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 hiệu quả làm việc của hệ thống mặc cho cường độ bức xạ trong thời tiết trời mây không ổn định.
Hình 4.16: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch hệ số làm lạnh của toàn hệ thống trong 3 trường hợp thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy, hệ số làm lạnh của Peltier trong điều kiện trời mây vẫn cao hơn 33% so với trường hợp ở điều kiện trời nắng, và sấp sỉ 70% so với trường hợp ở điều kiện trời mưa. Tuy lượng nước thu được ở trường hợp trời mây không cao nhưng chính sự lý tưởng hóa về điều kiện môi trường về nhiệt độ và độ ẩm không khí đã làm cho hệ số làm lạnh của Peltier cao hơn cả so với hai trường hợp còn lại.
Từ kết quả đồ thị thể thiện trên hình 4.17, ta có thể thấy được kết quả nhiệt độ không khí đầu ra mô phỏng có độ sai số với kết quả thực nghiệm cũng như tính toán là rất bé với độ sai số ∆ξt ~ (0.495 ÷ 1.485) %.
71
Hình 4.17: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ không khí đầu ra khỏi hệ thống giữa dữ liệu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng
Sự chênh lệch nhiệt độ của không khí đầu ra khỏi hệ thống giữa lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng không có sự chênh lệch lớn. Tại nhiệt độ không khí đầu vào trung bình 35.226oC, nhiệt độ không khí đầu vào cao nhất với 40.4oC và nhiệt độ không khí đầu vào thấp nhất với 31oC trong điều kiện ngày nắng. Kết quả từ độ thị cho thấy nhiệt độ không khí đầu ra theo lý thuyết trung bình 22.237oC, theo thực nghiệm là 21.551oC và theo mô phỏng với 21.737oC. Như vậy cho thấy, sự sai lệch giữa mô phỏng và lý thuyết trung bình khoảng 3.28% và giữa mô phỏng với thực nghiệm khoảng 1.547%.
Cụ thể, ứng với nhiệt độ không khí đầu vào cao nhất là 40.4oC và thấp nhất với 31oC thì nhiệt độ không khí đầu ra của không khí theo lý thuyết cao nhất là 24.2oC, thấp nhất 20.1oC, nhiệt độ không khí đầu ra theo thực nghiệm cao nhất là 23.7oC và thấp nhất là 20.3oC. So với mô phỏng số, độ chênh lệch kết quả mô phỏng lớn nhất vào khoảng 5.256% và sai số nhỏ nhất là 0.59%. Độ chênh lệch kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm lớn nhất là 4.96% và thấp nhất là 0.04%.
Như vậy, từ những kết quả cụ thể vừa nêu trên, tại điều kiện lý tưởng nhất để cho lượng điện được sản sinh ra đủ để cung cấp cho hệ thống hoạt động bình thường và ổn
72
định trong điều kiện trời nắng. Với dữ kiện thu thập được từ thực nghiệm, điều kiện khách quan tự nhiên cũng như kết quả mô phỏng được, cho thấy lượng nước ngưng tụ được phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của môi trường (như đã đề cập ở phần trên). Tuy nhiệt độ không khí được làm lạnh xuống nhiều so với nhiệt độ đọng sương từ 3.66 ÷ 7.06oC, nhưng độ ẩm trong không khí lại không cao nên dẫn đến lượng nước ngưng tụ không nhiều, chỉ 172 ml/6h.
Hình 4.18: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến nhiệt độ không khí ra khỏi hệ thống giữa tính toán, thực nghiệm và mô phỏng
Bức xạ mặt trời luôn là nhân tố làm ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt độ đọng sương của không khí môi trường, ứng với bước nhảy về nhiệt độ, độ ẩm của không khí môi trường thì nhiệt độ đọng sương luôn biến thiên, trong khoảng từ 1 ÷ 2 oC trong điều kiện trời nắng, chính điều này cũng làm ảnh hướng đến tính ổn định khi vận hành hệ thống.
