Nghiên cứu đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Nhằm mục đích xây dựng cơ sở khoa học giúp hỗ trợ việc định hướng hợp lý khi tính toán, phân tích, đánh giá chất lượng và hiệu quả làm việc của các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, luận án này

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Luận án này được thực hiện nhờ sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Nguyên An và PGS TS Lại Ngọc Anh Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực, được trích dẫn rõ ràng và chưa được tác giả nào công bố

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2018

Hơn tất cả, tôi xin được bày tỏ lòng tri ân chân thành và sâu sắc tới tập thể hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Nguyên An và PGS TS Lại Ngọc Anh, những người

đã tận tình giúp đỡ, định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình và người thân đã luôn sát cánh bên tôi, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi toàn tâm với công việc nghiên cứu của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2018

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Quốc Uy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

5 Điểm mới của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Năng lượng mặt trời và ứng dụng 5

1.1.1 Thực trạng tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính 5

1.1.1.1 Tình hình tiêu thụ năng lượng của thế giới 5

1.1.1.2 Phát thải khí nhà kính ảnh hưởng đến môi trường 6

1.1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời 7

1.2 Vai trò của việc nghiên cứu đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không của bộ thu năng lượng mặt trời 8

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 9

1.3.1 Các nghiên cứu ở trong nước 9

1.3.1.1 Nghiên cứu đánh giá tiềm năng, phân bố bức xạ mặt trời 9

1.3.1.2 Nghiên cứu cải tiến, phát triển khoa học và công nghệ khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời 10

1.3.1.3 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống nhiệt mặt trời 12

1.3.2.1 Nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu dùng ống chữ U 15

1.3.2.2 Nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu sử dụng ống nhiệt 19

1.3.2.3 Nghiên cứu truyền nhiệt và đặc tính bộ thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt 22

1.3.2.4 Nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu kiểu nước trong ống thủy tinh chân không 25

1.3.3 Một số vấn đề tồn tại và sự cần thiết nghiên cứu 32

Kết luận chương 1 33

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 34

2.1 Nguyên lý làm việc của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không 34

2.2 Cơ sở lý thuyết về bức xạ mặt trời 36

2.2.1 Mặt trời và bức xạ của mặt trời 36

2.2.2 Các thông số hình học của tia bức xạ mặt trời 37

2.2.3 Phương pháp tính toán và xác định các thành phần của bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 42

2.3 Quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không 46

2.3.1 Các dòng nhiệt truyền của ống thủy tinh chân không 46

2.3.2 Sự che khuất giữa các ống cạnh nhau 48

2.3.3 Quá trình của tia bức xạ mặt trời trong ống thủy tinh chân không và tích số truyền - hấp thụ của ống 49

2.3.4 Mô hình toán xác định lượng bức xạ hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu 51 2.3.5 Tổn thất nhiệt của bộ thu kiểu ống thủy tinh chân không 57

Kết luận chương 2 59

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 60

3.1 Xây dựng chương trình tính lượng bức xạ hấp thụ và chương trình tính tổn

thất nhiệt của bộ thu 60

3.1.1 Chương trình tính lượng bức xạ hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu 60 3.1.2 Chương trình tính tổn thất nhiệt của bộ thu 63

3.2 Mô phỏng ống thủy tinh chân không của bộ thu 64

3.2.1 Xây dựng và chia lưới mô hình mô phỏng 67

3.2.2 Thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng 68

3.2.3 Xử lý kết quả mô phỏng 71

3.3 Mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không gắn với ống góp 71

3.3.1 Xây dựng và chia lưới mô hình mô phỏng 73

3.3.2 Thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng 74

3.3.3 Xử lý kết quả mô phỏng 74

3.4 Nghiên cứu đặc tính làm việc của ống thủy tinh chân không và của bộ thu năng lượng mặt trời 75

3.4.1 Công suất nhiệt hữu ích của ống thủy tinh chân không 75

3.4.2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống thủy tinh chân không 75

3.4.3 Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn trong ống thủy tinh chân không 76 3.4.4 Hiệu suất bộ thu 79

Kết luận chương 3 80

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 81

4.1 Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu bức xạ mặt trời 81

4.1.1 Cơ sở tính toán xây dựng thiết bị đo bức xạ 81

4.1.2 Thiết kế và chế tạo hệ thống đo bức xạ 84

4.2 Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu đặc tính bộ thu năng lượng mặt trời 88

4.2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống 88

4.2.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống khung giá đỡ bộ thu và hệ thống 90

4.2.4 Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển, đo và tự động ghi số liệu 94

4.3 Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm 101

4.3.1 Nghiên cứu đo bức xạ 101

4.3.2 Nghiên cứu về đặc tính bộ thu 106

4.3.2.1 Các bước thí nghiệm và số liệu thu được 106

4.3.2.2 Nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu 110

4.3.2.3 Nhiệt độ nước trong ống góp 111

Kết luận chương 4 113

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 114

5.1 Các kết quả nghiên cứu 114

5.1.1 Công suất nhiệt hữu ích của ống thủy tinh chân không 114

5.1.2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống thủy tinh chân không 118

5.2 Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế 120

5.2.1 Nghiên cứu xác định hiệu suất bộ thu 120

5.2.2 Xác định lưu lượng nước tuần hoàn trong ống thủy tinh chân không 122

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 125

Kết luận: 125

Đề xuất: 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 140

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu theo chữ Latinh

di Đường kính (ngoài) của ống trong (ống hấp thụ) m

do Đường kính (ngoài) của ống ngoài (ống bao) m

Gb Cường độ bức xạ tới trực tiếp (trực xạ) W/m2

Gt Cường độ bức xạ toàn phần trên mặt phẳng nghiêng W/m2

H Tổng lượng bức xạ trong 1 ngày trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.ngày)

Hb Tổng lượng trực xạ trong 1 ngày trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.ngày)

Hd Tổng lượng tán xạ trong 1 ngày trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.ngày)

Hr Tổng lượng phản xạ trong 1 ngày trên 1 m

I Tổng lượng bức xạ trong 1 giờ trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ)

Ib Tổng lượng trực xạ trong 1 giờ trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ)

Ký hiệu Tên gọi đại lượng (ý nghĩa) Đơn vị

Id Tổng lượng tán xạ trong 1 giờ trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ)

Ir Tổng lượng phản xạ trong 1 giờ trên 1 m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ)

It Tổng lượng bức xạ trong 1 giờ trên 1 m

mc Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn qua ống góp bộ thu kg/s .

m Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn tự nhiên trong ống kg/s

UL Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của ống bộ thu W/(m2.K)

Các ký hiệu theo chữ Hy Lạp

2.K)

 Góc phương vị bộ thu (so với phương chính nam) độ

 Góc lệch (tạo bởi mặt phẳng hoàng đạo và mặt phẳng xích

Ký hiệu Tên gọi đại lượng (ý nghĩa) Đơn vị

b Tia tới trực tiếp (trực xạ) L Tổn thất

Ký hiệu Tên gọi (ý nghĩa) Ký hiệu Tên gọi (ý nghĩa)

CĐBX Cường độ bức xạ NLBXMT Năng lượng bức xạ mặt trời

CFD Computational Fluid

EES Engineering Equation

MHMP Mô hình mô phỏng TĐNĐL Trao đổi nhiệt đối lưu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu thụ năng lượng của thế giới trong năm 1973 và 2015 5

Bảng 1.2 Phát thải CO2 của thế giới 6

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo 95

Bảng 4.2 Chu kỳ điều chỉnh, góc lệch trung bình và vị trí lỗ điều chỉnh 101

Bảng 4.3 Khoảng cách tâm bóng che - thanh U ngang và chiều rộng bóng che 103

Bảng 4.4 Hệ số hiệu chỉnh tán xạ 105

Bảng 4.5 Một số dữ liệu thực nghiệm trong ngày 107

Bảng 4.6 Dữ liệu thực nghiệm được lấy trung bình trong thời gian 5 phút 108

Bảng 5.1 Nhiệt hữu ích và nhiệt tổn thất của ống TTCK 117

Bảng 5.2 Một số dữ liệu điển hình xác định hiệu suất bộ thu 121

DANH MỤC CÁC ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dự báo sử dụng NLMT cho một số ứng dụng đến năm 2050 7

Hình 1.2 Cấu trúc bộ thu kiểu ống TTCK dùng ống chữ U 15

Hình 1.3 Cấu trúc bộ thu của Ruobing Liang và các cộng sự 16

Hình 1.4 Bộ thu dùng ống chữ U kết nối liên tiếp của R.K Mishra và các cộng sự 17

Hình 1.5 Cấu trúc bộ thu của Xianhua Nie và các cộng sự 18

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm của Xianhua Nie và các cộng sự 18

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý bộ thu dùng ống nhiệt trọng trường 19

Hình 1.8 Cấu tạo bộ thu sử dụng trong nghiên cứu của L M Ayompe và A Duffy 20

Hình 1.9 Bộ thu của L.J Shah và S Furbo 25

Hình 1.10 Miền tính toán mô phỏng trong nghiên cứu [69] 27

Hình 1.11 Hệ thống đo lưu lượng nước tuần hoàn trong phòng thí nghiệm 28

Hình 1.12 Đo nhiệt độ nước vào và ra khỏi miệng ống 29

Hình 2.1 Bộ thu kiểu ống TTCK 35

Hình 2.2 Các góc cơ bản của tia trực xạ và các mặt phẳng 38

Hình 2.3 Quan hệ giữa các góc hình học đối với một mặt phẳng đặt nghiêng ở các vị trí khác nhau 40

