1. Khái niệm
PCM (viết tắt của Phase Change Materials) là chất có khả năng chuyển đổi từ pha này sang pha khác (rắn – lỏng – khí) tùy theo giá trị nhiệt độ làm việc. Thường PCM được phân loại thành 3 nhóm: PCM rắn – lỏng, PCM lỏng – khí và PCM rắn – khí.
17 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 2.7: PCM hữu cơ
Đối với loại PCM rắn – lỏng, vật liệu này sẽ nóng chảy hoặc hóa rắn ở một nhiệt độ nhất định. Trong q trình chuyển từ dạng rắn sang lỏng nó có khả năng hấp thụ, lưu giữ một lượng lớn nhiệt năng tương ứng với mức dung lượng ẩn nhiệt của vật liệu trong khi nhiệt độ của hệ thay đổi chậm hoặc không đáng kể.
Tương tự như vậy, trong quá trình chuyển từ dạng lỏng sang rắn, nó có khả năng giải phóng một lượng lớn nhiệt năng tương ứng với mức dung lượng ẩn nhiệt của vật liệu trong khi nhiệt độ của hệ thay đổi chậm hoặc khơng đáng kể. Nhờ tính chất này, PCM đóng vai trị là bộ phận giữ nhiệt để ổn định nhiệt độ cho hệ thống sử dụng vật liệu này.
18 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 2.8: Mơ phỏng chu trình làm việc của PCM
Vật liệu PCM dự trữ nhiệt thơng qua q trình chuyển pha được thực hiện khi chuyển trạng thái lỏng – rắn, rắn – lỏng, rắn – khí, lỏng – khí. Tuy nhiên khi chuyển pha rắn – khí hay lỏng – khí nó gây ra sự thay đổi về thể tích chỗ chứa lớn hơn rất nhiều so với PCM rắn – lỏng. Do đó PCM rắn – lỏng được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng ổn định nhiệt độ và để lưu trữ nhiệt.
Trong quá trình này, nếu nhiệt độ của vật liệu nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy, lúc này PCM sẽ ở trạng thái rắn. Khi cung cấp nhiệt cho vật liệu, nhiệt độ cửa nó tăng đến lúc nó bắt đầu nóng chảy. Nhiệt độ của vật liệu giữ nguyên ở nhiệt độ nóng chảy, dù có cấp thêm nhiệt lượng, chừng nào vật liệu chưa tan chảy hết. Đây chính là tính chất giúp ổn nhiệt của vật liệu. Khi vật liệu tan chảy hết, nhiệt độ nó lại tiếp tục tăng khi cấp nhiệt lượng. Ngược lại, khi mà vật liệu PCM được làm mát xuống dưới điểm nhiệt nóng chảy, nó trở lại thành một vật thể rắn, nhiệt độ của vật liệu sẽ giữ nguyên ở nhiệt độ nóng chảy, chừng nào nó chưa đơng cứng hết.
Trong các ứng dụng sử dụng PCM, chu trình này được lặp lại nhiều lần mà PCM vẫn ổn định trong suốt q trình làm việc. Đặc tính này giúp tạo ra vai trò đặc biệt của PCM trong các hệ thống trao đổi nhiệt mà các vật liệu khơng có được.
19 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 2.9: Phân loại PCM
Vật liệu biến đổi pha được phân loại thành nhiều loại khác nhau. Có hợp chất hữu cơ và vô cơ. Các hợp chất hữu cơ (Organic compounds) bao gồm các hợp chất
parafin (Parafin compounds) và không parafin (Non - Parafin compounds), trong khi các hợp chất vô cơ (Inorganic Compounds) bao gồm hydrat muối (Salt hydrates), kim loại và hợp kim (Metals and Alloys). Các hợp chất hữu cơ, vô cơ và hỗn hợp eutectics đã được nghiên cứu rộng rãi trong khoảng nửa thế kỷ trở lại đây. Trong số ba loại PCM, hợp chất hữu cơ được nghiên cứu rộng rãi nhất mà trong đó sáp Parafin được đặc biệt quan tâm nghiên cứu thời gian gần đây do nó có nhiều tính chất tiềm năng về nhiệt lý, kỹ thuật, tính kinh tế và dễ dàng ứng dụng mang lại những hiệu quả không nhỏ trong việc sưởi ấm hay làm mát, góp phần giảm hiệu ứng nhà kính, phát triển cơng nghệ năng lượng xanh bền vững.