73
Hình 4.19: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ không khí đầu ra khi nhiệt độ không khí môi trường thay đổi giữa tính toán, thực nghiệm và mô phỏng
Từ đồ thị ở Hình 4.18 và Hình 4.19, ta thấy được sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và độ ẩm môi trường đến nhiệt độ không khí trước khi vào hệ thống và sau khi ra khỏi hệ thống lớn đến như thế nào. Cụ thể, độ ẩm môi trường thấp nhất là 70% vào khoảng 9h00 đến 9h35. Trong khoảng thời gian này, nhiệt độ không khí ở môi trường cao nhất là 33oC và thấp nhất là 31oC (nhiệt độ trung bình là 32.4oC). Trong khoảng thời gian này, nhiệt độ không khí được làm lạnh bởi dàn ngưng tụ xuống thấp nhất là 20.1oC theo tính toán và 20.3oC theo thực nghiệm và sai lệch kết quả 0.83% so với mô phỏng, tại cường độ bức xạ trung bình 984.75W/m2 và lượng nước đạt được là 10ml/35 phút.
Hơn nữa, lượng bức xạ mặt trời từ 10h30 đến lúc mặt trời lên thiên đỉnh có cường độ bức xạ rất cao – sấp sỉ 1100W/m2. Trong khoảng thời gian này, độ ẩm môi trường chỉ đạt từ 48 ÷ 61 %, nhiệt độ không khí cấp vào hệ thống trong khoảng 34 ÷ 40oC, là ngưỡng nhiệt độ không khí cấp vào hệ thống cao nhất trong ngày. Nhiệt độ không khí được làm mát xuống 23.27oC theo kết quả mô phỏng số và sai số 3.843 % so với tính toán và 1.848 % so với thực nghiệm, lượng nước đạt được là 2.37ml/ 35 phút.
74
Từ hai nhận định trên, ta có thể thấy sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và độ ẩm môi trường tác động đến quá trình trao đổi nhiệt trong không khí với dàn ngưng tụ và đồng thời đến quá trình ngưng tụ nước từ không khí một cách rõ rệt. Trong không khí chứa lượng ẩm lớn, cụ thể 70 ÷ 80 % độ ẩm, giúp cho quá trình trong đổi nhiệt giữa không khí và dàn ngưng tụ diễn ra nhanh hơn với ∆t = 9.7 oC, hiệu quả hơn trong quá trình ngưng tụ nước từ không khí. Ngược lại, lượng ẩm trong không khí thấp hơn chỉ trong khoảng 48÷ 61% và nhiệt độ không khí trung bình cao khoảng 35.8oC, dẫn đến quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí đầu vào và dàn ngưng tụ diễn ra chậm hơn và quá trình ngưng tụ nước từ không khí diễn ra chậm hơn so với lượng không khí cấp vào có độ ẩm lớn và nhiệt độ thấp hơn.
75
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận
Kết quả mô phỏng đã minh chứng cho kết quả của quá trình thực nghiệm trên mô hình có độ sai số rất bé, dao động từ 0.6 ÷ 5% giữa mô phỏng và tính toán lý thuyết và từ 0.05 ÷ 4.96% giữa mô phỏng và thực nghiệm. Qua kết quả mô phỏng chuyển pha, độ khô của không khí giảm không đáng kể, từ 0.525 xuống 0.495 cho thấy quá trình ngưng tụ nước diễn ra ổn định nhưng lượng nước ngưng tụ được không đáng kể, mặc dù nhiệt độ nhôm được làm lạnh rất sâu -2 oC nhưng lượng không khí được ngưng tụ lại còn ít và chưa thực sự hiệu quả.
