Luận văn Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời (Phần 1)

1. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT ĐẾN NĂNG LƯỢNG HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI EVALUATING THE EFFECTS OF WEATHER CONDITIONS ON THE USEFUL HEAT GAIN OF THE SOLAR HOT WATER SYSTEM NGUYỄN DU1, LÊ MINH NHỰT2 1 HỌC VIÊN CAO HỌC TRƯỜNG TRUNG CẤP KINH TẾ KỸ THUẬT CÀ MAU 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TÓM TẮT Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá sự ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời. Hệ thống này được thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Cấu tạo của hệ thống gồm bốn bộ thu tấm phẳng được lắp song song với nhau, có tổng diện tích là 8 m2. Thể tích bình tích trữ nước nóng là 300 lít, lưu lượng nước tuần hoàn qua bộ thu là 0,132 kg/s. Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện trong ba dạng ngày khác nhau gồm ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa để đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống. Giá trị bức xạ mặt trời trung bình trên mặt phẳng bộ thu của ba ngày được đề cập ở trên lần lượt là 602 W/m2, 412 W/m2, 284,5 W/m2. Kết quả thí nghiệm cho thấy năng lượng hữu ích cấp đến bình tích trữ nước nóng của ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa lần lượt là 10,22 kWh, 4,4 kWh, 0 kWh và điện năng tiêu tốn cho bơm nước tuần hoàn bộ thu tương ứng là 2,1 kWh, 1,28 kWh, 0 kWh. Từ khóa: Bộ thu tấm phẳng; lưu lượng; bức xạ năng lượng mặt trời; điều kiện thời tiết; năng lượng hữu ích. Ký hiệu Ac: Diện tích bộ thu năng lượng mặt trời Qst: Tổn thất nhiệt của bình tích trữ (W) (m2) Qw: Dòng nhiệt cung cấp cho người sử dụng 2 As: Diện tích bề mặt của bình tích trữ (m ) (W) 0 Cb: Hệ số dẫn nhiệt mối hàn Ta: Nhiệt độ môi trường ( C) 0 0 Cp: Nhiệt dung riêng của nước (J/kg C) Tci: Nhiệt độ nước đầu vào bộ thu ( C) 0 D: Đường kính ngoài ống (m) Tco: Nhiệt độ nước đầu ra bộ thu ( C) 0 Di: Đường kính trong của ống (m) Ts: Nhiệt độ nước trong bình tích trữ ( C). F: Hiệu suất cánh tiêu chuẩn Twi: Nhiệt độ nước bổ sung vào bình tích trữ 0 F’: Hệ số hiệu suất của bộ thu ( C) F : Hệ số dịch chuyển nhiệt bộ thu Ub: Hệ số tổn thất nhiệt mặt đáy của bộ thu R (W/m2 K) hf,i: Hệ số truyền nhiệt từ ống vào chất lỏng Ue: Hệ số tổn thất nhiệt mặt bên của bộ thu 2 It: Bức xạ năng lượng mặt trời (W/m ) (W/m2 K) m: Lưu lượng khối lượng (kg/s) Ut: Hệ số tổn thất nhiệt mặt trên của bộ thu (W/m2 K) mw: Lưu lượng khối lượng nước bổ sung vào 2 bình tích trữ (kg/s) UL: Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần (W/m K) Qu: Năng lượng hữu ích (W) Us: Hệ số tổn thất nhiệt bình tích trữ (W/m2K)
2. Vs : Thể tích bình tích trữ (L) W: Khoảng cách ống (m)  : Tích số truyền- hấp thụ ABSTRACT The aim of this research is to evaluate the effects of weather conditions on the useful heat gain of the solar hot water system. This system was designed, fabricated and installed in the Ho Chi Minh City University of Technology and Education. It consists of four flat plate collectors which were connected in parallels and has the total collection surface area of 8 m2. The volume of storage tank is 300 liters, and the water flow rate through collector loop is 0,132 kg/s. In this study, the experiments were carried out on three types different of days such as clear day, intermittent cloud sky day and overcast sky day to evaluate the effects of weather conditions on the