3. Cơ sở lý thuyết chọn PCM cho đề tài
Trong nghiên cứu của đề tài này, PCM sẽ được sử dụng cho mục đích trợ giúp q trình ổn định nhiệt độ cho tấm PV, tức là nó phải thực hiện được hai quá trình là
nhận nhiệt để lưu trữ và giải phóng nhiệt lưu trữ. Ngồi ra, nhóm nghiên cứu đã sử
dụng Parafin để giúp quá trình ổn định nhiệt độ cho tấm pin năng lượng mặt trời PV. Bởi vì, Parafin có các ưu điểm như: Có phạm vi nhiệt độ lớn,khơng xảy ra phản ứng hóa học, khơng ăn mịn, giá thành cho các parafin kỹ thuật được sử để lưu trữ năng lượng nhiệt bởi vì nó rẻ hơn so với parafin tinh khiết. Với khả năng giải nhiệt trong khoảng 300C - 700C cùng với các ưu điểm của Parafin đã phân tích ở trên, tác giả chọn PCM PAL-33 (là một hỗn hợp các parafin) làm chất lưu nhiệt để nghiên cứu và ứng dụng làm thí nghiệm trong đề tài này. PAL-33, một thuộc loại PCM hữu cơ dạng rắn – lỏng sẽ được sử dụng trong quá trình thực nghiệm.
Vật liệu PCM hữu cơ rắn – lỏng rất phù hợp trong cấu trúc của nghiên cứu này. Vì lớp hỗ trợ khống chế nhiệt độ làm việc khơng thể nằm phía trên bề mặt tấm PV (vì sẽ cản ánh sáng mặt trời tới bề mặt của tấm) nên nó chỉ có thể nằm ở phía lưng của tấm PV. Nhờ khối lượng riêng nhẹ hơn nước, lớp PCM sẽ luôn được đẩy nổi lên và áp sát lưng tấm PV và do đó q trình trao đổi nhiệt giữa tấm PV và lớp PCM luôn được đảm bảo tốt nhất. Hơn nữa, do mục đích của nghiên cứu là duy trì quá trình giữ nhiệt độ làm
20 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
việc của tấm PV ở mức thấp (so với tấm PV nguyên bản) càng lâu càng tốt, việc sử dụng loại PCM có dung lượng ẩn nhiệt càng lớn thì khối lượng của chúng cần dùng sẽ ít hơn.
Bảng 2.1: Đặc tính vật lý của vật liệu chuyển pha PAL-33
Đặc tính vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Điểm nóng chảy Tc ~33 ºC
Nhiệt dung riêng ở thể rắn Cpr 1,7 kJ/kgK
Nhiệt dung riêng ở thể lỏng Cpl 1,9 kJ/kgK
Khối lượng riêng ở thể rắn ρr 851 kg/m3
Khối lượng riêng ở thể lỏng ρl 781 kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt ở thể rắn λr 0,17 W/mK
Hệ số dẫn nhiệt ở thể lỏng λl 0,25 W/mK
Ẩn nhiệt chuyển pha H 45,8 kJ/kg
4. Phương trình truyền nhiệt của PCM
PCM được phân loại thành nhiều loại khác nhau như hợp chất hữu cơ và vô cơ, cũng như hỗn hợp eutectic của các hợp chất này. Tất cả chúng khi cung cấp nhiệt sẽ cho giai đoạn chuyển pha ở các nhiệt độ khác nhau.
Ở trạng thái rắn hoàn toàn hoặc lỏng hoàn toàn của PCM, khi quá trình trao
đổi nhiệt diễn ra, nhiệt lượng được lưu trữ do sự gia tăng nhiệt độ của PCM (quá trình nạp) hoặc nhiệt lượng được giải phóng do sự giảm nhiệt độ của PCM (quá trình xả) sẽ phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm nhiệt dung riêng, sự thay đổi nhiệt độ và khối lượng vật liệu lưu trữ.