Mô hình ngưng tụ nước từ không khí, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ pin mặt trời (không sử dụng battery), đã hoạt động tương đối hiệu quả trong điều kiện trời nắng. Nguồn điện cung cấp cho hệ thống đạt 97% so với tổng điện năng tiêu thụ của hệ thống. Lượng nước ngưng tụ trong điều kiện trời nắng đạt 172ml/ 6h tại điều kiện cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày rất cao 1027.548 w/m2, nhiệt độ môi trường cao nhất đạt 40.4oC dẫn đến độ ẩm của không khí trong điều kiện trời nắng giảm rất nhanh từ 58% xuống 48% trong khoảng thời gian từ 12h10 đến 14h00, điện áp đầu ra rất ổn định (đạt ngưỡng 8.36A và 16.588 VDC) trong suốt thời gian gian thực nghiệm từ 9h đến 15h nên hệ thống chạy không bị ngắt quảng do đó quá trình ngưng tụ nước luôn được diễn ra và hệ số COP của hệ thống luôn đạt mức trung bình tại 0.3 và giá trị hệ số COP cao nhất đạt 0.356.
Ở điều kiện trời mây, cường độ bức xạ trong ngày phần lớn bị mây che, sự tăng – giảm bất chợt, cường độ bức xạ trung bình ngày chỉ đạt 436.904 w/m2. Nhiệt độ môi trường cao nhất chỉ 33.8 oC và độ ẩm trung bình ngày rất cao, gần như trên 70%. Điện năng sản sinh ra không ổn định, phần lớn dao động từ 1.99 ÷ 4.98A, điện áp pin mặt trời sản sinh ra trung bình ngày chỉ đạt 4.275 A và 8.439 VDC. Hệ thống luôn hoạt động trong tình trạng thiếu tải nhưng ngược lại, chính điều kiện nhiệt độ thấp, nhưng độ ẩm rất cao nên lượng nước ngưng tụ được không quá ít so với hệ thống hoạt động trong điều kiện trời nắng, lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện trời mây là 93ml/ 6h. Hệ số COP hệ thống trung bình tại 0.298 và dao động từ 0.248 ÷ 0.356.
76
Hệ thống hoạt rất kém và gần như không hoạt động trong điều kiện trời mưa, lượng bức xạ rất thấp vào khoảng từ 9h00 đến 10h45, sản sinh ra lượng điện năng cấp cho hệ thống ngang mức khởi động ở 7VDC – 3.5A. Tuy hệ thống chạy trong tình trạng thiếu tải như tại độ ẩm môi trường rất cao đạt ngường 85 ÷ 89%, và nhiệt độ môi trường chỉ 32 ÷ 34oC thì vẫn có nước ngưng tụ được từ hệ thống nhưng rất là ít, chỉ 10ml /6h.
Từ các nhận định trên, có thể thấy rằng với điều kiện hoạt động khác nhau nhưng cùng 1 khoảng thời gian vận hành trong 6h. Ta thấy được tại điều kiện trời mây, tuy nhiệt độ môi trường tăng, độ ẩm giảm nhiều nhưng hệ thống luôn đảm bảo tính ổn định và hoạt động hiệu quả hơn so với điều kiện trời mây và trời mưa. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện trời nắng đạt 173ml/6h, gấp 1.89 lần so với lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện trời mây và 17.3 lần với điều kiện trời mưa. Với tốc độ gió không đổi, nhưng sự thay đổi về nhiệt độ – độ ẩm môi và nhất là cường độ bức xạ mặt trời là tác nhân chính ảnh hưởng đến toàn hệ thống. Tại giá trị cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong điều kiện trời nắng lên đến 1027.548 w/m2 so với 436.904 W/m2
trong điều kiện trời mây và 106.93 w/m2 trong điều kiện trời mưa, sự chênh lệch rất khác biệt gữa trời nắng và 2 điều kiện thực nghiệm còn lại cho thấy ngoài điều kiện lý tưởng về độ ẩm trong không khí cao, tính ổn định trong quá trình vận hành luôn là điều cần chú ý hơn cả. Hệ thống cần được thay đổi một vài điểm để có thể ứng dụng vào đời sống ngày nay.
5.2. Kiến nghị
Vấn đề nghiên cứu phát triển ra một hệ thống tạo ra nước sạch luôn được các nhà khoa học, kỹ thuật trên thế giới quan tâm. Trong đó, nâng cao lượng nước ngưng tụ được đồng nghĩa với việc nâng cao hệ số làm lạnh của hệ thống… Nhóm kiến nghị nên nghiên cứu hơn nữa với nhiều hệ thống khác nhau và dãy công suất lớn hơn, sử dụng nhiều chip Peltier hơn.