useful heat gain of the solar hot water system. The average values of the global solar irradiance incident on the collector surface of the three above different days are 602 W/m2, 412 W/m2, 284,5 W/m2, respectively. The experimental results show that the useful heat gain of solar collectors for domestic hot water production of the clear day, intermittent cloud sky day and overcast sky day are 10,22 kWh, 4,4 kWh, 0 kWh, respectively, and the corresponding energy consumption of collector loop pump is 2,1 kWh, 1,28 kWh, 0 kWh, respectively. Key words: flat plate collector; flow; solar radiation; weather conditions; the useful heat gain. I. GIỚI THIỆU không có sự cung cấp nước nóng cho người sử Trong thời đại hiện nay, kinh tế và dân số dụng trong suốt quá trình bơm hoạt động. phát triển mạnh mẽ dẫn đến nhu cầu tiêu thụ Winn và Hull lll [5] đã phát triển mô hình tối năng lượng ngày một tăng cao đã dẫn đến cạn ưu bài toán cơ bản dựa trên hệ số dịch chuyển kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và làm tăng nhiệt, trong mô hình xây dựng này, các giá trị đo lường (ví dụ như nhiệt độ, bức xạ năng lượng khí thải như CO2, SOx, và NOx vào bầu khí quyển. Từ những lý do trên, nhiều nước đã lượng mặt trời) của hệ thống không yêu cầu trước nhưng giải pháp bằng số tạo ra trạng thái hướng đến sự tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo [1-2]. Do sự biến đổi khí với sự thay đổi thích hợp. Dorato và Jamshidi hậu, nóng lên toàn cầu, sự khan hiếm nguồn [6], Orbach et al và Beckman et al [7] cũng năng lượng hóa thạch và các chi phí năng báo cáo về điều khiển tối ưu cho hệ thống thu lượng ngày càng tăng, chính vì vậy nghiên cứu năng lượng mặt trời với phương pháp điều về năng lượng tái tạo đã trở thành một vấn đề khiển đóng-mở. Salteil và Sokolov [8] đã đưa nóng trong những năm gần đây. Đặc biệt, ra một phân tích số cho tối ưu lưu lượng dòng nghiên cứu về năng lượng mặt trời mà chủ yếu chảy của bộ thu năng lượng mặt trời đa thành tập trung vào các hệ thống nhiệt mặt trời để phần với hai loại cấu hình: tuần hoàn và một sưởi ấm, gia nhiệt nước nóng được nhiều nước chiều với điều kiện thời tiết được giả định là trên thế giới chú trọng, quan tâm. một hàm sin theo thời gian. Năm 2013, Nhựt và Park [9] đánh giá hệ thống năng lượng mặt Năm 2008, Badescu [3] đánh giá hệ thống trời bằng việc điều khiển dòng chảy tối ưu cho năng lượng mặt trời bằng việc điều khiển tối vòng tuần hoàn bộ thu năng lượng mặt trời ưu lưu lượng bộ thu năng lượng mặt trời tấm dạng ống chân không bởi bơm biến tần. Kết phẳng theo kiểu đóng-mở. Kết quả cho thấy quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tăng so với hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời cao điều khiển đóng-mở là 1,54%. Việt Nam hơn phương pháp điều khiển tối ưu lưu lượng không tránh khỏi tình trạng thiếu hụt nguồn không đổi. Kavarik và Lesse [4] đã tiến hành năng lượng như thế giới. Cho nên, việc sử nghiên cứu lý thuyết bài toán điều khiển lưu dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế nguồn lượng dòng chảy tối ưu để tìm ra sự khác biệt năng lượng truyền thống được phát triển mạnh lớn nhất giữa năng lượng hữu ích và điện năng mẽ. tiêu tốn cho bơm nước trong vòng tuần hoàn bộ thu. Trong nghiên cứu này, bộ thu tấm Các nước đang phát triển trên thế giới phẳng và bình tích trữ được giả định rằng phát triển mạnh mẽ lĩnh vực sản xuất nước
