I. Trang thiết bị thí nghiệm
10. Pin mặt trời:
Sử dụng tấm pin mặt trời trong mơ hình thí nghiệm, cùng với các trường hợp thí nghiệm khác nhau (Pin mặt trời loại Mono 35W).
Hình 3.15: Mặt trước của tấm pin mặt trời sử dụng trong thí nghiệm
Hình 3.17: Thơng số kỹ thuật của tấm pin mặt trời sử dụng trong thí nghiệm
11. Mơ tả cấu trúc của các mơ hình thí nghiệm:
Các mơ hình thí nghiệm bao gồm 4 loại:
Tấm PV ngun bản, khơng có cơ cấu hỗ trợ ổn định nhiệt nào được áp dụng.
Sơ đồ nguyên lý cấu trúc của mơ hình này như đã đề cập ở Hình 2.3.
Tấm PV được hỗ trợ làm mát bằng nước chứa trong hợp kín.
Tấm kính phủ mặt trên Lớp keo EVA Lớp cell pin mặt trời Lớp keo EVA Tấm đáy Lớp nước Đáy hộp chứa
Hình 3.18: Sơ đồ cấu tạo của mơ hình thí nghiệm tấm PV + nước Tấm PV được hỗ trợ làm mát bằng PCM chứa trong hợp kín.
Tấm kính phủ mặt trên Lớp keo EVA Lớp các cell pin mặt trời Lớp keo EVA Tấm đáy
Lớp PCM Đáy hộp chứa
Hình 3.19: Sơ đồ cấu tạo của mơ hình thí nghiệm tấm PV + PCM * Tấm PV được hỗ trợ làm mát bằng cả PCM và nước chứa trong hợp kín.
Tấm kính phủ mặt trên Lớp keo EVA
Lớp các cell pin mặt trời
Lớp keo EVA Tấm đáy Lớp PCM Lớp nước Đáy hộp chứa
Mặt trên
Hình 3.21: Sơ đồ vị trí các điểm đặt đầu đo nhiệt đợ trên tấm PV
Hình ảnh mơ hình thực nghiệm trong phịng thí nghiệm và ngồi trời
Hình 3.23: Hệ thống thực nghiệm trong phịng thí nghiệm
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
I. Phương pháp tổng hợp kết quả thực nghiệm:
Mỗi chế độ thực nghiệm được thực hiện nhiều lần để loại trừ trường hợp có thể xảy ra các tác động nhiễu đột biến ngồi ý muốn. Sau đó, các điểm giá trị kết quả ở mỗi bước đo giống nhau được lấy giá trị trung bình từ các phiên thực nghiệm cùng điều kiện nhằm tạo ra giá trị đại diện chung để tăng cường độ chính xác của kết quả. Đồ thị thực nghiệm được tái hiện với bộ dữ liệu đã được xử lý này và làm cơ sở phát biểu các nhận xét so sánh.
Thơng thường, phương trình phản ánh mối quan hệ giữa nhiệt độ làm việc và hiệu suất hay công suất sinh điện của tấm PV được nêu như ở công thức sau [16]:
T = ref[1 – βref (T – Tref)]
Trong đó, Tref = 25oC là giá trị nhiệt độ tham chiếu (nhiệt độ phịng thí nghiệm); ref là hiệu suất sinh điện ở điều kiện nhiệt độ tham chiếu tại Tref và tổng xạ 1kW/m2 (giá trị trung bình thường là 12% với các pin thương mại hiện nay); và βref là hệ số hiệu suất – nhiệt độ (khoảng 0.45%/K). Dựa vào dữ liệu thực nghiệm, đề tài sẽ chỉ ra phương trình hồi quy thể hiện mối quan hệ hiệu suất và nhiệt độ của tấm pin. Mơ hình đa thức hồi quy bậc hai được sử dụng với phương trình biểu diễn như sau:
(T) = a0 + a1T Với
( ) 0+(∑ )
{(∑ ) +(∑
0 Trong đó (T) là hàm hồi quy biểu diễn hiệu suất theo nhiệt độ [%] ; T là nhiệt
độ của mặt trên tấm pin [oC] ; Ti là các điểm dữ liệu thực nghiệm thu thập được tại các nhiệt độ làm việc khác nhau của tấm pin [oC].
Cũng theo [34], công suất sinh điện của tấm pin được tính theo cơng thức: P = GTPVrefA [1 - ref (Tc – 25)]
Trong đó, GT là tổng xạ; PV là độ xuyên thấu của lớp kính chắn PV; A là diện tích bề mặt PV; ref là hệ số công suất – nhiệt độ (khoảng 0.22 – 0.71%/K); Tc là nhiệt độ làm việc của tấm PV.