Đối với mô hình thí nghiệm hiện tại để hoàn thiện hơn nhóm kiến nghị nên lắp đặt thêm bộ lưu trữ điện để tạo ra dòng xả cường độ dòng điện ổn định, và sử dụng vào các thời điểm có độ ẩm cao nhưng thiếu bức xạ mặt trời, đồng thời nâng cao việc giải nhiệt cho mặt nóng chip peltier, bề mặt pin mặt trời để hệ thống đạt hiệu suất cao hơn.
77
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Báo cáo nghiên cứu khoa học (2013 – 2014), Thiết kế - chế tạo hệ thống tối ưu hóa hiệu suất Pin mặt trời, GVHD: TS Đặng Thái Việt
[2]. Bùi Hải, Trần Thế Sơn (1993), Kỹ thuật nhiệt, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
[3]. Hoàng Đình Tín, Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4]. GS Lê Chí Hiệp, PGS.TS Hoàng Đình Tín (2011), Nhiệt động lực học kỹ thuật, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[5]. PGS. TS Bùi Hải (2017), Thiết bị trao đổi nhiệt (Lý thuyết – Tính toán thiết kế), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[6]. PGS. TS Đặng Thành Trung (2014), COMSOL – Nền tảng và ứng dụng trong mô phỏng số, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
[7]. PGS.TS Nguyễn Đức Lợi (2013), Bài tập tính toán kỹ thuật lạnh (cơ sở và ứng dụng),
Nhà Xuất bản Bách Khoa – Hà Nội
[8]. PGS. TSKH Trần Văn Phú (2002), Giáo trình tính toán và thiết kế hệ thống sấy, Nhà Xuất bản Giáo dục
[9]. PGS. TS. Trương Nam Hưng, PGS. TS. Bùi Hải, TS. Dương Trung Kiên, Thiết bị trao đổi nhiệt (lý thuyết - tính toán thiết kế), Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
[10]. PGS. TS Võ Chí Chính (2005), Giáo trình điều hòa không khí, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
[11]. Tăng Huệ Hưng, Nguyễn Văn Hiếu (2016), tính toán và chế tạo hệ thống tracking
năng lượng mặt trời thụ động ứng dụng thiết kế cho các mô hình nhà máy điện mặt trời, Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM
[12]. TS Lê Xuân Hòa (2007), Giáo trình kỹ thuật lạnh, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
78
[13]. Abhay Bendekar, Rohan Gupta, Ajay Gupta, Jogesh Gupta, Uday Mahadik (2016)
144-148, Water through air using Peltier elements, International Journal of Science Technology & Engineering volume 2
[14]. A.H. Shourideh, W. Bou Ajram, J. Al Lami, S. Haggag, A. Mansouri (2018), A Comprehensive Study of an Atmospheric Water Generator using Peltier Effect, Thermal Science and Engineering Progress
[15]. Cyrus Shafai (1998), fabrication of a micro-peltier devlce, University of Alberta
[16]. Glen E. Myers (1989), Engineering thermodynamics.
[17]. Ismaila B. Tijani, Ahmad A.A. Al Hamadi, Khaled A.S.S. Al Naqbi, Rashed I.M.
Almarzooqi, Noura K.S.R. Al Rahbi (2018), Development of an Automatic Solar-Powered Domestic Water Cooling System with Multi-Stage Peltier Devices, Renewable energy
[18]. KlausJäger, OlindoIsabella, ArnoH. M. Smets, RenéA. C. M. M. vanSwaaij
MiroZeman (2014), SolarEnergy (Fundamentals, Technology, and Systems), Delft University of Technology
[19]. Martin Jaegle (2008), MultiphysicsSimulation of Thermoelectric Systems, Freiburg – Germany
[20]. Metin Kesler, Akif Karafil, et al… (2015), Calculation of Optimum Fixed Tilt Angle of PV Panels Depending on Solar Angles and Comparison of the Results with Experimental Study Conducted in Summer in Bilecik, Turkey, International Conference on Electrical and