3. nóng bằng năng lượng mặt trời như Mỹ, Đức, tanh/2 mWD Pháp, Tây Ban Nha, Trung Quốc Ở Việt F (4) mWD /2 Nam tuy chỉ mới ứng dụng năng lượng tái tạo cách đây không lâu nhưng cũng thể hiện được tiềm năng rất lớn, đặc biệt là sản xuất nước 2 nóng năng lượng mặt trời. Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần UL (W/m K) UUUU (5) Do vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam L t b e một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn, Cân bằng năng lượng của bình tích trữ nước đặc biệt là ở thành phố Hồ Chí Minh, nơi mà nóng được tính như sau: nhu cầu sử dụng nguồn nước nóng phục vụ dT không chỉ cho hộ gia đình mà còn cho các MCQQQs (6) khách sạn, chung cư cao cấp, khu nghỉ dưỡng, puwstdt bệnh viện Do đó, việc sử dụng nguồn năng Tổn thất nhiệt của bình tích trữ được tính như lượng mặt trời để sản xuất nước nóng thay cho sau: các phương thức cũ như dùng điện trở, lò hơi có ý nghĩa hết sức to lớn. QUATTstsssa (7) Hiện nay, các hệ thống năng lượng mặt Dòng nhiệt cung cấp cho người sử dụng được trời được ứng dụng nhiều trong các công ty, xí tính như sau [9]: nghiệp, nhà hàng và khách sạn ở Việt Nam, hầu hết sử dụng chủ yếu là kiểu lưu lượng UAww cưỡng bức qua vòng tuần hoàn bộ thu là hằng QmCTTwwpswi 1exp (8) mc số. Tuy nhiên chưa có một nghiên cứu đánh wp giá ảnh hưởng điều kiện thời tiết đến năng III. MÔ TẢ HỆ THỐNG lượng hữu ích hệ thống năng lượng mặt trời. 3.1 Mô tả hệ thống Vì vậy bài báo này nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng điều kiện thời tiết đến năng lượng Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng kiểu cưỡng bức, phục vụ nghiên cứu được mặt trời tại các khu vực phía nam Việt Nam. thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT như ở hình 1. Trong nghiên cứu này, năng lượng hữu Hệ thống này bao gồm bộ thu năng lượng ích Qu (W) của bộ thu năng lượng mặt trời mặt trời, bình tích trữ, bơm nước, đồng hồ lưu được tính như sau [10]: lượng, bộ điều khiển và thu thập dữ liệu. Bộ thu năng lượng mặt trời gồm 4 tấm collector, QAFIUTTu c R  t L ci a (1) mỗi tấm có chiều dài 2m, chiều rộng 1m, mCp T co T ci khoảng cách các ống 0,08m, đường kính ngoài của ống 0,013m và có 11 ống, các tấm này FR là hệ số dịch chuyển nhiệt bộ thu, liên quan được kết nối song song với nhau có tổng diện đến diện tích bộ thu, hệ số tổn thất nhiệt toàn tích là 8m2 và đặt nghiêng một góc 450 so với phần và lưu lượng khối lượng, được tính như mặt phẳng nằm ngang hướng về phía Nam. sau [10]: Bình tích trữ có đường kính 820 mm và chiều cao 1080 mm đáp ứng theo yêu cầu mC AUF F p 1 exp cL (2) VAL m 33,3 2 [3]. Bình tích trữ bằng R AUmc sc c Lp nhựa bọc cách nhiệt polyurethane dày 50 mm. Với: 1 U F L 1 1 1 W UDWDF C D h L b i f, i (3)
4. Đối với bơm nước tuần hoàn bộ thu, khi sự chênh lệch giữa nhiệt độ nước đầu ra bộ thu và nhiệt độ nước dưới đáy bình tích trữ cao Nhiệt độ Ta o hơn so với giá trị đặt TTToncos 10 C, Bộ thu năng lượng bơm bộ thu chạy, và sẽ tắt nếu giá trị này thấp mặt trời Tco 0 hơn giá trị T offcos T T 2 C. Bơm bộ thu được điều khiển bởi chương trình được viết Tci bằng ngôn ngữ C++. Các cảm biến nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ được kết nối với bộ điều khiển Arduino mega 8 [11]. Tất cả các dữ liệu có liên quan đến Bơm nhiệt độ của hệ thống được ghi lại và thể hiện Bộ điều khiển và thu thập dữ liệu trên màn hình điều khiển. Bức xạ năng lượng mặt trời đo bằng máy đo bức xạ mặt trời Tenmars TM-207 (sai số là +/- 1,5%) [12] và