Phương trình biến đổi năng lượng trên tấm PV được xác định như sau: E = Eđ + En + El + Ett
Trong đó E là tổng xạ tới trên bề mặt diện tích của tấm pin [W] ; Eđ là lượng điện năng sinh ra của tấm pin [W] ; En là lượng nhiệt năng thu được từ tấm pin [W] ; El là năng lượng lưu trữ trong PCM hoặc các thành phần khác của hệ [W] ; và Ett là năng lượng tổn thất ra ngồi mơi trường do phản xạ, bức xạ nhiệt, truyền nhiệt và đối lưu ra môi trường [W].
Công thức xác định hiệu suất thực nghiệm của tấm pin trong toàn khoảng thời gian khảo sát là :
= Eđ/ E100%
II. Kết quả thực nghiệm trong phịng thí nghiệm (PTN):
Chế độ trong phịng thí nghiệm (indoor) được thực hiện nhằm mục đích đánh giá và so sánh hiệu quả làm mát tấm pin mặt trời khi sử dụng nước (làm mát bằng hình thức thụ động), khi sử dụng PCM, khi kết hợp cả 2 phương pháp và khi tấm pin không được hỗ trợ bởi phương pháp nào.
Do điều kiện trong phịng thí nghiệm giúp đảm bảo được sự ổn định của một số thơng số ảnh hưởng đến q trình tản nhiệt của tấm pin như nhiệt độ mơi trường (nhiệt độ phịng), khơng có gió thổi (gần bằng 0), khơng bị gián đoạn nguồn nhiệt do bóng râm hoặc tán xạ ngồi ý muốn. Những điều này khơng thể được đảm bảo khi thực hiện thí nghiệm ở ngồi trời và do vậy sẽ khó so sánh kết quả hơn.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phải dùng nguồn sáng giả lập từ đèn halogen với quang phổ chủ yếu ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại, khơng hồn tồn giống quang phổ của bức xạ mặt trời. Do vậy, giá trị đo được chỉ mang tính chất so sánh về mặt nhiệt học, khơng mang tính chất đánh giá hiệu quả chuyển đổi điện năng của tấm pin.
Ở chế độ thực nghiệm này, các thông số thực nghiệm đã được thiết lập như sau:
- Cường độ bức xạ giả lập tới bề mặt tấm pin: 800W/m2 - Nhiệt độ phịng duy trì khoảng 34oC
- Tốc độ gió: 0m/s
- Nhiễu ánh sáng: 0% so với cường độ bức xạ của đèn
- Thời gian thực nghiệm: kéo dài trong 2.5 ~ 3.0 giờ (đủ để các điểm đo đạt đến các giá trị nhiệt độ ổn định dài hạn)
Kết quả đo được của từng mơ hình được diễn giải như dưới đây.
1. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc (khơng có hỗ trợ ổn định nhiệt):
độ (o C) N hi ệt
Hình 4.1: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV ngun gốc (chế đợ PTN)
2. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng nước có hộp chứa dạng mẫu l: mẫu l:
độ (o C) N hi ệt
Hình 4.2: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV + nước (mẫu 1) (chế đợ PTN)
3. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng nước có hộp chứa dạngmẫu 2: mẫu 2: độ (o C) N hi ệt
4. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng PCM: 90 90 80 70 60 (o C) 50 độ N hi ệt 40 30 20 10 0 0
Hình 4.4: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV + PCM (chế đợ PTN)
5. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV làm mát thụ động bằng PCM + nước:
(o C) độ N hi ệt
Từ đồ thị dữ liệu Hình 4.2 và Hình 4.3 có thể thấy hiệu quả trao đổi nhiệt của mẫu 1 và 2 có sự khác biệt rất khơng đáng kể và có thể bỏ qua. Vì vậy, việc xuất hiện thêm các vách đỡ tấm pin khơng làm ảnh hưởng đến q trình hấp thụ nhiệt của nước.
Hình 4.4 (mẫu Pin + PCM) và Hình 4.5 (mẫu Pin + PCM + Nước) cho thấy sự làm giảm nhiệt độ làm việc của tấm pin chủ yếu là do PCM gây nên. Nước đóng vai trị rất nhỏ trong việc hỗ trợ quá trình giải nhiệt cho tấm pin vì thực chất lớp nước trong trường hợp này có vai trị chính là để giúp nâng và giữ tấm PCM lên tiếp xúc với mặt lưng của tấm pin, đặc biệt trong quá trình chuyển pha.
6. Tương quan so sánh giữa nhiệt độ trung bình bề mặt của tấm PV ở mẫu khác nhau trong cùng chế độ làm việc:
(o C) độ N hi ệt
Hình 4.6: So sánh nhiệt đợ mặt trên của tấm PV ở 4 mẫu (chế độ PTN)
Kết quả so sánh cho thấy phương án làm mát bằng PCM + nước cho khả năng duy trì nhiệt độ của tấm PV ở giá trị gần nhiệt độ môi trường lâu hơn cả và mức giảm nhiệt độ trong phạm vi 7oC – 15oC. Do lượng PAL-33 với ẩn nhiệt 45,8kJ/kg được sử dụng chỉ là 0,4kg, nên thời gian duy trì nhiệt độ PV thấp chỉ kéo dài trong khoảng nửa giờ. Rõ ràng rằng, nếu lượng PCM được sử dụng đủ nhiều sẽ giúp duy trì vùng nhiệt độ bề mặt thấp trong suốt thời gian làm việc của tấm PV trong ngày. Giả sử rằng tấm PV làm việc trong 8
500W/m2, thì lượng PAL-33 cho mỗi tấm PV kích thước 1,9m2 nên là khoảng 15kg để q trình chuyển pha diễn ra đủ trong suốt 8 giờ. Trong trường hợp có PCM thay thế PAL-33 với ẩn nhiệt cao gấp 2 đến 3 lần ẩn nhiệt của PAL-33 thì khối lượng PCM cần dùng sẽ suy giảm đáng kể. Trong thực tế điều này là hồn tồn có thể đạt được vì giá trị ẩn nhiệt của nhiều loại PCM thương phẩm hiện nay nằm trong khoảng 100 đến 200 kJ/kg [34].
Trong suốt khoản thời gian tấm PV được giữ ở nhiệt độ làm việc thấp hơn, tấm PV sẽ làm việc với các giá trị hiệu suất cao hơn so với tấm pin thơng thường. Như vậy, q trình chuyển pha của PCM đã giúp hấp thụ nhiệt của tấm pin và khống chế nhiệt độ làm việc ở mức thấp một cách đáng kể. Việc sử dụng thêm nước cùng với PCM đã giúp lấp đầy không gian buồng chứa PCM, đồng thời nước giúp nâng PCM luôn tiếp xúc tốt với mặt lưng của tấm PV và do đó q trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả hơn so với trường hợp lớp PCM được gói trong một lớp vỏ và gắn tiếp xúc với mặt lưng tấm PV bằng cấu trúc thanh đỡ. Đây chính là điểm cải tiến của đề tài so với các nghiên cứu dùng PCM làm mát tấm PV trước đây.
III. Kết quả thực nghiệm ngoài trời:
Chế độ thực nghiệm ngoài trời (outdoor) được thực hiện nhằm mục đích so sánh và đánh giá hiệu quả sinh điện thực tế của tấm pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện tự nhiên.
Ở chế độ thực nghiệm này, các thông số thực nghiệm đã được thiết lập như sau: - Cường độ bức xạ thực tế đến bề mặt tấm pin dao động trong khoảng 750W/m2 đến 1150W/m2
- Nhiệt độ mơi trường trung bình khoảng 36oC - Tốc độ gió trung bình khoảng 0,2 m/s
- Thời gian thực nghiệm: kéo dài trong 2 giờ
Do có sự biến động tự nhiên như bóng mây, phản xạ, tán xạ, gió thổi, nhiệt độ mơi trường nên điều kiện làm việc này khó khăn cho kết luận so sánh về tác động của riêng một biến số giữa các phiên thực nghiệm khác nhau. Tuy nhiên, vì hệ thống làm việc dưới bức xạ mặt trời thực tế nên giá trị nhiệt độ và điện năng đầu ra phản ánh hiệu
quả thực tế của giải pháp cải tiến trên hệ thống. Kết quả đo được như ở các đồ thị dưới đây.
1. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV nguyên gốc ở chế độ ngồi trời:
70 60 50 (o C) 40 N hi ệt đ ộ 30 20 10 0 12 h0 2 12 h0 6 12 h1 0 Thời gian (hh:mm)
Hình 4.7: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV ngun gốc (chế đợ NTR)
70.00 60.00 50.00 (o C) 40.00 N hi ệt đ ộ 30.00 20.00 10.00 0.00 10 h2 0 10 h2 5 10 h3 0 Thời gian (hh:mm)
Hình 4.8: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV + nước (chế đợ NTR)
3. Đặc tính nhiệt độ của tấm PV + PCM ở chế độ ngồi trời:
80.00 70.00 60.00 50.00 (o C) N hi ệt đ ộ 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 11 h3 5 11 h4 1 Thời gian (hh:mm)
44
70.00 60.00 50.00 (o C) 40.00 N hi ệt đ ộ 30.00 20.00 10.00 0.00 10 h1 6 10 h0 2 10 h0 9 Thời gian (hh:mm)
Hình 4.10: Đặc tính nhiệt đợ của tấm PV + PCM + nước (chế độ NTR)
5. Tương quan so sánh giữa nhiệt độ trung bình bề mặt của tấm PV ở các chế độ làm việc khác nhau: làm việc khác nhau:
Để so sánh hiệu suất sinh điện trong điều kiện vận hành thực tế của các tấm pin, tổng lượng bức xạ tới trên diện tích bề mặt tấm pin và tổng lượng điện năng sinh ra của tấm pin được tính theo Bảng 4.1 và qua đó suy ra giá trị hiệu suất trung bình của các mẫu pin.
Bảng 4.1: Bảng tính hiệu suất của pin ở các mẫu khác nhau
Mẫu Pin
Pin + Nước Pin + PCM
Pin + PCM + Nước
Phịng thí nghiệm. Mặc dù như đã giải thích ở trên, giá trị nhiệt độ làm việc của tấm pin và do đó hiệu suất sinh điện của các tấm pin có chịu ảnh hưởng của gió, nhiệt độ mơi trường và sự biến động của bức xạ mặt trời giữa các ngày thực nghiệm, nhưng tác giả đã sàng lọc trong những dữ liệu thí nghiệm có điều kiện ngồi trời gần như giống nhau (nhiệt độ môi trường dao động quanh khoảng 35 – 36oC, tốc độ gió thấp hơn 0,1 m/s (những ngày trời nắng oi và lặng gió), bức xạ tương đối ổn định ở mức gần 900W/m2, bỏ qua một số thời điểm bị mây che khuất).
Xét trong khoảng thời gian 2 giờ (khoảng thời gian mà PAL-33 từ trạng thái rắn chuyển pha hoàn toàn sang lỏng và tiếp tục gia tăng nhiệt độ) nhờ giải pháp hỗ trợ ổn định nhiệt bằng PCM kết hợp với nước, hiệu suất sinh điện đạt mức 11.21%, cao hơn khoảng 3,07% so với hiệu suất có thể đạt được của tấm pin nguyên bản. Khoảng chênh này sẽ tăng lên nếu lượng PCM sử dụng đủ nhiều trong toàn bộ thời gian làm việc trong ngày của tấm PV. Hình 4.11 thể hiện biểu đồ so sánh tương quan giữa các giá trị hiệu suất trung bình đạt được ở các mẫu pin.
H iệ u su ất 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 2.00% 0.00%
Pin Pin + Nước Pin + PCM Pin + PCM + Nước
Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy phương án làm mát bằng PCM kết hợp với nước cho khả năng duy trì nhiệt độ của tấm ở giá trị gần nhiệt độ mơi trường lâu hơn cả. Do các điều kiện thí nghiệm ngồi trời ở các ngày khác nhau có sự khác biệt về (i) sự biến thiên của cường độ bức xạ mặt trời, (ii) nhiệt độ mơi trường, (iii) tốc độ gió làm ảnh hưởng tới mức độ tản nhiệt ra môi trường nên mặc dù ở cùng cường độ bức xạ như nhau, giá trị nhiệt độ thực tế bề mặt tấm PV vẫn có thể biến thiên khơng hồn tồn thuần túy theo quy luật tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ. Để giảm thiểu mức độ ảnh hưởng của các tham số nêu trên, tác giả đã tiến hành thí nghiệm trong nhiều ngày ở giai đoạn thời tiết nắng nóng ổn định nhất có thể, sau đó sàng lọc những ngày có điều kiện ngồi trời tương đồng nhất để thực hiện so sánh. Tuy nhiên, sự tác động đồng thời của nhiều biến số mơi trường gây khó khăn cho sự so sánh để làm bật hiệu quả ổn định nhiệt độ chỉ do riêng PCM đem lại một cách trực quan trên các đồ thị. Do đó, kết quả hiệu suất sinh điện được sử dụng để phản ánh hiệu quả của giải pháp thiết kế cải tiến.
Ngồi ra, q trình nghiên cứu chỉ ra được một số kinh nghiệm quan trọng trong việc thiết lập sản phẩm thực tế. Việc đảm bảo sự tiếp xúc nhiệt tốt giữa bề mặt cần làm mát và lớp PCM. Khi PCM được gói trong bao chứa dạng túi mềm, trong quá trình