Chế tạo mô hình thu nước từ không khí ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện, sử dụng nguồn trực tiếp từ pin mặt trời

Đỗ Ngọc Phụng 15147116 Hội đồng 1 Tên đề tài: Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước trong không khí, sử dụng nguồn điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời.. Đỗ Ngọc Phụng 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt

TÊN ĐỀ TÀI:

CHẾ TẠO MÔ HÌNH THU NƯỚC TỪ KHÔNG KHÍ ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN, SỬ DỤNG

NGUỒN TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI

DANH SÁCH SINH VIÊN THỰC HIỆN VÀ MÃ SỐ SINH VIÊN:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt

TÊN ĐỀ TÀI:

CHẾ TẠO MÔ HÌNH THU NƯỚC TỪ KHÔNG KHÍ ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN, SỬ DỤNG

NGUỒN TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI

DANH SÁCH SINH VIÊN THỰC HIỆN VÀ MÃ SỐ SINH VIÊN:

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt Mã ngành: 52510206

Hệ đào tạo: Chính quy

(1) Tính toán và Thực hiện xây dựng mô hình thực tế hệ thống thu hồi nước sử dụng

bộ làm mát nhiệt điện (tế bào nhiệt điện Peltier)

(2) Trình bày các đặc tính, thông số trạng thái và hiệu suất của toàn hệ thống

(3) Đánh giá tổng quan hiệu suất của hệ thống để từ đó điều chỉnh phù hợp và mang lạihiệu quả kinh tế cao, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí

3 Sản phẩm của đề tài

- Mô hình thực tế

- Báo cáo đồ án tốt nghiệp

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 22/03/2019

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/07/2019

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên SV: 1 Trần Công Danh MSSV: 15147073 Hội đồng: Hội đồng 1

2 Phan Thanh Huy 15147091 Hội đồng 1

3 Đỗ Ngọc Phụng 15147116 Hội đồng 1

Tên đề tài: Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước trong không khí,

sử dụng nguồn điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời.

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt

Họ và tên giang viên hướng dẫn: TS Lê Minh Nhựt

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của đồ án tốt nghiệp (không đánh máy)

2.1 Kết cấu, cách thức trình bày đồ án tốt nghiệp

2.2 Nội dung đồ án (cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3 Kết quả đạt được

2.4 Những tồn tại, nội dung cần chỉnh sửa

3 Đánh giá

ST

1

Hình thức và kết cấu đồ án tốt nghiệp 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10

Tính cấp thiết của đề tài 10

2

Nội dung đồ án tốt nghiệp 50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa

học và kỹ thuật khoa học, khoa học xã hội… 5

Khả năng thực hiện/ phân tích/ tổng hợp/ đánh

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành

phần, hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra

với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng cải tiến và phát triển 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4 Sản phẩm cụ thể của đồ án tốt nghiệp 10

Đánh giá cá nhân (theo thang điểm 10):

ST

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên SV: 1 Trần Công Danh MSSV: 15147073 Hội đồng: Hội đồng 1

2 Phan Thanh Huy 15147091 Hội đồng 1

3 Đỗ Ngọc Phụng 15147116 Hội đồng 1

Tên đề tài: Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước trong không khí,

sử dụng nguồn điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời.

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt

Họ và tên giảng viên phản biện:

Mã giảng viên phản biện:

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày đồ án tốt nghiệp

2 Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả thu được

4 Những thiếu sót và tồn tại của đồ án tốt nghiệp

5 Câu hỏi

6 Đánh giá

ST

1

Hình thức và kết cấu đồ án tốt nghiệp 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan đề tài 10

Tính cấp thiết của đề tài 10

2

Nội dung đồ án tốt nghiệp 50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa

học và kỹ thuật khoa học, khoa học xã hội… 5

Khả năng thực hiện/ phân tích/ tổng hợp/ đánh

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành

phần, hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra

với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng cải tiến và phát triển 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4 Sản phẩm cụ thể của đồ án tốt nghiệp 10

Đánh giá cá nhân (theo thang điểm 10):

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁNTên đề tài: Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước trong không khí,

sử dụng nguồn điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời.

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phảnbiện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúngtheo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng: _ _

Giảng viên hướng dẫn: _

Giảng viên phản biện: _

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt bốn năm vừa qua, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ giađình, quí thầy cô, bạn bè và các anh chị khóa trước đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hướngdẫn chúng em tận tình trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuậtThành phố Hồ Chí Minh

Lời đầu tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc nhất đến TS LêMinh Nhựt Trong suốt thời gian vừa qua, thầy luôn quan tâm và chia sẻ, chỉ dẫn chonhóm em tận tình về những khó khăn chúng em gặp phải trong quá trình làm đồ án tốtnghiệp

Trong suốt thời gian qua, chúng em đã học được từ thầy rất nhiều không chỉ về thái

độ làm việc, sự nghiêm túc trong công việc và nghiên cứu cũng như lượng kiến thức quýbáu sẽ là điểm tựa để chúng em có thể ứng dụng vào công việc sau này Cùng sự quantâm, yêu thương của quí thầy cô trong bộ môn, quí các anh chị khóa trước và gia đình đãgiúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài: “Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụhơi nước trong không khí, sử dụng nguồn điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời”

Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn bộ quí thầy cô trong bộ môn Công nghệ Kỹthuật Nhiệt, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiệnthuận lợi, truyền đạt cho chúng em những kiến thức rất quí báu tạo cho chúng em có nềntảng để chúng em có thể vận dụng tính toán, làm đồ án một cách tốt nhất Chúng em cũnggửi lời lời cảm ơn sâu sắc đến các anh chị khóa trước (khóa k11, k12, k14) đã hỗ trợ,giúp đỡ chúng em tận tình và có những sự chỉ dẫn cần thiết để chúng em biết cách tra cứutài liệu phục vụ cho đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo khoa cơ khíđộng lực đã tạo mọi điều kiện để chúng em kịp thời khắc phục những thiếu sót trong quátrình làm thủ tục chuẩn bị cho ngày nghiệm thu và bảo vệ đề tài của nhóm chúng em.Với điều kiện thực hiện đồ án cũng như kinh nghiệm còn non nớt, trong quá trìnhlàm đồ án của chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót ngớ ngẩn Vì vậy, chúng

em kính mong nhận được những phản hồi và những đóng góp ý kiến từ quí các thầy cô

để chúng em rút ra được bài học cho mình cũng như là những trang bị cần thiết trước khi

chúng em được tiếp cận với môi trường công nghiệp chuyên nghiệp, tránh khỏi nhữngthiếu sót trong những công việc sau này của chúng em.

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Thực trạng thiếu nước sạch sử dụng vẫn còn đang diễn ra ở nhiều nơi, nhiều quốcgia trên thế giới Đặc biệt là những nơi thường xuyên phải đối mặt với hạn hán haynhững nơi có nguồn nước bị ô nhiễm, nhiễm mặn Chính vì vậy mà việc nghiên cứu khoahọc kỹ thuật để đưa ra các giải pháp nhằm khắc phục tình trạng thiếu nước là một điềuhết sức cần thiết Trong đó, ngưng tụ nước từ không khí được xem như là một bước độtphá mới để đảm bảo cung cấp lượng nước cần thiết phục vụ cho con người Trong nghiêncứu này, nhóm đã đưa ra một giải pháp mới nâng cao hiệu quả của quá trình ngưng tụnước từ không khí bằng cách sử dụng bộ làm mát nhiệt điện Peltier thông qua việc tậndụng nguồn năng lượng mặt trời làm nguồn phát Từ việc đưa ra phương án cho đến việcthực hiện tính toán thiết kế và chế tạo mô hình, cùng với đó là thu thập và xử lí các sốliệu thông qua thực nghiệm dưới nhiều điều kiện thời tiết khác nhau (trời nắng và trờinhiều mây, mưa) đã giúp cho bài nghiên cứu thể hiện một cách rõ ràng cấu tạo và nguyên

lý làm việc của bộ làm mát nhiệt điện Peltier và pin năng lượng mặt trời - hai mảnh ghépchính của mô hình ngưng tụ nước trong không khí Mặc dù kết quả thu được từ lượngnước ngưng là rất hạn chế, song việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời vô tận thì ta cóthể mong đợi một kết quả mang tín hiệu tích cực hơn khi hệ thống làm việc ổn định quatừng ngày và cho ra nhiều lượng nước ngưng hơn theo thời gian

Ngoài ra, bài nghiên cứu còn đề cập đến một số nghiên cứu trong và ngoài nước cóliên quan đến mô hình giúp cho người đọc có một góc nhìn đa dạng và chi tiết hơn vớinhiều loại hệ thống ngưng tụ nước trong không khí sử dụng bộ làm mát nhiệt điện Peltier.Đồng thời, bài nghiên cứu còn là cơ sở để phục vụ cho các mục đích nghiên cứu sâu và

xa hơn, nhằm hoàn thiện và phát triển hơn mô hình ngưng tụ nước để tối ưu hóa và cho rakết quả đáng mừng hơn

MỤC LỤC MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU VII DANH MỤC HÌNH ẢNH IX DANH MỤC BẢNG BIỂU XII

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.1 Năng lượng tái tạo và môi trường 1

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của thế giới 2

1.1.3 Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta 5

1.1.4 Nhu cầu sử dụng nước sạch ở Việt Nam 6

1.1.5 Phương pháp nghiên cứu 8

1.1.6 Khả năng ứng dụng đề tài nghiên cứu 9

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 10

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

1.3 Mục tiêu đề tài 11

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12

2.1 Cơ sở tính toán 13

2.2 Tính toán hệ thống 17

2.2.1 Chọn các thông số làm việc và điều kiện môi trường 17

2.2.2 Tính toán sơ bộ công suất hệ thống và tính chọn Pin mặt trời 19

2.3 Tính toán thiết kế hệ thống ngưng tụ nước trong không khí 20

2.3.1 Đưa ra phương án thiết kế 20

2.3.2 Tính toán thiết kế hệ thống 21

2.3.3 Tính toán tổn thất điện và tổn thất nhiệt 27

2.4 Mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics 30

2.4.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics 30

2.4.2 Môi trường Comsol Multiphysics 31

2.4.3 Một số thành phần chính của Comsol Multiphysics 34

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 36

3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống 36

3.1.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống 36

3.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 36

3.1.3 Các thiết bị chính cấu thành nên mô hình: 42

3.1.4 Mạch giảm áp DC – DC XL4015 4 ÷ 38V/ 5A 45

3.2 Phương pháp thí nghiệm 46

3.3 Các thiết bị đo 47

3.3.1 Đo bức xạ mặt trời: 47

3.3.2 Đo tốc độ gió 48

3.3.3 Đo nhiệt độ 49

3.3.4 Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí 50

3.3.5 Đo điện áp hoạt động của hệ thống 51

3.4 Các phương pháp đo 52

3.4.1 Đo nhiệt độ bộ tản nhiệt 52

3.4.2 Đo nhiệt độ, độ ẩm của dòng không khí trước và sau khi được làm lạnh 52

3.4.3 Đo cường độ bức xạ mặt trời 53

3.4.4 Đo tốc độ dòng không khí cấp 54

3.4.5 Đo điện áp, cường độ dòng điện 55

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 56

4.1 Kết quả mô phỏng truyền nhiệt trên Comsol Multiphysics 56

4.1.1 Kết quả mô phỏng 56

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước 58

4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều kiện ngày nắng 59

4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều kiện ngày mây 60

4.3 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống 61

4.3.1 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống trong điều kiện ngày nắng 61

4.3.2 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống trong điều kiện ngày mây 63

4.4 Lượng nước ngưng tụ được 65

4.4.1 Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày nắng 65

4.4.2 Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày mây 66

4.4.3 Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày mưa 67

4.5 Hệ số làm lạnh của Peltier 68

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

5.1 Kết luận 75

5.2 Kiến nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DB (Dry – bulb): Nhiệt độ bầu khô của không khí, oC

DP (Dew – Point): Nhiệt độ đọng sương

FCU (Fan coil units): Quạt cấp không khí ống cuộn

IEA (International Energy Agency): Cơ quan Năng lượng Quốc tế

PGF (Panel Generation Factor): Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời

RH (Relative Humidility): Độ ẩm tương đối

SLC (Solar Cel): Pin mặt trời

COP (Coefficient of performance): Hệ số hiệu suất

Pcđ: Công suất cực đại Pin mặt trời, W

δ: Góc lệch giữa đường xích đạo theo phương ngang, Độ

:

nr: Hệ số ngày có bức xạ mặt trời trong năm

pb: Áp suất bão hòa, bar

DANH MỤC HÌ

Hình 1.1: Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của thế giới qua các năm 3

Hình 1.2: Biểu đồ sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2016.4 Hình 1.3: Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương 6

YHình 2.1: Nguyên lý hoạt động của Peltier - Hiệu ứng Nhiệt - Điện 13

Hình 2.2: Đồ thị thể hiện cường độ bức xạ mặt trời trong năm 16

Hình 2.3: Góc lệch của đường xích đạo theo phương ngang 22

Hình 2.4: Góc nghiêng của Pin mặt trời theo phương ngang 23

Hình 2.5: Đồ thị thể hiện mối liên hệ của khối lượng riêng không khí với dung ẩm và nhiệt độ 26

Hình 2.6: Thư viện mô phỏng Comsol Multiphysics 33

Hinh 2.7: Chọn phương pháp giải 33

Hình 2.8: Mô hình mẫu trong phần mềm Comsol Multiphysics 34

Hình 2.9: Thanh công cụ trong phần mềm Comsol Multiphysics 34

YHình 3.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống 36

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ngưng tụ nước từ không khí 36

Hình 3.3: Đồ thị Qc – DT của Peltier 37

Hình 3.4: Đồ thị mức độ hoạt động Pin mặt trời 38

Hình 3.5: Bản vẽ kích thước mô hình 38

Hình 3.6: Mô hình hệ thống 3D 39

Hình 3.7: Mô hình hệ thống thực tế 40

Hình 3.8: Mô hình hệ thống nhìn từ một bên 40

Hình 3.9: Thông số hệ thống lúc bắt đầu vận hành 41

Hình 3.10: Quá trình ngưng tụ nước trên miếng nhôm 41

Hình 3.11: Pin năng lượng mặt trời thí nghiệm mô hình thực tế 42

Hình 3.12: Peltier thí nghiệm mô hình thực tế 43

Hình 3.13: Bộ giải nhiệt khí SE - 207 thí nghiệm mô hình thực tế 43

Hình 3.14: Mạch điều áp dòng điện cho Peltier thí nghiệm mô hình thực tế 44

Hình 3.15: Quạt tạo dòng không khí thực tế thí nghiệm trên mô hình 44

Hình 3.16: Mạch giảm áp XL4016E1 - 8A 45

Hình 3.17: Mạch giảm áp DC - DC XL4015 4 ÷ 38V/ 5A 45

Hình 3.18: Thiết bị đo Cường độ bức xạ mặt trời 47

Hình 3.19: Thiết bị đo tốc độ gió 48

Hình 3.20: Đồng hồ đo nhiệt độ 49

Hình 3.21: Đồng hồ đo nhiệt độ - độ ẩm 50

Hình 3.22: Đồ hồ đo điện áp hoạt động của hệ thống 51

Hình 3.23: Lắp sensor đo nhiệt độ tại bộ tản nhiệt khí SE - 207 52

Hình 3.24: Đặt đồng hồ đo nhiệt độ môi trường gần ngõ vào của buồng lạnh 53

Hình 3.25: Đặt đồng hồ đo cường độ bức xạ mặt trời vuông góc với pin mặt trời 54

Hình 3.26: Đặt đồng hồ đo tốc độ gió tại vị trí ngõ vào của buồng lạnh 55

Hình 3.27: Sơ đồ lắp đặt đồng hồ đo cường độ dòng điện và điệp áp 55

YHình 4.1: Kết quả mô phỏng truyền nhiệt giữa Kim loại Nhôm và không khí 56

Hình 4.2: Chiều chuyển động và nhiệt độ của không khí ra khỏi hệ thống 56

Hình 4.3: Đồ thị thể hiện nhiệt độ đầu ra của không khí từ kết quả mô phỏng số trên Comsol Multiphyscis 57

Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thể hiện sự giảm độ khô của không khí 57