Hình 2.4 Chuyển đổi trực xạ 42

Hình 2.5 Các dòng nhiệt xuất hiện khi BXMT đập tới bề mặt ống TTCK 47

Hình 2.6 Các góc giới hạn của tia trực xạ 49

Hình 2.7 Quá trình của tia bức xạ trong ống thủy tinh chân không 50

Hình 2.8 Sơ đồ khối mô hình xác định bức xạ hấp thụ trên bề mặt của ống thủy tinh chân không bộ thu năng lượng mặt trời 51

Hình 2.9 Hệ trục tọa độ và các thông số hình học sử dụng trong mô hình 55

Hình 2.10 Sơ đồ biểu diễn các nhiệt trở của ống TTCK 57

Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán xác định bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu 61

Hình 3.2 Chương trình tính bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu 62

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán xác định tổn thất nhiệt của 1 ống và của cả bộ thu 63

Hình 3.4 Chương trình tính tổn thất nhiệt 64

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán mô phỏng ống TTCK 66

Hình 3.6 Xây dựng mô hình mô phỏng ống TTCK 67

Hình 3.7 Chia lưới mô hình mô phỏng ống TTCK 67

Hình 3.8 Thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng ống TTCK 68

Hình 3.9 Các điều kiện biên của mô hình mô phỏng 69

Hình 3.10 Cường độ bức xạ mặt trời trong thời gian mô phỏng 69

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng ống TTCK 71

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống TTCK 72

Hình 3.13 Xây dựng mô hình mô phỏng bộ thu kiểu ống TTCK gắn với ống góp 73 Hình 3.14 Chia lưới mô hình mô phỏng bộ thu kiểu ống TTCK gắn với ống góp 73 Hình 3.15 Thiết lập thông số cho mô hình mô phỏng bộ thu kiểu ống TTCK gắn với ống góp 74

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng bộ thu kiểu ống TTCK gắn với ống góp 74

Hình 3.17 Phân bố nhiệt độ trên bề mặt của ống 75

Hình 3.18 Phân bố nhiệt độ của nước tại miệng ống 76

Hình 3.19 Phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc mô hình 77

Hình 3.20 Véc tơ vận tốc của nước tại miệng ống 78

Hình 4.1 Mặt phẳng quỹ đạo chuyển động của mặt trời trong ngày 84

Hình 4.2 Pyranometer đo tổng xạ trên mặt phẳng nghiêng của bộ thu 85

Hình 4.3 Cấu tạo của thiết bị đo tổng xạ, tán xạ và trực xạ 85

Hình 4.4 Khung đỡ 86

Hình 4.5 Vòng chắn trực xạ 86

Hình 4.6 Kích thước mặt chia độ 86

Hình 4.7 Kích thước và hình ảnh thực tế của máng trượt 87

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm 89

Hình 4.10 Kích thước mặt giá đỡ bộ thu 91

Hình 4.11 Cơ cấu thay đổi góc nghiêng của bộ thu 91

Hình 4.12 Kích thước khung đế đỡ hệ thống 92

Hình 4.13 Cấu tạo và kích thước bình chứa nước nóng 93

Hình 4.14 Hình ảnh thiết bị thực nghiệm được chế tạo và lắp đặt 93

Hình 4.15 Sơ đồ bố trí các điểm đo nhiệt độ, lưu lượng và bức xạ 94

Hình 4.16 Chế tạo và hiệu chuẩn các đầu đo nhiệt độ dùng cảm biến LM335 95

Hình 4.17 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong hệ thống điều khiển, đo và tự ghi số liệu 97 Hình 4.18 Sơ đồ đấu điện hệ thống điều khiển, đo và tự ghi số liệu 98

Hình 4.19 Tủ điện chứa bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ 99

Hình 4.20 Tủ điện điều khiển, giám sát và tự ghi số liệu 101

Hình 4.21 Nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu 110

Hình 4.22 Nhiệt độ nước trong ống góp 112

Hình 5.1 Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc cường độ bức xạ hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 30 oC 115

Hình 5.2 Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc cường độ bức xạ hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 40 oC 115

Hình 5.3 Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc cường độ bức xạ hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 50 oC 116

Hình 5.4 Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc cường độ bức xạ hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 60 oC 116

Hình 5.5 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống phụ thuộc nhiệt độ nước và cường độ bức xạ mà ống nhận được 119

Hình 5.6 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống phụ thuộc nhiệt độ nước và góc chắn tia trực xạ 120

Hình 5.7 Hàm đặc tính hiệu suất của bộ thu NLMT 120

Hình 5.8 Phương trình tiêu chuẩn xác định lưu lượng nước tuần hoàn trong ống thủy tinh chân không đường kính 47/58 mm 123

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng mặt trời (NLMT) ngày càng được xem là một trong những nguồn năng lượng (NL) tái tạo quan trọng và thiết yếu đối với con người Với tiềm năng có thể được coi là vô tận, NLMT được sử dụng để sản xuất điện năng trực tiếp bằng pin mặt trời hoặc gián tiếp nhờ chu trình Rankine NLMT cũng có thể được chuyển hóa thành năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, nhưng phổ biến, đơn giản và hiệu quả hơn cả là chuyển hóa thành nhiệt năng và được dùng để đun nước nóng cung cấp cho các nhu cầu sinh hoạt cũng như các quá trình có sử dụng nhiệt trong công nghiệp Trong lĩnh vực ứng dụng NLMT để đun nước nóng, các bộ thu kiểu tấm phẳng và kiểu ống thủy tinh chân không (TTCK) thường được sử dụng do có cấu tạo đơn giản, hoạt động ổn định và chi phí chế tạo thấp Ngày nay, các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK được sử dụng phổ biến hơn vì chúng có nhiều ưu điểm nổi trội đã được kiểm chứng qua thực tiễn như có hiệu suất nhiệt cao trong phạm vi làm việc rộng, được mô-đun hóa đến từng ống nên dễ dàng thiết kế, lắp đặt hệ thống theo các mức độ công suất khác nhau, và có chi phí chế tạo rất thấp

Nhiều nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước đã tiến hành đối với bộ thu kiểu ống TTCK Các nghiên cứu chia thành nhiều hướng khác nhau, tập trung vào nhiều mục tiêu như: nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng bộ thu, của tỉ lệ diện tích bộ thu so với thể tích bình chứa, của lưu lượng nước tuần hoàn qua bộ thu đến hiệu suất nhiệt, chi phí đầu tư và khả năng thu hồi vốn, Các nghiên cứu có thể được thực hiện bằng lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm, song chủ yếu vẫn là nghiên cứu kết hợp thông qua xây dựng mô hình toán hoặc mô phỏng số rồi lấy thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình lý thuyết Mặc dù số lượng nghiên cứu khá nhiều, phong phú về nội dung, đa dạng về hướng, nhưng các kết quả công

bố thiếu tính hệ thống, chưa rõ ràng, không thuận tiện cho người sử dụng trong việc tính toán thiết kế, lựa chọn lắp đặt hoặc đánh giá hiệu quả và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống bộ thu NLMT Nhằm mục đích xây dựng cơ sở khoa học giúp hỗ trợ việc định hướng hợp lý khi tính toán, phân tích, đánh giá chất lượng và hiệu quả làm việc của các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, luận án này tập trung vào nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt diễn ra trong ống TTCK để từ đó xác định các thông

số đặc trưng (đặc tính) của bộ thu, đặc biệt khi làm việc trong điều kiện thời tiết ở

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống TTCK của thiết bị đun nước nóng bằng NLMT, loại thiết bị được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam Ngoài ra, bức xạ mặt trời (BXMT) cũng là đối tượng mà luận án quan tâm nghiên cứu cùng với đối tượng chính, nhằm hỗ trợ cho việc nghiên cứu đối tượng chính

Để nghiên cứu các đối tượng này, trên cơ sở các lý thuyết đã có, tác giả sẽ tiến hành xây dựng các mô hình toán, mô hình mô phỏng, sau đó kết hợp với việc xây dựng mô hình vật lý để nghiên cứu, thí nghiệm nhằm kiểm chứng và hiệu chỉnh các

mô hình mô phỏng Trên cơ sở các mô hình mô phỏng đã được kiểm chứng về độ tin cậy, các nghiên cứu về đặc tính làm việc của bộ thu sẽ được tiến hành và sau đó được ứng dụng vào thực tiễn tính toán bộ thu NLMT kiểu ống TTCK

3 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án bao gồm:

- Tổng quan về tình hình nghiên cứu bộ thu NLMT kiểu ống TTCK trong và ngoài nước, phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã đạt được, các vấn

đề còn tồn tại, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu;

- Nghiên cứu về các đặc điểm hình học và quang học của BXMT, các phương pháp xác định các thành phần BX và tổng lượng BX trên mặt phẳng nghiêng, xác định tổng lượng BX hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu;

- Nghiên cứu các quá trình truyền nhiệt trong bộ thu, xác định các thông số đặc trưng như góc chắn tia trực xạ, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu từ bề mặt trong của ống hấp thụ đến nước phụ thuộc tốc độ chuyển động tuần hoàn tự nhiên của nước trong ống, hệ số trao đổi nhiệt từ bề mặt ngoài ống tới môi trường xung quanh, từ đó xây dựng mô hình toán giúp xác định công suất nhiệt của từng ống, nhiệt độ nước ra khỏi ống, phân bố nhiệt độ nước trong ống góp, nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu;

- Xây dựng các mô hình mô phỏng ống TTCK, mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp để xác định các thông số làm việc của bộ thu;

- Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm các thiết bị đo đạc dữ liệu thời tiết như nhiệt độ không khí, cường độ BXMT, nhiệt độ nước, lưu lượng nước tuần hoàn, phục vụ nghiên cứu thực nghiệm cũng như kiểm chứng các mô hình lý thuyết đã xây dựng;

- Sử dụng mô hình mô phỏng và hệ thống thiết bị thí nghiệm đã xây dựng, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến công suất nhiệt và hiệu suất của bộ thu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Kết quả nghiên cứu xây dựng và giải mô hình toán xác định BX hấp thụ của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng việc chia bề mặt ống trụ thành các phân tố dọc theo chu vi ống giúp cho việc thiết lập điều kiện biên của vùng nhận BX trong các mô hình mô phỏng CFD chính xác hơn;

- Làm sáng tỏ quá trình truyền nhiệt bên trong ống TTCK của bộ thu NLMT (bao gổm quá trình của tia bức xạ từ ngoài không gian đập tới bề mặt hấp thụ của ống, quá trình truyền nhiệt cho nước trong ống, quá trình tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ ra môi trường);

- Phương trình tiêu chuẩn được xây dựng trong luận án thiết lập mối quan hệ giữa tiêu chuẩn Reynolds với các thông số vật lý và đường kính ống giúp tính toán, xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK Đây là thông

số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất nhiệt hữu ích của từng ống cũng như của cả bộ thu Các hệ số trong phương trình tìm được bằng việc hồi quy các số liệu đo và tính toán mô phỏng cho ống có đường kính trong/ngoài 47/58 mm theo các điều kiện làm việc khác nhau Phương pháp này có thể suy rộng cho các loại ống có kích thước bất kỳ;

- Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống dựa trên nghiên cứu mô phỏng CFD giúp mở rộng khả năng phân tích, đánh giá mức độ và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt trong bộ thu;

- Phương pháp tính toán công suất nhiệt hữu ích dựa theo mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm có thể áp dụng cho các loại bộ thu NLMT ở mọi điều kiện làm việc khác nhau;

- Hàm đặc tính hiệu suất bộ thu NLMT kiểu ống TTCK được xây dựng trong luận

án có thể sử dụng làm cơ sở khoa học quan trọng trong một số nghiên cứu về NLMT ở Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn:

- Đã xây dựng được hệ thống thiết bị thí nghiệm để nghiên cứu, kiểm chứng mô hình xác định BX hấp thụ của bộ thu và hệ thống thiết bị thí nghiệm để

nghiên cứu, kiểm chứng các quá trình trao đổi nhiệt bên trong bộ thu NLMT kiểu ống TTCK;

- Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần tạo nên cơ sở tham khảo tin cậy cho việc tính toán, phân tích, đánh giá, tối ưu hóa các phương án thiết kế, lắp đặt và vận hành các hệ thống đun nước nóng bằng NLMT kiểu ống TTCK sử dụng phổ biến trong dân dụng và công nghiệp

5 Điểm mới của luận án

- Đã xây dựng và giải mô hình xác định BX hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng việc chia bề mặt trụ thành các phân tố dọc theo chu vi ống;

- Bằng việc sử dụng nghiên cứu mô phỏng CFD và thực nghiệm đã tính được các tiêu chuẩn Re và Ra*, từ đó xây dựng được phương trình tiêu chuẩn

( )* 0 , 709Ra

012,0

Re =  và tính được lưu lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK;

- Xây dựng được phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống dựa trên kết quả nghiên cứu mô phỏng CFD;

- Bằng nghiên cứu mô phỏng đã xác định được nhiệt độ trung bình trên bề mặt ống hấp thụ và từ đó xây dựng được phương pháp tính công suất nhiệt hữu ích của các loại bộ thu NLMT sử dụng ống TTCK theo các điều kiện làm việc khác nhau;

- Xây dựng được phương pháp và hệ thống thí nghiệm để xác định các thành phần BXMT mà chỉ sử dụng 02 BX kế (pyranometer);

- Xác định được hiệu suất của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng cả lý thuyết và thực nghiệm Đây là thông số quan trọng để tính toán công suất nhiệt hữu ích của bộ thu NLMT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Năng lượng mặt trời và ứng dụng

1.1.1 Thực trạng tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính

1.1.1.1 Tình hình tiêu thụ năng lượng của thế giới

Xã hội càng phát triển, các hoạt động công nghiệp và đời sống con người ngày càng tăng cao, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng ngày càng lớn Nếu so sánh giữa hai mốc thời gian là năm 1973 và 2015 thì mức tiêu thụ năng lượng của thế giới đã tăng lên rất nhiều Các số liệu thống kê của IEA được trình bày trong bảng 1.1 minh họa rõ về điều này [84]

Bảng 1.1 Tiêu thụ năng lượng của thế giới trong năm 1973 và 2015

nhiên 976,16 11352741 16,0 2947,752 34282355,76 21,6 Hạt nhân 54,909 638591,67 0,9 668,703 7777015,89 4,9 Sinh khối

và phế thải 640,605 7450236,2 10,5 1323,759 15395317,17 9,7 Khác 6,101 70954,63 0,1 204,705 2380719,15 1,5

Tổng cộng 6101 70954630 100 13647 158714610 100

1.1.1.2 Phát thải khí nhà kính ảnh hưởng đến môi trường

Theo các số liệu thống kê ở trên, năng lượng được thế giới sử dụng chủ yếu là

từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt) Để sử dụng các nguồn nhiên liệu này cần phải đốt cháy chúng và kết quả là thải ra môi trường các khí gây hiệu ứng nhà kính (chủ yếu là CO2) Hiệu ứng nhà kính đã làm cho trái đất nóng lên, gây biến đổi khí hậu và ảnh hưởng xấu đến môi trường Theo số liệu công bố của IEA, phát thải CO2 của thế giới đã tăng lên rất nhiều kể từ năm 1973 đến 2015

Bảng 1.2 Phát thải CO 2 của thế giới

Lượng phát thải (triệu tấn) Tỉ lệ (%) Lượng phát thải (triệu tấn) Tỉ lệ (%)

Như vậy lượng năng lượng tiêu thụ hàng năm của thế giới là rất lớn và vẫn có

xu hướng gia tăng Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch không tái tạo được nên ngày càng cạn kiệt Đồng thời việc sử dụng năng lượng hóa thạch làm phát thải CO2 và các khí độc hại NOx, SOx gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu là vấn đề đã và đang báo động toàn nhân loại Để giải bài toán về năng lượng và phát triển, các quốc gia trên thế giới cần phải có các kế hoạch và hành động cụ thể Riêng Việt Nam, Chính phủ cũng đã phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2050 Trong chiến lược phát triển này, vấn đề sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng được đề cao cùng với đó là việc phát triển sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời

1.1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời

Mặt trời có nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 5800 K, bức xạ lan truyền chủ yếu với bước sóng trong khoảng 0,25÷3 m Khoảng 40% năng lượng bức xạ là sóng ánh sáng nhìn thấy, trong đó khoảng 10% là tia cực tím và 50% là bức xạ hồng ngoại Cường

độ bức xạ mặt trời bên ngoài khí quyển trái đất bằng 1367 W/m2 Trên bề mặt trái đất nếu bầu trời trong, không có mây, bức xạ vào khoảng 1000 W/m2 Tiềm năng lý thuyết NLMT đến bề mặt trái đất (mặt đất và đại dương) vào khoảng 3,9.106EJ/năm [91] Đây quả là một con số cực lớn, nó hoàn toàn có thể đáp ứng đầy đủ tất

cả các nhu cầu tiêu thụ NL của con người

NLMT có thể được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực như:

- Sản xuất điện năng: dùng các tấm pin mặt trời (PV) để biến trực tiếp bức xạ nhiệt mặt trời thành điện năng hoặc dùng lò hơi sản xuất điện theo chu trình Rankine;

- Sản xuất nhiệt năng: dùng bộ thu NLMT để đun nóng chất lỏng (nước, các dung dịch chất lỏng); sưởi ấm, làm mát không gian phòng;

- Sấy khô, chưng cất, điện phân, …

Hình 1.1 Dự báo sử dụng NLMT cho một số ứng dụng đến năm 2050

(Nguồn: IEA)

Trong số các ứng dụng nhiệt của NLMT thì ứng dụng để đun nước nóng là đơn giản, hiệu quả và phổ biến nhất

1.2 Vai trò của việc nghiên cứu đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không của bộ thu năng lượng mặt trời

Hiện nay, có hai loại bộ thu NLMT được sử dụng rộng rãi là bộ thu kiểu tấm phẳng và bộ thu kiểu ống TTCK Với nhiều ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, hiệu suất nhiệt cao, làm việc ổn định, có khả năng mô-đun hóa, … các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK ngày càng được sử dụng phổ biến

Theo xu hướng chung, nhiều nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước đã thực hiện đối với bộ thu kiểu này nhằm nâng cao hiệu suất cũng như giảm chi phí đầu tư, lắp đặt Các nghiên cứu khá nhiều và chia thành nhiều hướng khác nhau nhưng quan trọng nhất chính là hướng nghiên cứu về đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt bên trong bộ thu NLMT bởi chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của các bộ thu và hiệu quả của toàn hệ thống sử dụng NLMT Trên thế giới, số lượng các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực trên là rất lớn nhưng chúng vẫn tồn tại các hạn chế và chưa thể giải quyết được nhiều vấn đề trong quá trình hoạt động của

bộ thu NLMT khi áp dụng vào điều kiện nước ta (sẽ nói kỹ hơn ở mục 1.3.2) Do

đó, nội dung nghiên cứu đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống TTCK của bộ thu NLMT mà luận án đặt ra là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn Trong thực tế, để nghiên cứu được quá trình truyền nhiệt từ đó xác định các thông số làm việc của bộ thu NLMT cần biết một thông số hoạt động rất quan trọng

là lượng BXMT đập tới bề mặt hấp thụ của bộ thu Hiện tại, các bộ thu kiểu ống TTCK được tính toán, thiết kế chủ yếu dựa trên phương pháp đã được xây dựng cho

bộ thu kiểu tấm phẳng bằng cách coi bề mặt hấp thụ của bộ thu chỉ đơn giản là mặt phẳng đi qua trục và bao tất cả các ống TTCK, bỏ qua khe hở giữa các ống cũng như độ cong của các bề mặt hấp thụ dạng trụ Việc quy đổi bề mặt hấp thụ gồm các ống trụ về một bề mặt “tấm phẳng tương đương” như vậy đang gây sai số không nhỏ trong kết quả tính toán Vì thế, trong luận án đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng

mô hình xác định lượng BXMT đập đến bề mặt hấp thụ của bộ thu kiểu ống TTCK Đây là thông số quan trọng trong tính toán, mô phỏng hoạt động của ống TTCK của các bộ thu NLMT

Nghiên cứu mô phỏng hệ thống giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống, làm giảm giá thành đầu tư xây dựng hệ thống [23] Đồng thời giúp tối ưu hóa chế độ vận hành, góp phần đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng Đây chính là

chìa khóa để giảm thiểu các đặc điểm hạn chế của hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời kết hợp với bơm nhiệt

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu ở trong nước

Ở nước ta, từ những năm 90 của thế kỷ 20 trở lại đây, đã có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu về NLMT và các ứng dụng của nó, đặc biệt là ứng dụng nhiệt Các nghiên cứu có thể chia thành 3 lĩnh vực lớn là: (1) nghiên cứu đánh giá tiềm năng và phân bố NLBXMT của Việt Nam; (2) nghiên cứu cải tiến, phát triển khoa học và công nghệ khai thác, sử dụng NLMT; và (3) nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống NLMT

1.3.1.1 Nghiên cứu đánh giá tiềm năng, phân bố bức xạ mặt trời

Theo hướng đánh giá tiềm năng, phân bố NLBXMT ở Việt Nam hiện chưa có nhiều nghiên cứu, cho đến gần đây mới thấy hai công bố khoa học Đầu tiên là công

bố của các tác giả Trần Quang Khánh và Nguyễn Văn Đường (2004) Trong nghiên cứu này [39], các tác giả đã đề xuất phương pháp đánh giá tiềm năng BXMT trên mặt phẳng bộ thu bằng việc áp dụng phương pháp Khí tượng học bề mặt và Năng lượng mặt trời (Surface meteorology and Solar Energy - SSE) dựa trên số liệu thống

kê cường độ BXMT và các thông số khí tượng do Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) thu thập bằng hệ thống vệ tinh NLBX trên mặt phẳng nghiêng được tính toán từ NLBX trên mặt phẳng ngang tại vị trí khảo sát và chỉ số độ trong của bầu trời Trên cơ sở áp dụng phương pháp SSE với sự trợ giúp của phần mềm MATLAB, các tác giả đã tính toán NLBX trên bề mặt bộ thu tấm phẳng đặt nghiêng góc 21,03o so với phương ngang và quay hướng chính nam tại địa điểm khảo sát là Trường Đại học Nông nghiệp I Kết quả tính toán thấy rằng phương pháp này có thể

dễ dàng áp dụng và đạt được độ chính xác cao

Nghiên cứu chuyên sâu về hướng này là công trình của tác giả Đỗ Trần Hải (2006), nghiên cứu sử dụng BXMT ở Việt Nam cho cấp nhiệt phục vụ sản xuất và tiêu dùng trong chiến lược khai thác năng lượng sạch bảo vệ môi trường [8] Ở đây, tác giả đã xác định hệ số đánh giá độ trong của khí quyển, xây dựng đường cong chuẩn phân bố BXMT, xây dựng phần mềm tính toán phân bố BXMT trên mặt phẳng ngang và xây dựng phương pháp xác định chuẩn hợp lý khai thác NLMT Đồng thời, tác giả cũng phân tích, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và mức giảm thiểu phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường khi sử dụng NLMT Kết quả nghiên

cứu của tác giả có thể giúp định hướng trong việc tính toán, thiết kế các hệ thống NLMT thuận lợi hơn

1.3.1.2 Nghiên cứu cải tiến, phát triển khoa học và công nghệ khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời

Hướng nghiên cứu này khá phong phú với nhiều công bố liên quan đến nhiều ứng dụng

- Nghiên cứu đề xuất sử dụng ống nhiệt tích hợp vào bộ thu:

Tác giả Bùi Hải (1996) nghiên cứu đề xuất việc dùng ống nhiệt tích hợp vào bộ thu NLMT và trong thùng tích nhiệt nước nóng [1]; Các tác giả Bùi Hải và Hoàng Ngọc Đồng (1998) đề xuất dùng ống nhiệt trọng trường để truyền tải nhiệt từ bộ thu tới thùng trữ nhiệt [3]; Các tác giả Hoàng Ngọc Đồng và Trần Văn Vang (2002) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đun nước nóng bằng NLMT với bình trữ nhiệt

có bộ trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt trọng trường [16]

- Nghiên cứu tính toán nhiệt cho bộ thu:

Tác giả Dương Đức Hồng (1996) tính nhiệt cho bộ thu NLMT kiểu hộp góp phẳng kèm lưu trữ nước [4]; Các tác giả Phan Quang Xưng, Nguyễn Bốn và Hoàng Dương Hùng (2001) tính toán bộ thu NLMT kiểu ống có mặt phản xạ parabol dạng trụ đặt cố định [37]; Tác giả Nguyễn Bốn và Hoàng Dương Hùng (2001) xây dựng hàm phân bố nhiệt độ trong bộ thu NLMT kiểu hộp phẳng mỏng [21]; Tác giả Nguyễn Bốn và Lê Quốc (2015) tính toán ắc quy nhiệt mặt trời thu trữ cấp nhiệt bằng dầu nóng [22]; Tác giả Nguyễn Nguyên An và các cộng sự (2014) mô phỏng

sự phân tầng nhiệt trong bình chứa của hệ thống sản xuất nước nóng bằng NLMT kiểu nước tuần hoàn tự nhiên trên nền phần mềm TRNSYS [27]; Tác giả Hoàng Dương Hùng và Phan Quang Xưng (1998) tính toán kích thước hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT [15]

- Nghiên cứu sử dụng NLMT cho máy lạnh hấp thụ:

Tác giả Nguyễn Quân (1996) đề xuất sử dụng bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng cố định có gương phản xạ để đun nước nóng dùng cho máy lạnh hấp thụ [28];Tác giả Đặng Trần Thọ và Đặng Thế Hùng (2012) nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải và NLMT [5]; Tác giả Đặng Trần Thọ và Hoàng Mai Hồng (2015) nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm máy lạnh hấp thụ NH3/H2O sử dụng NLMT và nhiệt thải trong điều kiện có rung lắc [6]; Tác giả Nguyễn Thanh Văn và Phan Quang Xưng (2002) giới thiệu một mẫu máy lạnh hấp thụ không dùng

bơm có khả năng ứng dụng vào thực tiễn [32]; Tác giả Phan Quang Xưng và Hoàng Dương Hùng (2002) giới thiệu một mẫu tổ hợp hệ thống sử dụng NLMT để cung cấp nước nóng và chạy máy lạnh hấp thụ [35]; Tác giả Phan Quang Xưng và Nguyễn Quốc Long (2010) nghiên cứu chế tạo mô hình máy lạnh sử dụng NLMT với cặp môi chất CaCl2 và NH3 [36]; Tác giả Lê Xuân Hòa (2001) đề xuất một sơ

đồ máy lạnh hấp thụ NH3/H2O không dùng bơm [19]; Tác giả Võ Kiến Quốc và Lê Chí Hiệp (2011) nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy lạnh hấp thụ gián đoạn NH3/H2O cấp nhiệt bằng collector mặt trời kiểu ống cánh trong điều kiện thời tiết thành phố Hồ Chí Minh [41];

- Nghiên cứu sử dụng NLMT cho mục đích sấy khô, chưng cất:

Tác giả Nguyễn Trọng Thụ và Trần Xuân Hưng (2002) giới thiệu về việc sử dụng thiết bị sấy nông hải sản bằng NLMT [33]; Tác giả Bùi Hải Triều và Trương Thị Toàn (2003) xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị kiểu tấm phẳng và quá trình sấy nông sản bằng NLMT [2]; Tác giả Hoàng Dương Hùng và Hoàng Minh Tuấn (2012) nghiên cứu thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT [14]; Tác giả Lê Chí Hiệp và

Võ Kiến Quốc (2015) nghiên cứu thực nghiệm các loại bộ thu NLMT cấp nhiệt cho

hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm trong điều kiện thời tiết thành phố Hồ Chí Minh [18]; Tác giả Trần Xuân An và các cộng sự (2015) nghiên cứu thực nghiệm bộ trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt ẩn hóa hơi để nâng cao sản lượng thiết

bị chưng cất nước NLMT carocell [40];

- Nghiên cứu bộ thu NLMT sản xuất nước nóng:

Tác giả Hà Đăng Trung (2002) nghiên cứu đánh giá hiệu quả của bộ thu NLMT kiểu hộp phẳng mỏng có cánh bên trong [9]; Tác giả Nguyễn Quân (1998) nghiên cứu xác định kích thước tối ưu của bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng cố định có gương phản xạ [30]; Đồng thời, tác giả Nguyễn Quân (1998) cũng đề xuất phương pháp thực nghiệm xác định các đặc tính bộ thu NLMT [29]; Tác giả Nguyễn Nguyên An (2013) xây dựng hệ thống cung cấp nước nóng gia dụng kết hợp bộ thu NLMT và bơm nhiệt [25]; Tác giả Phạm Lê Dần và Nguyễn Nguyên An (1998) đề xuất sử dụng cánh chớp làm lớp chắn BX chọn lọc bên trong bộ thu kiểu tấm phẳng [34]; Tác giả Ngô Thiên Tứ và các cộng sự (2014) đánh giá khả năng cấp nhiệt của bộ thu BXMT dạng máng parabol trong điều kiện thời tiết của thành phố Hồ Chí Minh [20];