Phương trình nhiệt của các thể rắn và lỏng của PCM là:
Q = ∫ mCTf pdT
Ti
(khi Cp không thay đổi theo nhiệt độ)
21 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Q = mCp(Tf – Ti)
Trong đó: Ti là nhiệt độ ban đầu (oC), Tf là nhiệt độ cuối cùng (oC), Cp là nhiệt dung riêng (J/kgK), m là khối lượng của vật liệu lưu trữ (kg), Q là năng lượng nhiệt (J).
Khi ở trạng thái chuyển đổi giữa 2 pha, nhiệt lượng hấp thụ sẽ được chuyển
thành ẩn nhiệt trên vật liệu (q trình nạp) và nhiệt lượng giải phóng sẽ được chuyển từ ẩn nhiệt của vật liệu sinh ra môi trường. Ẩn nhiệt trên một đơn vị khối lượng càng cao thì càng tốt để giảm thiểu sự giãn nở nhiệt của lớp chứa PCM. Dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn của hệ thống với một lượng PCM trung bình được cho bởi phương trình:
Q = ∫ mCpdT + mf∆hm+ ∫ mCTf pdT
Tm Tm
Ti
Nếu Cpr và Cpl không thay đổi theo nhiệt độ:
Q = m[Cpr(Tm – Ti) + fΔhm + Cpl (Tf – Tm)] (khi Cpr và Cpl khơng thay đổi theo nhiệt độ)
Trong đó: Tm là nhiệt độ nóng chảy (℃), f là phần nóng chảy, ∆hm là nhiệt của phản ứng tổng hợp trên một đơn vị khối lượng (J/kg), Cpr là nhiệt dung riêng trong pha rắn (J/KgK), Cpl là nhiệt dung riêng trong pha lỏng (J/KgK).
22 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
I. Trang thiết bị thí nghiệm
Để thực hiện được chế độ thí nghiệm trong nhà, một hệ thống giả lập bức xạ năng lượng mặt trời lên bề mặt tấm pin bao gồm:
+ Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT-100 loại A 1m. (Hình 3.2) + Đèn halogen cơng suất điện 500W/220V. (Hình 3.3)
+ Bộ chuyển đổi và thu thập tín hiệu ADAM (Hình 3.4, Hình 3.5) + Bộ chuyển đổi nguồn điện. (Hình 3.6)
+ Bộ chuyển đổi đi dây dữ liệu. (Hình 3.7) + Các mơ hình khác nhau của kết cấu tấm pin.
Để đạt được một giá trị bức xạ mặt trời trung bình 800W/m2 duy trì và tỏa đều trên bề mặt tấm pin, các đèn được cố định ở khoảng cách nhất định, chiếu sáng liên tục với cùng một nguồn điện cung cấp ổn định.
Cảm biến nhiệt độ là loại cặp nhiệt RTD, PT-100 loại A 1m với độ sai số nhỏ hơn ±0,15°C được sử dụng để đo nhiệt độ ở một số điểm trên mặt trên, mặt dưới của tấm pin và nhiệt độ môi trường. Các cảm biến nhiệt độ được kết nối với một bộ thu thập và xử lý tín hiệu ADAM sau đó kết nối với máy tính.
23 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
1. Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m:
Sử dụng 6 cái cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m trong mơ hính thí nghiệm để đo nhiệt độ mặt trên, mặt dưới của tấm pin, nhiệt độ môi trường…
Thông số kỹ thuật:
+ Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT-100 loại A 1m. + Đầu dị bằng thép khơng rỉ 304 và đổ keo chống nước. + Nhiệt độ hoạt động: từ -50 đến 200℃
+ Độ sai số < 0,15℃
+ Đường kính đầu dị 4 mm, 3 lõi dây
Hình 3.2: Cảm biến nhiệt độ (thermocouple) RTD, PT 100 loại A 1m
2. Đèn halogen:
Đèn halogen được sử dụng để chiếu sáng, chụp đèn làm bằng kính trong suốt, chịu được nhiệt độ. Đèn được thiết kế nhỏ, gọn, dễ sử dụng.
Hai bóng đèn halogen cơng suất điện 500W/220V được sử dụng trong mơ hình thí nghiệm được lắp đặt như trong hình nhằm mục đích tạo bức xạ tương đối đồng đều trên bề mặt tấm pin.