Nhiệt độ cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ môi trường lắp đặt gần vị trí bộ thu năng lượng mặt trời (sai Nước nóng cấp đi số+/- 0,5%). Ngoài ra, ba cảm biến nhiệt độ Ts Bình được sử dụng để đo nhiệt độ nước đầu vào, tích trữ Nước lạnh bổ sung nhiệt độ nước đầu ra của bộ thu và nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ có sai số là +/- 0,5% Hình 1. Sơ đồ hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời 3.2 Phương pháp thí nghiệm Lưu lượng nước qua vòng tuần hoàn bộ i thu được đặt là 0,132 kg/s. Các thông số cần ghi nhận trong quá trình đo đạc bao gồm: bức xạ năng lượng mặt trời, điện năng tiêu thụ, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước đầu vào, nhiệt độ nước đầu ra của bộ thu và nhiệt độ nước trong bình tích trữ. Thời gian thí nghiệm được bắt đầu từ 7h30 đến 16h40 cho tất cả các ngày, nhiệt độ nước ban đầu thí nghiệm không đổi và bằng 300C, các thông số được đo với thời gian 10 phút một lần, các số liệu được ghi vào file Hình 2. Sơ đồ thực tế bộ thu năng lượng mặt excel, thí nghiệm được tiến hành trong ba dạng trời ngày khác nhau là ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa. IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN Hình 4 và hình 5 cho thấy hoạt động của bơm bộ thu năng lượng mặt trời trong trường hợp ngày nắng. Bơm tuần hoàn bắt đầu hoạt động từ 9h50 đến khoảng 10h00 dừng, sau đó đến khoảng 10h50 hoạt động trở lại cho đến 15h50 thì dừng. Khi bơm tuần hoàn hoạt động, nhiệt độ nước đầu ra bộ thu Tco dần dần tăng lên và sau đó giảm dần vào khoảng 15h30, do Hình 3. Bộ điều khiển năng lượng mặt trời bức xạ năng lượng mặt trời I giảm, nhiệt độ t nước đầu ra bộ thu đạt giá trị cao nhất 67,50C Nguyên lý hoạt động hệ thống nước nóng vào lúc 15h00. năng lượng mặt trời có thể được mô tả như sau:
5. 800 50 It Ta m 700 40 600 C,l/p) 0 500 ) 30 2 400 (W/m 20 t I 300 200 10 100 0 0 lưuđộ,( lượng Nhiệt Thời gian (h) Hình 4. Thay đổi của lưu lượng khối lượng theo thời Hình 7. Thay đổi của lưu lượng khối lượng theo thời gian trong ngày nắng gian trong ngày có mây Hình 6 và hình 7 cho thấy hoạt động của bơm bộ thu năng lượng mặt trời trong trường hợp ngày có mây. Bơm tuần hoàn hoạt động từ lúc 8h50 đến khoảng 14h50 nhưng không liên tục. Theo hình 7 ta thấy bơm tắt mở liên tục trong khoảng thời gian từ 8h50 đến 14h50 và sau đó tắt hẳn. Điều này là do sự giảm đột ngột năng lượng bức xạ mặt trời It trên bề mặt bộ thu dẫn đến nhiệt độ nước đầu ra bộ thu Tco giảm. Nhiệt độ nước trong bình tích trữ Ts tăng dần và đạt giá trị 460C vào khoảng 14h00. Tổng năng lượng hữu ích cấp đến bình Hình 5. Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu và nhiệt tích trữ nước nóng là 4,4 kWh và tổng lượng độ trong ngày nắng điện năng tiêu tốn cho bơm nước tuần hoàn bộ thu tương ứng 1,28 kWh. Trong khi đó nhiệt độ nước đầu vào bộ thu Tci liên tục tăng do độ chênh lệch nhiệt độ nước Hình 8 và hình 9 cho thấy hoạt động của đầu vào, đầu ra bộ thu tăng và chỉ giảm khi bơm bộ thu năng lượng mặt trời trong trường bơm tuần hoàn tắt. Nhiệt độ nước trong bình hợp ngày mưa. Bơm tuần hoàn không hoạt động trong suốt quá trình thí nghiệm. Điều này tích trữ Ts tăng dần lên và đạt giá trị cao nhất 650C vào lúc khoảng 15h00. là do năng lượng bức xạ mặt trời It chiếu đến Tổng năng lượng hữu ích cấp đến bình tích trữ bộ thu rất ít và thay đổi liên tục. nước nóng là 10,22 kWh và tổng lượng điện năng tiêu tốn cho bơm nước tuần hoàn bộ thu tương ứng 2,1 kWh. Hình 8. Thay đổi của lưu lượng khối lượng theo thời gian trong ngày mưa Hình 6. Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu và nhiệt độ trong ngày có mây