Như vậy, theo hướng cải tiến, phát triển khoa học và công nghệ khai thác, sử

số các nghiên cứu này, các tác giả đã bước đầu tính toán nhiệt, đề xuất một số công nghệ khai thác NLMT, chế tạo và thử nghiệm các thiết bị hoặc hệ thống thiết bị sử dụng nhiệt mặt trời cho các ứng dụng nhiệt khác nhau như đun nước nóng, sấy nông sản, chưng cất nước, làm lạnh, điều hòa không khí Những nghiên cứu này đã góp phần đáng kể trong việc khuyến khích, cổ vũ sử dụng NLMT ở Việt Nam

1.3.1.3 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống nhiệt mặt trời

Tuy chưa nhiều nhưng cũng đã có một số tác giả nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống sử dụng nhiệt MT Theo hướng này, năm 2001 tác giả Nguyễn Quân [31] công bố Nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu NLMT kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ ứng dụng trong kỹ thuật lạnh Đây là một

trong những công trình khoa học lớn đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về ứng dụng nhiệt của NLMT Công trình này mang lại cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng nhiệt MT cho lĩnh vực làm lạnh bằng máy lạnh hấp

thụ Tiếp nối ngay sau đó, năm 2002, tác giả Hoàng Dương Hùng công bố Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của thiết bị thu NLMT cho mục đích cấp nhiệt và trong kỹ thuật lạnh, điều hòa không khí [13]

Tác giả Hoàng An Quốc và các cộng sự (2007) nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ống nhiệt mặt trời loại chân không trong điều kiện Việt Nam [11] Trong nghiên cứu này, dựa trên nguyên lý cấu tạo, làm việc của ống nhiệt MT chân không, các tác giả đã xây dựng các phương trình toán, triển khai các bản vẽ thiết kế, chế tạo thử nghiệm một bộ thu và tiến hành thí nghiệm Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất bộ thu trung bình có thể đạt tới 55%, nhiệt độ nước nóng có thể đạt 85 oC  90

oC ứng với CĐBXMT 800 W/m2 Nghiên cứu này bước đầu cho thấy khả năng chế tạo ống nhiệt MT chân không và có thể sử dụng NLMT cho máy lạnh hấp thụ trong

điều kiện Việt Nam Năm 2009, tác giả Hoàng An Quốc hoàn thành luận án Nghiên cứu nâng cao hiệu quả cấp nhiệt bằng ống nhiệt mặt trời cho máy lạnh hấp thụ

H 2 O/LiBr loại single effect ở Miền Nam Việt Nam [10] Trong công trình luận án của mình, tác giả Hoàng An Quốc đã chế tạo và làm thí nghiệm với 5 loại bộ thu kiểu ống nhiệt, từ đó đánh giá đặc tính của từng loại, và kết luận tính khả thi của bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng Nội dung và kết quả nghiên cứu này cũng đã được công bố trong bài báo của nhóm nghiên cứu năm 2009 [17] đánh giá khả năng cấp nhiệt của các collector mặt trời kiểu ống nhiệt Sau đó, năm 2010 tác giả Hoàng An Quốc và các cộng sự xây dựng phần mềm tính toán các thông số đặc trưng của bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt [12] Phần mềm được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình

MATLAB 7.0 để xác định hiệu suất và nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu Kết quả tính toán hiệu suất bằng phần mềm được so sánh với hiệu suất do Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc công bố và thấy có sự sai số nhỏ (35%) có thể do công nghệ chế tạo bộ thu

Gần đây, năm 2017 tác giả Tạ Văn Chương [38] đã hoàn thành luận án Nghiên cứu mô phỏng các quá trình nhiệt trong hệ thống sản xuất nước nóng dùng bộ thu NLMT kết hợp với bơm nhiệt Trong công trình này, tác giả đã nghiên cứu quá trình

lưu động của nước trong ống, quá trình tích nhiệt trong bình chứa nước nóng Kết quả nghiên cứu cho thấy với ống TTCK có đường kính 47/58 mm, lưu lượng nước tuần hoàn trong ống lớn nhất là 0,0145 kg/s, năng suất nhiệt hữu ích lớn nhất là 96,88 W Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy NLMT đáp ứng 83,7% tổng NL cần thiết để sản xuất nước nóng, tiêu thụ điện năng của hệ thống sản xuất nước nóng kết hợp chỉ bằng 5,7% so với hệ thống dùng điện trở nếu hệ thống được lắp đặt ở Nha Trang, Khánh Hòa Nếu hệ thống được lắp đặt ở Hà Nội, các con số trên tương ứng

là 66% và 13% Lượng giảm phát thải CO2 khi sản xuất 1 m3 nước nóng trong 1 năm của hệ thống NLMT kết hợp bơm nhiệt so với hệ thống dùng điện trở là 8,407 tấn/m3/năm Trong công trình này, khi nghiên cứu về bộ thu NLMT, mô phỏng lưu động của nước trong ống cũng như khi tính toán năng suất nhiệt hữu ích, tác giả chưa xem xét ảnh hưởng của sự che khuất giữa các ống cạnh nhau đến các thành phần bức xạ Diện tích nhận BXMT trên bề mặt ống hấp thụ của bộ thu chỉ tính đơn thuần bằng một nửa chu vi của ống

Nhận xét chung về các nghiên cứu ứng dụng nhiệt của NLMT ở trong nước:

Trong những năm qua, ở Việt Nam đã có một số nhà khoa học quan tâm nghiên cứu về NLMT và các ứng dụng của nó, đặc biệt là ứng dụng nhiệt Các nghiên cứu này cho thấy tiềm năng khai thác, sử dụng NLMT ở nước ta là rất lớn và cần được nhân rộng trong tương lai Một số nghiên cứu đã đi sâu tính toán, thiết kế chế tạo các mẫu bộ thu NLMT mới, cũng như phân tích, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống thiết bị nhiệt MT Tuy số lượng nghiên cứu là không ít nhưng việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn khá hạn chế, chưa giải quyết được các vấn đề thường gặp trong việc ứng dụng NLMT để cấp nhiệt nói chung và đun nước nóng nói riêng Hơn nữa, trong số các nghiên cứu này, quá trình truyền nhiệt của tia BX khi đập tới bề mặt hấp thụ của bộ thu, truyền cho nước trong ống, cũng như quá trình thoát nhiệt từ bộ thu ra môi trường chưa được quan tâm nghiên cứu Đặc biệt là với kiểu bộ thu NLMT dùng ống TTCK là loại được thương mại

trình truyền nhiệt trong ống Vì vậy, nghiên cứu làm rõ quá trình truyền nhiệt trong ống TTCK để tìm ra các đặc tính làm việc của bộ thu là hướng nghiên cứu mới và cần thiết ở Việt Nam

1.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Ở nước ngoài, trong mấy chục năm gần đây đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực NLMT, trong đó riêng về ứng dụng nhiệt MT để đun nóng chất lỏng

đã có khá nhiều nghiên cứu chuyên sâu Các nghiên cứu về lĩnh vực này có thể chia thành 3 hướng chính là: nghiên cứu về vật liệu chế tạo bộ thu; nghiên cứu về cấu trúc, kết cấu bộ thu; nghiên cứu về các quá trình truyền nhiệt và đặc tính làm việc của bộ thu Trong các hướng nghiên cứu này thì nghiên cứu về các quá trình truyền nhiệt và đặc tính làm việc của bộ thu là khó khăn nhất bởi quá trình truyền nhiệt trong bộ thu cũng như đặc tính làm việc của nó rất phức tạp, phụ thuộc nhiều thông

số hoạt động Tuy phức tạp nhưng hướng nghiên cứu này lại được đầu tư nghiên cứu nhiều nhất bởi quá trình truyền nhiệt có ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả làm việc của bộ thu cũng như toàn bộ hệ thống sử dụng NLMT Hai loại bộ thu NLMT được sử dụng phổ biến hiện nay là bộ thu kiểu tấm phẳng và kiểu ống TTCK Trong phạm vi luận án này, chỉ xem xét phân tích, đánh giá các nghiên cứu có liên quan đến bộ thu kiểu ống TTCK Bộ thu kiểu này có nhiều ưu điểm nổi bật như hiệu suất cao, dễ dàng lắp đặt, bảo dưỡng, sửa chữa thay thế do được mô đun hóa đến từng ống, đồng thời lại có thể làm việc trong nhiều điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mưa đá, băng tuyết, trong khi giá thành hợp lý và thời gian thu hồi vốn ngắn [61,

80, 81, 82, 99, 128, 134, 135, 136, 153] Các bộ thu này được cấu thành từ các ống thủy tinh Borosilicate gồm 2 vỏ đồng trục, khoảng không gian giữa 2 vỏ được hút chân không để hạn chế tối đa tổn thất nhiệt do đối lưu và dẫn nhiệt ra ngoài Bộ thu ống TTCK đã cho thấy có hiệu suất nhiệt cao hơn bộ thu tấm phẳng, đặc biệt khi làm việc với độ chênh nhiệt độ đơn vị (là tỉ số giữa hiệu nhiệt độ nước trong bộ thu với nhiệt độ môi trường và cường độ bức xạ mặt trời) lớn, nên chúng được sử dụng ngày càng nhiều ở Trung Quốc và nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam Ống TTCK có thể đun nước nóng trực tiếp (kiểu nước trong ống) hoặc gián tiếp (đun nóng chất lỏng rồi chất lỏng sẽ nhả nhiệt cho nước trong ống góp hoặc trong thiết bị trao đổi nhiệt) Các biến thể khác nhau của bộ thu ống TTCK là kiểu dùng ống đồng chữ U hoặc kiểu dùng ống nhiệt đặt trong ống TTCK Tuy có kết cấu khác nhau, nhưng quá trình truyền nhiệt của tia BXMT từ không gian bên ngoài đập đến

bề mặt hấp thụ của ống và quá trình tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ ra bên ngoài thì tương tự nhau

1.3.2.1 Nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu dùng ống chữ U

Khi cần đun nước hoặc chất lỏng ở áp suất cao, người ta thường sử dụng ống chữ U bằng nhôm hoặc đồng đặt trong ống TTCK Cấu tạo của ống bộ thu được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc bộ thu kiểu ống TTCK dùng ống chữ U

Năm 2008, X.R Zhang và H Yamaguchi nghiên cứu thực nghiệm các đặc tính

bộ thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng CO2 làm môi chất làm việc [147] Bộ thu cấu tạo từ các ống TTCK có đường kính ống bao ngoài 38 mm, đường kính ống hấp thụ bên trong 27 mm CO2 chuyển động trong ống kim loại chữ U gắn cánh nhôm đặt trong ống TTCK với áp suất làm việc cực đại có thể đạt tới 12 MPa, nhiệt độ cực đại 250 oC Kết quả đo thực nghiệm cho thấy nhiệt độ, áp suất và lưu lượng CO2 đều tăng khi BXMT tăng Khi CĐBX thay đổi làm trạng thái của CO2 thay đổi theo, trở thành lỏng, rồi lỏng - khí, hoặc siêu tới hạn Hiệu suất trung bình năm của

bộ thu được xác định là trên 60%, cao hơn so với bộ thu dùng nước

Zbysław Pluta (2011) phân tích, so sánh các yếu tố kinh tế, kỹ thuật giữa bộ thu tấm phẳng truyền thống và bộ thu kiểu ống TTCK sử dụng ống chữ U [153] thông qua thực nghiệm trên hai loại bộ thu Mặc dù tác giả có xu hướng bênh vực bộ thu tấm phẳng, song vẫn phải thừa nhận nhiều ưu điểm của bộ thu ống TTCK như hệ số tổn thất nhiệt nhỏ hơn, lượng nhiệt hữu ích thu được hàng năm nhiều hơn

Ruobing Liang và các cộng sự (2012) nghiên cứu thực nghiệm với bộ thu dùng ống chữ U đặt trong ống TTCK và được điền đầy bằng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao ép chặt bên trong ống [123]

Hình 1.3 Cấu trúc bộ thu của Ruobing Liang và các cộng sự

Kết quả thực nghiệm với bộ thu dùng ống chữ U được ép chặt bằng vật liệu truyền nhiệt so với bộ thu gắn cánh bằng đồng, thấy rằng: (1) độ chênh nhiệt độ chất lỏng vào và ra của ống chữ U điền đầy cao hơn so với ống chữ U gắn cánh bằng đồng khi ở cùng điều kiện; (2) công suất nhiệt của ống điền đầy cao hơn ống gắn cánh đồng 22% ở CĐBX 800 W/m2 và lưu lượng dòng 0,005 l/s; (3) hiệu suất nhiệt của ống điền đầy cao hơn 12% so với ống gắn cánh đồng

Y Gao và các cộng sự (2014) đề xuất, xây dựng và giải mô hình toán dự báo hiệu suất bộ thu kiểu ống TTCK dùng ống chữ U [148] Mô hình lý thuyết được xây dựng trên cơ sở các phương trình cân bằng nhiệt và truyền nhiệt (trên ống bao, ống hâp thụ, cánh nhôm, ống đồng, chất lỏng trong ống) Sau đó đánh giá mô hình bằng thực nghiệm và cho thấy có sự phù hợp cao Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) hiệu suất bộ thu không tăng khi tăng chiều dài ống, chiều dài ống quá lớn hoặc quá nhỏ đều không hiệu quả (2) thiết kế tối ưu lưu lượng dòng là cần thiết để tăng hiệu suất nhiệt và giá trị tối ưu phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thời tiết địa phương (3) ảnh hưởng tiêu cực của hệ số tổn thất nhiệt đến hiệu suất bộ thu (4) hệ số hấp thụ thay đổi trong khoảng 0,85  0,94 không ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất như sự thay đổi

của hệ số tổn thất nhiệt từ 0,8  2,4 W/(m2.K) Ảnh hưởng của hệ số hấp thụ không khác nhau nhiều dưới các điều kiện thời tiết khác nhau

Ahmed Aboulmagd và các cộng sự (2014) xây dựng mô hình phi tuyến cho bộ thu NLMT dùng ống chữ U đặt trong ống TTCK có và không có tấm phản xạ đặt phía dưới [50] Trong mô hình, sự thay đổi các thông số quan trọng được xem xét đến theo chu vi ống, chiều dọc ống và theo hướng bán kính Mô hình được xây dựng và giải trong môi trường MATLAB cho kết quả phù hợp với thực nghiệm Đối với bộ thu có tấm phản xạ tập trung, hiệu suất toàn phần cao hơn 0,6 thậm chí ở cả

độ chênh nhiệt độ đơn vị khá cao là 0,06 m2.K/W

R.K Mishra, Vihang Garg, G.N Tiwari (2015) nghiên cứu thực nghiệm với bộ thu tích hợp các ống đồng chữ U đặt trong ống TTCK, làm việc với 4 kiểu thời tiết khác nhau ở các vùng của Ấn Độ [119] Bộ thu gồm các ống đồng uốn thành hình chữ U đặt trong ống TTCK có đường kính ngoài 50 mm, dài 1,25 m

Hình 1.4 Bộ thu dùng ống chữ U kết nối liên tiếp của R.K Mishra và các cộng sự

Kết quả thực nghiệm cho thấy ở lưu lượng cố định 0,002 kg/s khi tăng số lượng ống bộ thu từ 2 lên 6 thì nhiệt độ nước ra cực đại tăng từ 53,91 oC lên 129,23 oC, lượng nhiệt hữu ích thu được hàng ngày tăng từ 3,29 kW.h lên 6,34 kW.h, nhưng hiệu suất tức thời giảm từ 53,5% xuống 34,4% Khi tăng số lượng ống từ 2 lên 12 thì độ chênh nhiệt độ nước vào ra tăng từ 55,52 oC lên 133,29 oC, sau đó ít thay đổi Xianhua Nie, Li Zhao, Shuai Deng, Xueyin Lin (2017) [143] nghiên cứu thực nghiệm bộ thu gồm 16 ống chân không, mỗi ống có ống đồng đường kính 10 mm uốn hình chữ U gắn vào cánh đường kính 41 mm, đặt trong ống TTCK đường kính trong/ngoài 47/58 mm, dài 1800 mm, như hình 1.5

Hình 1.5 Cấu trúc bộ thu của Xianhua Nie và các cộng sự

Các tác giả nghiên cứu thực nghiệm với nguồn BX nhân tạo có cường độ 375 W/m2, 435 W/m2, 535 W/m2, 675 W/m2, 735 W/m2, và lưu lượng dòng 0,02 kg/s, 0,04 kg/s, 0,06 kg/s, 0,08 kg/s, 0,1 kg/s trong sơ đồ kết nối với máy lạnh như hình 1.6:

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm của Xianhua Nie và các cộng sự

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy hiệu suất nhiệt của bộ thu cao hơn khi

độ chênh nhiệt độ đơn vị âm (nhiệt độ chất lỏng vào bộ thu nhỏ hơn nhiệt độ môi trường), hiệu suất đồng biến với lưu lượng dòng và CĐBX, nghịch biến với nhiệt độ nước vào Nghiên cứu này cũng định hướng cho việc sử dụng bộ thu ống chữ U trong việc hỗ trợ hệ thống bơm nhiệt sưởi ấm

Các bộ thu kiểu ống TTCK sử dụng ống chữ U có ưu điểm là có thể tăng áp suất của chất lỏng cần đun nóng đến giá trị rất cao [147] nhưng cấu tạo khá phức tạp, giá thành cao Mặt khác, tuổi thọ của cánh nhôm cũng như chất lượng tiếp xúc giữa ống đồng và cánh nhôm cũng là những vấn đề cần quan tâm với bộ thu kiểu này vì nó có thể suy giảm theo thời gian, làm hiệu suất bộ thu giảm dần

1.3.2.2 Nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu sử dụng ống nhiệt

Jong Soo Kim và các cộng sự (2012) nghiên cứu thực nghiệm bộ thu NLMT sử dụng ống nhiệt trọng trường [93]

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý bộ thu dùng ống nhiệt trọng trường

Các tác giả nghiên cứu đồng thời để so sánh hai kiểu bộ thu: loại dùng ống nhiệt chữ U đơn (1 ống nhiệt chữ U trong ống TTCK) và loại dùng ống nhiệt chữ U kép (2 ống nhiệt chữ U trong ống TTCK) Kết quả đo đạc thực nghiệm với 2 chế độ lưu lượng dòng nước 1 kg/phút và 2 kg/phút cho thấy nhiệt độ nước ra, công suất nhiệt

và hiệu suất nhiệt của bộ thu dùng ống nhiệt chữ U đơn đều cao hơn so với bộ thu dùng ống nhiệt chữ U kép