24 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.3: Đèn halogen dùng trong mơ hình thí nghiệm
3. Bộ thu thập và xử lý tín hiệu đo lường ADAM-4015:
Sử dụng bộ thu thập và xử lý tín hiệu đo lường ADAM-4015 kết nối với các cảm biến đo nhiệt độ để đo nhiệt độ ở một số điểm của mặt trên và mặt dưới của tấm pin, nhiệt độ mơi trường… trong q trình thực nghiệm.
Thơng số kỹ thuật: + Nguồn: 10 – 30V DC + Kênh: 6 (3 dây) + Phát hiện lỗi: Có
+ Đầu vào cảm biến: RTD (Pt, Balco, Ni) + Nhiệt độ (hoạt động): -10 đến 70℃
25 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.4: Bợ chuyển đổi và thu thập tín hiệu ADAM-4015 lúc chưa kết nối
Hình 3.5: Bợ chuyển đổi và thu thập tín hiệu ADAM-4015 lúc hoạt đợng
4. Bộ nguồn:
Bộ nguồn điện được sử dụng trong mơ hình thí nghiệm để chuyển đổi nguồn điện 220V AC sang 24V DC, cung cấp nguồn cho bộ chuyển đổi tín hiệu ADAM-4015.
+ Input: 100V – 240V AC (50/60 Hz) + Output: 24V DC
26 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.6: Bợ chuyển đổi nguồn điện
5. Bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu:
Sử dụng bộ chuyển đổi đuôi dây dữ liệu để kết nối vào máy tính.
Hình 3.7: Bợ chuyển đổi đi dây dữ liệu
6. Đồng hồ VOM:
Sử dụng đồng hồ VOM để đo hiệu điện thế U(V), cường độ dòng điện I(A) của tấm pin.
27 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.8: Đồng hồ VOM
7. Động cơ DC:
Sử dụng động cơ DC là tải vận hành để kiểm tra và đo công suất điện sinh ra của tấm pin (chế độ mạch kín).
28 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
8. Đồng hồ đo cường độ bức xạ tổng của mặt trời:
Sử dụng đồng hồ đo cường độ bức xạ của mặt trời để đo cường độ bức xạ của mặt trời và đo cường độ bức xạ cửa đèn halogen đến tấm pin.
Máy đo năng lượng mặt trời Tenmars 206 là loại máy đo năng lượng mặt trời dùng trong ngành công nghiệp năng lượng điện mặt trời. Thiết bị đo năng lượng mặt trời TM – 206 rất nhỏ gọn, bền bỉ. Máy được ứng dụng trong nơng nghiệp, các phịng thí nghiệm.
- Màn hình LCD hiển thị 31/2 chữ số. - Đơn vị W/m2 hoặc BTU.
- Giữ dữ liệu, chức năng Min/Max. - Kích thước: 130 x 55 x 39 mm. - Nặng 150g.
- Phạm vi: 2000 W/m2, 634 BTU. - Độ phân giải: 0,1 W/m2, 0,1 BTU. - Thời gian lấy mẫu: 0,25 giây. - Nguồn cấp: pin 9V.
- Nhiệt độ và độ ẩm hoạt động: 0 - 50℃, dưới 80% RH.
29 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
9. Hộp mica chứa các mẫu thí nghiệm:
Sử dụng hộp mica để chứa các mẫu thí nghiệm khác nhau.
Hình 3.11: Hợp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mẫu 1)
30 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.13: Hợp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mặt trước)
Hình 3.14: Hợp mica để chứa các mẫu thí nghiệm (mặt sau)
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).
31 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.15: Mặt trước của tấm pin mặt trời sử dụng trong thí nghiệm
32 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
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
33 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
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
34 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình 3.21: Sơ đồ vị trí các điểm đặt đầu đo nhiệt đợ trên tấm PV
Hình 3.22: Sơ đồ mạch điện đo công suất điện đầu ra của tấm PV
Mặt trên Mặt dưới
35 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
Hình ảnh mơ hình thực nghiệm trong phịng thí nghiệm và ngồi trời
Hình 3.23: Hệ thống thực nghiệm trong phịng thí nghiệm
36 GVHD: TS. Nguyễn Vũ Lân
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]: