mức trung bình là 436.9 W/m2, nhưng xét về mặt lý luận về hệ số COP cho thấy được những tín hiệu như sau:

Thứ nhất, bức xạ mặt trời đến được mặt đất nhiều hay ít đều bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khách quan, chủ yếu là mây. Bức xạ mặt trời luôn đảm bảo ở ngưỡng rất cao tại 1100 W/m2 và lại giảm chỉ sau 5 đến 7 phút. Nhưng hệ số COP vẫn có thể đạt được mức trung bình tại 0.3 là nhờ vào nhiệt độ không khí môi trường tác động đến

Thứ hai, chính sự tăng giảm tức thời lượng bức xạ đến bề mặt đất, làm cho sự nóng lên của không khí ở môi trường xung quanh không được diễn ra liên tục, dẫn đến sự truyền nhiệt đối lưu từ không khí đến bộ tản nhiệt không được liên tục, và sự ảnh hưởng ngược lại từ nhiệt độ không khí môi trường đến hệ thống tản nhiệt Peltier không diễn

70

ra mạnh mẽ. Nhiệt độ không khí môi trường trong điều kiện trời mây cao nhất 33.8oC và thấp nhất 30.3oC, là khoảng nhiệt độ giải nhiệt rất tốt cho bộ tản nhiệt khí, nâng cao