Daniele Fiaschi và Giampaolo Manfrida (2012) thiết lập mô hình dự báo đường cong hiệu suất bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt dùng ống TTCK [59] bằng việc đánh giá bức xạ hấp thụ thực tế trên bề mặt ống trụ có kể đến che khuất và phân tích cân bằng năng lượng trên bề mặt hấp thụ của bộ thu, giữa phần bức xạ được bộ thu hấp thụ và phần năng lượng tổn thất ra môi trường Ống nhiệt chính là ống TTCK bịt kín cả hai đầu, phía đầu ngưng tụ chỉ dùng một lớp thủy tinh, bên trong ống dùng môi chất là ethanol Mô hình khẳng định bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt TTCK có thể

(nhiệt độ khoảng 50  70 oC) Bộ thu kiểu ống nhiệt ống TTCK phù hợp với các ứng dụng NLMT làm việc ở nhiệt độ 120  140 oC

L.M Ayompe và A Duffy (2013) phân tích hiệu suất nhiệt của hệ thống đun nước nóng dùng bộ thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng ống nhiệt và dùng thiết bị trao đổi nhiệt đặt trong bình chứa nước nóng Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thu thập

từ thực địa lắp đặt hệ thống với thời gian trên 1 năm ở Dublin, Ireland [99] Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ chất lỏng ra lớn nhất là 70,3 oC trong khi nhiệt độ nước ở đáy bình chứa nước nóng là 59.5 oC Hiệu suất bộ thu là 63,2% và hiệu suất

hệ thống là 52%

Hình 1.8 Cấu tạo bộ thu sử dụng trong nghiên cứu của L M Ayompe và A Duffy

Các tác giả sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) kết hợp với điện trở đun nóng bổ sung đặt trong bình chứa trung gian để khống chế nhiệt độ nước nóng lấy

ra sử dụng Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ chất lỏng đầu ra bộ thu cực đại

là 70,3 oC trong khi nhiệt độ nước ở đáy bình chứa là 59,5 oC Năng lượng trung bình thu được hàng ngày trong cả năm là 20,4 MJ/ngày, NL cung cấp bởi TBTĐN

là 16,8 MJ/ngày, tổn thất 3,6 MJ/ngày, hệ số mặt trời là 33,8%, hiệu suất bộ thu là 63,2% và hiệu quả của hệ thống là 52,0% Kết quả nghiên cứu khẳng định bộ thu NLMT dùng ống TTCK sử dụng ống nhiệt có hiệu quả cao hơn bộ thu NLMT kiểu tấm phẳng

Hongfei Zheng và các cộng sự (2013) nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc tính

BX bề mặt phía sau tấm hấp thụ đến hiệu suất bộ thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng ống nhiệt [75] Thực nghiệm ở trạng thái ổn định được thực hiện để đo tổn thất nhiệt của bộ thu với các giá trị phát xạ khác nhau của bề mặt hấp thụ phía sau Kết quả cho thấy tổn thất nhiệt tăng khi hệ số phát xạ của bề mặt tăng nhưng ở các nhiệt độ làm việc khác nhau thì tỉ lệ tăng có sự khác nhau Khi hệ số phát xạ tăng từ 0,03 đến 0,12 thì tổn thất nhiệt của bộ thu chỉ tăng 31% nếu nhiệt độ làm việc dưới

100 oC, nhưng sẽ tăng 96% khi nhiêt độ làm việc trên 200 oC Điều này cho thấy hệ

số phát xạ của bề mặt hấp thụ phía sau có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất bộ thu ở nhiệt độ cao, nhưng ít ảnh hưởng ở nhiệt độ thấp Dựa trên phát hiện này, các tác giả khuyến cáo ở những vùng vĩ độ cao nên tăng độ nhám bề mặt phía sau của tấm hấp thụ để tránh hiện tượng quá nhiệt vào mùa hè

Wisut Chamsa-ard và các cộng sự (2014) nghiên cứu thiết kế, chế tạo và kiểm tra hiệu suất nhiệt của bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt ống TTCK kết hợp với gương phản xạ parabol tập trung [140] Kết quả kiểm tra theo ISO 9806-1 cho thấy hiệu suất nhiệt bằng 78% Hệ số tổn thất nhiệt a1, a2 tương ứng là 3,55 và 0,06 W/(m2.K)

Mô hình toán được xây dựng để xác định NL sản xuất dựa trên dữ liệu BXMT và nhiệt độ môi trường của tỉnh Phitsanulok, Thái Lan Năng lượng hữu ích thu được trung bình hàng tháng của bộ thu trong năm là 286,16 kW.h hoặc bằng 3433,87 kW.h/năm

Y Tong và các cộng sự (2015) nghiên cứu hiệu suất nhiệt của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng ống nhiệt với góc nghiêng tối ưu dưới các điều kiện hoạt động khác nhau [152] Bằng việc phân tích cân bằng NL, các tác giả đánh giá hiệu suất nhiệt của 1 ống riêng rẽ trong bộ thu So sánh các kết quả mô phỏng và thực nghiệm dưới các điều kiện vận hành khác nhau như sự thay đổi nhiệt độ môi trường

và điều kiện thời tiết cho thấy có sự sai lệch vào khoảng 0  6% Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất đo thực nghiệm nằm trong khoảng 40  60%, thấp hơn so với dự báo bằng mô hình khoảng 2,5% Hiệu suất thay đổi nhanh chóng ở các điều kiện nhiệt độ môi trường và cường độ BX thấp, trong khi khá ổn định ở điều kiện

BX cao Góc nghiêng thay đổi làm thay đổi lượng BX hấp thụ và dẫn tới làm thay đổi nhiệt độ nước ra và hiệu suất bộ thu Đối với Hàn Quốc, góc nghiêng tối ưu trong ba tháng mùa đông sai khác so với góc nghiêng tối ưu cả năm vào khoảng 24o Đây là sự sai khác lớn đối với việc sử dụng NLMT Mùa đông ở đây rất lạnh, nhu cầu sử dụng nhiệt nhiều nên góc nghiêng tối ưu vào mùa đông cần được coi trọng

hơn Đối với các nước ở gần xích đạo, mùa đông ấm áp hoặc không quá lạnh thì góc nghiêng tối ưu cho cả năm nên được quan tâm

Hong-Jin Joo và Hee-Youl Kwak (2017) phân tích thực nghiệm hiệu suất nhiệt

và các đặc tính làm việc của nhiều loại môi chất khác nhau trong ống nhiệt của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng ống nhiệt [76] Các môi chất là nước, ethanol, flutec-pp9 và methyl acetate được sử dụng trong các chế độ làm việc giống nhau ở các góc nghiêng 20o, 40o, 60o và lưu lượng dòng trong ống góp 0,3 kg/phút Các đo đạc thực nghiệm được thực hiện với BXMT nhân tạo trong phòng thí nghiệm để xác định các tổ hợp FR() và FRUL

Các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng ống nhiệt có ưu điểm nổi bật là hiệu suất nhiệt cao, nhưng giá thành thường khá đắt nên thời gian thu hồi vốn không ngắn [135] Đồng thời, do diện tích bề mặt nhả nhiệt ở phần ngưng thường nhỏ nên mật độ dòng nhiệt lớn, khi chất lượng nước không tốt thì sẽ có hiện tượng bám cáu cặn trên bề mặt này làm cho hệ số truyền nhiệt cũng như hiệu suất của ống giảm đi nhanh chóng Đây là những nhược điểm rất lớn của bộ thu kiểu này

1.3.2.3 Nghiên cứu truyền nhiệt và đặc tính bộ thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt

Các bộ thu NLMT có thể đun nóng chất lỏng trực tiếp trong ống TTCK Để tăng cường khả năng hấp thụ BXMT, người ta pha vào trong nước các hạt vật chất ở dạng nano như nano bạc, nano đồng, Nước có lẫn các hạt nano (còn gọi là chất lỏng nano) sau đó được đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt để nhả nhiệt cho nước cần được đun nóng

M Akbari, A Behzadmehr, F Shahraki (2008) nghiên cứu mô phỏng với chất lỏng truyền nhiệt nano Al2O3 [104] Kết quả, hệ số truyền nhiệt tăng 15% ở 4% nồng độ Al2O3 và hệ số truyền nhiệt đạt cực đại ở góc nghiêng 45o Ảnh hưởng của góc nghiêng và sự tập trung các phần tử nano đến các thông số nhiệt và thủy động được thực hiện Các phần tử nano không có ảnh hưởng tới thông số thủy động

M Shahi, A.H Mahmoudi, F Talebi (2010) nghiên cứu mô phỏng dòng đối lưu

tự nhiên ổn định 3 chiều trong ống TTCK được đốt nóng không đều, dùng nano đồng (100 nm) - nước làm chất lỏng truyền nhiệt [110] Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lỏng nano có ảnh hưởng đến đối lưu tự nhiên trong ống bộ thu Lưu lượng dòng tăng 40% khi góc nghiêng trong khoảng 15  35o và chỉ tăng 5% khi góc nghiêng thay đổi từ 55o  75o

L Lu, Z-H Liu, H-S Xiao (2011) nghiên cứu thực nghiệm với bộ thu dùng chất lỏng làm việc là nano oxit đồng 50 nm Hệ số truyền nhiệt tăng 30% so với trường hợp dùng nước đơn thuần [98]

M Mahendran, C Lee, K Sharma, A Shahrani, R Bakar (2012) nghiên cứu thực nghiệm với bộ thu ống TTCK sử dụng TiO2 30-50 nm làm chất lỏng truyền nhiệt Hiệu suất bộ thu dự báo sử dụng chất lỏng nano TiO2 nồng độ 0,3% vào khoảng 73% trong khi với nước là khoảng 58% [106]