6. Nhiệt độ nước đầu vào Tci, nhiệt độ nước đầu ra Tco của bộ thu năng lượng mặt trời thay đổi rất ít. Nhiệt độ nước trong bình tích trữ Ts đạt khoảng 360C tại thời điểm 10h00. Tổng năng lượng hữu ích cấp đến bình tích trữ nước nóng là 0 kWh và tổng lượng điện năng tiêu tốn cho bơm nước tuần hoàn bộ thu tương ứng 0 kWh. V. KẾT LUẬN Các thí nghiệm được thực hiện trên ba dạng ngày khác nhau như ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa với giá trị lưu lượng nước qua vòng tuần hoàn bộ thu không đổi là 0,132 kg/s. Để đánh giá ảnh hưởng điều kiện thời tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước Hình 9. Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu và nhiệt độ trong ngày mưa nóng năng lượng mặt trời. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng năng lượng hữu ích Q cấp đến u dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để bình tích trữ nước nóng của ngày nắng, ngày tác giả hoàn thành bài báo này. có mây và ngày mưa lần lượt là 10,22 kWh, 4,4 kWh, 0 kWh và điện năng tiêu tốn cho Tác giả xin trân trọng cám ơn quý thầy cô bơm bộ thu tương ứng 2,1 kWh, 1,28 kWh, 0 trong Khoa Cơ Khí Động Lưc nói chung, quý kWh. Hệ thống điều khiển tự động hoạt động thầy cô trong Bộ Môn Kỹ Thuật Nhiệt-Điện ổn định trong suốt thí nghiệm. Lạnh nói riêng và nhóm sinh viên lớp Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt K12 đã giúp đỡ, tạo điều LỜI CẢM ƠN kiện để tác giả hoàn thành bài báo. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. LÊ MINH NHỰT đã tận tình hướng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Novo, A.V., Bayon, J.R., et al., Review of seasonal heat storagein large basins: water tanks and Gravel-water pits. Applied Energy 87, 390-397,2010 [2] Yumrutas, R., Unsal, M., Energy analysis and modeling of a solar assisted house heating system with a heat pump and an underground energy storage tank. Solar Energy 86, 983-993a, 2012. [3] Badescu, V., Optimal control of flow in solar collector systems with fully mixed waterstorage tanks, Energy Conversion and Management. 49, pp.169-184, 2008. [4] Kavarik, M., Lesse, F.,Optimal control of flow in temperature solar heat collectors. Solar Energy, Vol 18, pp 431- 435, pegamon press, 1976 [5] Winn, C.B., Hullll, D.E., Optimal controllers of the second kind. Solar energy 23, 529- 534, 1979. [6] Dorato, P., Optimal temperature control of solar energy systems. Solar Enegry, Vol. 30, No. 2, pp 147-152, 1983 [7] Orbach, A., Rorres, C., et al., Optimal control of a solar collector loop using a distributed-lumped model. Automatica, Vol.17, No.3, pp 535-539, 1981 [8] Saltiel, C., Sokolov, M., Optimal control of a multicomponent solar collector system. Solar Energy, Vol 34, No. 6, pp. 463-473, 1985 [9] Nhut, L. M., Park, Y. C.,A study on automatic optimal operation of a pump for solar domestic hot water system. Elsevier, Solar Energy 98, 448–457, 2013
7. [10] Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, pp490-491, John Wiley & Sons, New York, Fourth Edition, 2013 [11] [12] Thông tin lên hệ tác giả: Họ và tên: Nguyễn Du Đơn vị: trường Trung Cấp Kinh Tế - Kỹ Thuật Cà Mau Điện thoại: 0939 798 191 Mail: duktcnnl@gmail.com
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.