Z-H Liu, R-L Hu, L Lu, F Zhao, H-S Xiao (2013) nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu suất nhiệt của bộ thu ống TTCK dùng chất lỏng nano oxit đồng 50

nm Kết quả thấy rằng hiệu suất nhiệt cao hơn loại sử dụng nước đơn thuần [156] Hai kiểu bộ thu tích hợp với siphon nhiệt cũng được so sánh với kiểu tích hợp với ống thông thường

M Mahendran, T Z S Ali, A Shahrani, R Bakar (2014) nghiên cứu thực nghiệm với bộ thu ống TTCK sử dụng TiO2 20-30 nm làm chất lỏng truyền nhiệt [107] Nghiên cứu thực nghiệm của các tác giả được thực hiện với các nồng độ khác nhau từ 1-3% Kết quả cho thấy hiệu suất tăng 42% với việc sử dụng nồng độ chất lỏng nano 2%

H A Hussain, Q Jawad, K F Sultan (2015) nghiên cứu hiệu suất bộ thu NLMT kiểu ống TTCK trong hai trường hợp: sử dụng dung dịch Ag (30 nm) + nước cất và sử dụng dung dịch ZrO2 (50 nm) + nước cất làm chất lỏng truyền nhiệt [73] Với hệ số dẫn nhiệt cao của chất lỏng làm việc, hiệu suất bộ thu được cải thiện so với nước tinh khiết Các tác giả nghiên cứu thực nghiệm với 4 tỉ lệ thể tích các phần

tử nano (0%, 1%, 3% và 5%) Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) Với tỉ lệ thể tích 1%

và 5%, lưu lượng 30 lít/giờ/m2 và 90 lít/giờ/m2, chất lỏng nano bạc + nước cất có các giá trị đặc tính nhiệt FR(), FRUL tương ứng là 0,488, 1,168 W/(m2.K) và 0,593, 1,252 W/(m2.K), trong khi đó, chất lỏng nano oxit ziconi + nước cất là 0,437, 1,025 W/(m2.K) và 0,480, 1,140 W/(m2.K), còn đối với nước cất là 0,413, 0,973 W/(m2.K) và 0,442, 1,011 W/(m2.K) (2) Sử dụng chất lỏng nano (Ag (30nm) và ZrO2 (50 nm) làm chất lỏng làm việc có thể cải thiện hiệu suất nhiệt của bộ thu ống TTCK so với nước, đặc biệt ở nhiệt độ vào lớn (3) Hiệu suất bộ thu dùng Ag (30 nm) lớn hơn dùng ZrO2 (50 nm) vì kích thước các hạt nano bạc nhỏ hơn và bạc dẫn nhiệt tốt hơn

M Sabiha, R Saidur, S Hassani, Z Said, S Mekhilef (2015) nghiên cứu nâng

SWCNT làm chất lỏng truyền nhiệt [109] Nghiên cứu thực nghiệm với 3 lưu lượng dòng ứng với nồng độ thể tích 0,05, 0,1 và 0,2% cho thấy hiệu suất cực đại thu được 93,43% ở nồng độ 0,2% và lưu lượng dòng 0,025 kg/s

Javad Ghaderian, Nor Azwadi Che Sidik (2017) nghiên cứu thực nghiệm hệ thống bộ thu NLMT ống TTCK tuần hoàn tự nhiên với bình chứa nằm ngang có thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn ruột gà, sử dụng Al2O3 nano (40 nm) và nước cất làm chất lỏng truyền nhiệt [87] Làm thực nghiệm với các nồng độ 0,03% và 0,06%, lưu lượng dòng trong dàn ống xoắn thay đổi từ 20 đến 60 l/h Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tăng khi tăng nồng độ thể tích Al2O3 và tăng lưu lượng dòng trong ống xoắn Hiệu suất cực đại đạt được là 57,63% ứng với nồng độ 0,06% và lưu lượng 60 l/h

Piotr Felinski, Robert Sekret (2017) phân tích ảnh hưởng của chất lỏng chuyển pha (PCM có điểm nóng chảy 58oC) đến các đặc tính làm việc của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK [118] Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng vật liệu chuyển pha cho bộ thu ống TTCK trong các thiết bị đun nước nóng

Suying Yan, Feng Wang, ZhiGuo Shi, Rui Tian (2017) kiểm tra khả năng truyền

và dẫn nhiệt bằng mô phỏng và thực nghiệm chất lỏng nano SiO2/nước với tỉ lệ khối lượng 1%, 3% và 5% [133] Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng dẫn nhiệt tăng cùng với việc tăng tỉ lệ khối lượng và nhiệt độ chất lỏng nano

M.A Sharafeldin, Gyula Grof (2018) nghiên cứu sử dụng oxit xeri CeO2 đường kính trung bình 25 nm trộn với nước theo tỉ lệ 0,015%, 0,025%, 0,035% làm chất lỏng nano truyền nhiệt trong bộ thu NLMT [103] Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy việc tăng tỉ lệ khôi lượng CeO2 làm tăng nhiệt độ ra khỏi bộ thu, tăng cường truyền nhiệt tới chất lỏng và tăng đặc tính quang - nhiệt của bộ thu, nhưng cũng tăng hệ số tổn thất nhiệt Vì thế hiệu suất tốt nhất là ứng với tỉ lệ 0,025% cho tất cả các lưu lượng dòng nghiên cứu

Mặc dù có nhiều nghiên cứu đã nói ở trên cho thấy hiệu suất của bộ thu dùng chất lỏng nano cao hơn so với bộ thu kiểu nước trong ống, nhưng rõ ràng khi dùng chất lỏng nano thì giá thành đầu tư hệ thống phải cao hơn rất nhiều do chất lỏng này đắt tiền, khó kiếm và phải dùng thêm thiết bị trao đổi nhiệt Mặt khác cũng do phải

sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt nên làm cho hiệu quả chung của hệ thống giảm đi vì hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt thường không lớn Thêm nữa, khi dùng thiết bị trao đổi nhiệt thì nhiệt độ nước nóng đầu ra sẽ bị hạn chế Chính vì thế, cho đến hiện tại bộ thu NLMT kiểu ống TTCK với nước trong ống vẫn đang và sẽ được sử

dụng rộng rãi [68, 69, 80] Các nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt và đặc tính bộ thu này cũng vì thế mà nhận được nhiều sự quan tâm

1.3.2.4 Nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu kiểu nước trong ống thủy tinh chân không

L.J Shah và S Furbo (2004) nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm một mẫu bộ thu kiểu ống TTCK có đường kính ngoài ống bao 47 mm, đường kính ngoài ống hấp thụ 37 mm, dài 1600 mm đặt thẳng đứng, cắm vào hai hộp góp phía trên và phía dưới với chiều dài phần ống nhận BX 1470 mm [97]

Hình 1.9 Bộ thu của L.J Shah và S Furbo

Các tác giả đã xây dựng một mô hình xác định các dòng nhiệt hữu ích (ứng với

3 thành phần BX) và dòng nhiệt tổn thất của bộ thu có kể đến sự che khuất giữa các ống cạnh nhau như sau:

Dòng nhiệt tổn thất từ bộ thu:

L i

a L

i a

L a L

TTULr2

dTTUrLd

TTUAQ

f

f f

FLr2

dGFK'

FA

'FLr2

dGFK

'FAQ

g c gr

, e i

gr g c gr , e a

gr

(1.4)

Dòng nhiệt hữu ích từ thành phần trực xạ:

( ) ( )        

2 1

dRKrLG'

F

dRGK'

FAQ

b i

b e

b b e

b b

Trong các công thức trên L là chiều dài ống, ri là bán kính ống hấp thụ, Ta là nhiệt độ môi trường , T là nhiệt độ trung bình của chất lỏng, UL là hệ số tổn thất fnhiệt toàn phần của bộ thu, F’ là hệ số hiệu suất bộ thu, Fc-s là hệ số góc bức xạ giữa

bộ thu và bầu trời, Fc-g là hệ số góc bức xạ giữa bộ thu và mặt đất, Gb là cường độ bức xạ tới (trực xạ), Gd là cường độ tán xạ, Ggr là cường độ phản xạ mặt đất, Rb là

hệ số chuyển đổi trực xạ, ()e là tích số truyền - hấp thụ hiệu quả,  là hệ số phản

xạ mặt đất, K là hệ số thay đổi góc tới của tia trực xạ, K,d là hệ số thay đổi góc tới của thành phần tán xạ, K,gr là hệ số thay đổi góc tới của thành phần phản xạ mặt đất, Aa và Ab tương ứng là diện tích hấp thụ và diện tích hấp thụ chắn tia trực xạ (ứng với một phân tố d), 1 và 2 là góc bắt đầu và góc kết thúc của chùm tia trực

xạ (được biểu diễn cụ thể trên hình 2.6)

Vấn đề mấu chốt trong mô hình này là xác định diện tích nhận trực xạ, tức là phải xác định các góc bắt đầu và kết thúc của chùm tia trực xạ (1, 2) Để xác định các góc này các tác giả đã xem xét 36 trường hợp khác nhau Mô hình lý thuyết này được xây dựng và kiểm chứng cho bộ thu gồm các ống TTCK đặt thẳng đứng, thông suốt hai đầu, chưa được kiểm chứng cho bộ thu đặt nghiêng dùng ống TTCK

có một đầu bịt kín

G.L Morrison, I Budihardjo, M Behnia (2004) nghiên cứu đánh giá một số phương pháp lấy nhiệt từ ống TTCK và phương pháp dùng nước trong ống TTCK được cho là hiệu quả nhất vì tính đơn giản và chi phí chế tạo thấp của nó [68] Các tác giả sử dụng tiêu chuẩn quốc tế ISO 9459-2 để kiểm tra hiệu quả của thiết bị đun nước bằng NLMT Hệ thống thực nghiệm sử dụng ống TTCK có đường kính ngoài