Hình 4.5: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày nắng 59

Hình 4.6: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày mây 60Hình 4.7: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp của toàn hệ thốngvào ngày nắng 61Hình 4.8: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến cường độ dòng điện của toàn hệ thống vào ngày nắng 62Hình 4.9: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp toàn hệ thống vàongày mây 63Hình 4.10: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến cường độ dòng điện toàn hệ thống vào ngày mây 64Hình 4.11: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nướcvào ngày nắng 65Hình 4.12: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nướcvào ngày mây 66Hình 4.13: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nướcvào ngày mưa 67Hình 4.14: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hệ số làm lạnh COP của

hệ thống vào ngày nắng 68Hình 4.15: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hệ số làm lạnh COP của

hệ thống vào ngày mây 69Hình 4.16: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch hệ số làm lạnh của toàn hệ thống trong 3 trường hợp thực nghiệm 70Hình 4.17: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ không khí đầu ra khỏi hệ thống giữa dữliệu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng 71Hình 4.18: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến nhiệt độ không khí ra khỏi hệ thống giữa tính toán, thực nghiệm và mô phỏng 72Hình 4.19: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ không khí đầu ra khi nhiệt độ không khí môi trường thay đổi giữa tính toán, thực nghiệm và mô phỏng 73

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2: Giá trị góc lệch theo tháng 23

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Năng lượng tái tạo và môi trường

Năng lượng hóa thạch là năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch sau đó chuyểnthành nhiệt rồi chuyển thành điện năng cung cấp cho các hoạt động con người Việcđốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 hàng năm, theo ước tính rằngcác quá trình tự nhiên có thể hấp thu phân nửa lượng khí thải trên, vì vậy hàm lượng

CO2 sẽ tăng rất lớn 10,65 tỉ tấn mỗi năm trong khí quyển Việc sử dụng năng lượnghóa thạch gây tác động rất lớn đến môi trường mà vấn đề biến đổi khí hậu được quantâm, hiện nay các nước trên thế giới đang đưa ra các chiến lược đối phó trong đó cóViệt Nam… Theo số liệu mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (tên tiếng Anh:International Energy Agency, tiết tắt là IEA), lượng tiêu thụ hóa thạch năm 2015chiếm 81,5 %, số còn lại là năng lượng tái tạo Do đó, lượng khí thải CO2 cũng đangtăng lên với con số gấp đôi, gấp ba điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến ô nhiễmmôi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu

Chính vì thế việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượnghóa thạch là vấn đề cấp thiết hiện nay Thế giới hiện nay đang nghiên cứu sử dụngcác nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng sóng, năng lượng thuỷtriều… Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồnliên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió,mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượngtái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môitrường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúcđẩy đặc biệt là từ Mặt Trời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyềnthống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệthống điện độc lập Theo bách khoa toàn thư: Năng lượng tái tạo là năng lượng từ cácnguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như nănglượng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học Chúng là một nguồnnăng lượng sạch, không gây ô nhiễm không khí, và không đóng góp vào sự nóng lêncủa khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính Vì các nguồn năng lượng này là tự nhiên

nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp Trong các nguồn năng lượng tái tạo có thểnói nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, có thể sản xuất điện nănghay nước nóng.

Việt Nam, một quốc gia sử dụng nhiên liệu hóa thạch để phục vụ nhu cầu nănglượng trong nước Trong những năm gần đây, nhà nước kêu gọi tiết kiệm năng lượng

và chấm dứt xây dựng thêm các nhà máy thủy điện, nhiệt điện… Thu hút đầu tư vàolĩnh vực năng lượng gió, năng lượng mặt trời tại các tỉnh miền Trung và Nam Bộ Cụthể, hiện nay có hàng loạt dự án đầu tư tại tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận của ViệtNam Ở Việt Nam tuy chúng ta đang chỉ ứng dụng thử nghiệm cách đây vài nămnhưng theo các báo cáo cho thấy thì tiềm năng về lĩnh vực năng lượng mặt trời rấtlớn Chúng ta được vị trí đia lí ưu đãi một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn

Cụ thể năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày Mật độnăng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2/ngày Số giờ nắngtrung bình cả năm trong khoảng 1.800 đến 2.100 giờ, đặc biệt là khu vực phía Nam

từ Đà Nẵng trở vào có số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.000 đến 2.600giờ Đây là khu vực được đánh giá là ứng dụng năng lượng mặt trời rất hiệu quả Do

đó, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để làm nóng nước… thay cho cácphương thức cũ như điện trở, lò hơi… có ý nghĩa hết sức to lớn

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của thế giới

Thế kỉ XXI chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành côngnghiệp thế giới, cụ thể là năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng sạch và không baogiờ cạn kiệt Các quốc gia đang có những chương trình hành động để giảm thiểu biếnđổi khí hậu, do đó chúng ta có thể thấy rõ sản lượng điện từ năng lượng của các quốcgia tăng theo hàng năm với những con số ấn tượng

Hình 1.1: Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của thế giới qua các năm Nguồn [36]

Các dạng năng lượng chính:

- Năng lượng không tái tạo: Năng lượng nguyên tử, Năng lượng hóa thạch.

- Năng lượng tái tạo: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Năng lượng thủy

triều, Năng lượng thủy điện, Năng lượng sóng biển, Năng lượng địa nhiệt,Năng lượng sinh khối

Với nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu khai thác từ các mỏ nhiên liệu thô nhưthan, dầu, khí tự nhiên ở mức thái quá và gần như phụ thuộc vào chúng trong suốt 30năm qua Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng sạch và có sẵn trong tự nhiên như nguồnnăng lượng mặt trời, năng lượng gió, sóng các nguồn năng lượng thuộc nhóm nănglượng tái tạo, tận dụng phản ứng phân hạch của nguyên tố Uranium để tạo ra nguồn nhiệt

có cường độ bức xạ lớn, ứng dụng trong các ngành công nghệ nhiệt điện còn rất hạn chế

và chưa được tạn dụng nhiều trong suốt khoảng thời gian từ năm 1990 đến 2020

Tầm nhìn trong 20 năm tới – từ năm 2020 đến năm 2040, mức độ sử dụng các nguồnnhiên liệu lỏng như xăng, dầu hay các loại nhiên liệu lỏng khác vẫn có xu hướng tăngcao Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo được con người khai thác và phát triển rấtmạnh trong 20 năm tới, giai đoạn chuyển giao mức độ khai thác mạnh mẽ nguồn nănglượng tái tạo là trong năm 2020 trở đi Bên cạnh đó, nguồn năng lượng hạt nhân có không

có dấu hiệu phát triển mạnh nhưng lại có dấu hiệu đứng lại thậm chí có xu hướng hạnchế.

Hình 1.2: Biểu đồ sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2016.

Nguồn [37]

Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là một yếu

tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng Dân số thế giới đã tăng từ khoảng5,5 tỷ người trong năm 1993 lên tới gần 7 tỷ người vào năm 2010

EU (Europe) là khu vực phát triển năng lượng mặt trời rất sớm với những camkết về các hiệp định giảm thiểu ô nhiễm nhà kính, do đó pin mặt trời được áp dụngrất nhiều ở những quốc gia này Sự hỗ trợ mạnh mẽ của chính phủ trong các dự ánnhư: pin mặt trời ở trên nóc tàu cao tốc hay dự án kết hợp tuabin gió kết hợp với pinmặt trời để chiếu sáng, xe sử dụng năng lượng mặt trời di chuyển với tốc độ cao…nhằm giải quyết vấn đề chất lượng không khí, đảm bảo nhu cầu năng lượng thể hiệnsự quyết tâm nghiêm túc của các quốc gia

Chi phí đầu tư cho một số công nghệ năng lượng mặt Trời đang giảm nhanh Ởnhiều quốc gia, giá của năng lượng tái tạo hiện nay rất cạnh tranh so với năng lượnghóa thạch và năng lượng hạt nhân Bên cạnh đó, việc triển khai năng lượng Mặt Trời

đã và đang tạo ra nhiều giá trị và việc làm tại địa phương Đối với các nước có nền

kinh tế tăng trưởng thấp và các nước đang phát triển trên thế giới, nó sẽ cung cấp mộtgiải pháp để tăng thu nhập, cải thiện cán cân thương mại, đóng góp cho phát triểncông nghiệp và tạo ra việc làm.

Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theovấn đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu Đây là vấn đề mà cảthế giới đang rất quan tâm Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế chonguồn năng lượng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách

1.1.3 Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta

Ở Việt nam, các ứng dụng năng lượng mặt trời đã phát triển nhanh chóng kể từnhững năm 90, tuy nhiên đa số chỉ ở quy mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việckhai thác nhiệt năng từ năng lượng mặt trời, được thực hiện ở các hộ gia đình, đơn vị

có điều kiện kinh tế khá (do vốn đầu tư bấy giờ còn lớn) có nhu cầu về nước nóng,tranh thủ không gian trên cao đón nắng như tầng thượng nhà cao tầng Hiện nay, vớiđiều kiện kinh tế đã tốt hơn, nhu cầu của con người cũng tăng, hệ thống các bộ thunăng lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến hơn, không chỉ ở thành thị mà còn ở cácvùng nông thôn, những nơi có điều kiện nắng tự nhiên tốt Các hộ gia đình và doanhnghiệp sẵn lòng đầu tư vào bộ thu không khí sử dụng năng lượng mặt trời vì có thểtiết kiệm hoá đơn tiền điện Cho đến nay, công nghệ sản xuất thiết bị collector tấmphẳng bằng năng lượng mặt trời có thể dễ dàng huy động vốn đầu tư từ thành phầnkinh tế tư nhân Tuy nhiên, nhìn chung việc ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ởViệt Nam vẫn chưa cao, do ý thức của người dân về sử dụng năng lượng tái tạo cònhạn chế

Hình 1.3: Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công

Thương Nguồn [38]

Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thờigian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150 - 200 năm Tại Việt Nam, các nguồn năng lượngtự nhiên này có thể còn hết trước thế giới một vài chục năm Trong bối cảnh đó, cácchuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập

khoảng 12% - 20% năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50% - 60%, chưa kể điện hạt

nhân Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếudựa vào nhiệt điện và thủy điện Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụthuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi vềdòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Điện hạt nhân còn đang trongquá trình chuẩn bị phương án…

1.1.4 Nhu cầu sử dụng nước sạch ở Việt Nam

Nước là nguồn tài nguyên quý giá và được xem là vô tận, nhưng không phải aicũng được hưởng như nhau Theo thống kê của hiệp hội tài nguyên nước quốc tế(IWRA), Việt Nam được xem như là một quốc gia đang thiếu nước khi mà lượng

nước bình quân đâu người chỉ đạt được 3600m3/người/năm, ít hơn 400m3 so với bìnhquân toàn câu Đáng báo động hơn, Bộ Tài nguyên và Môi trường dự đoán con sốbình quân trên sẽ giảm một nửa vào năm 2025 Hiểu được tầm quan trọng của sựthiếu hụt tài nguyên nước, bên cạnh việc sử dụng một cách hiệu quả và tiết kiệm tàinguyên nước thì các nghiên cứu khoa học hướng đến việc sản xuất nước sạch đượcxem như là một bước tiến lớn để giải quyết bài toán thiếu hụt nước sạch cho thế giớinói chung và Việt Nam nói riêng.

Vấn đề về nước, đặc biệt là nước sạch hiện nay đang trở thành vấn đề bứcthiết, nhận được sự quan tâm không chỉ ở phạm vi một quốc gia, một khu vực màđang là vấn đề được quan tâm trên phạm vi toàn cầu Nhận thức được tầm quan trọngcủa nước sạch, cũng như những thách thức đang phải đối mặt, Đảng và Nhà nước ta

đã và đang có nhiều cố gắng, nỗ lực Theo báo cáo của các Bộ, ngành, địa phương vàđoàn thể tham gia thực hiện Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinhmôi trường nông thôn, đến hết năm 2015 số dân ở nông thôn được sử dụng nước hợp

vệ sinh (HVS) đạt khoảng 85% Tuy nhiên, trong đó số dân được sử dụng nước sinhhoạt đạt QCVN 02:2009/BYT chỉ đạt 44% Nhiều vùng nông thôn, miền núi, hải đảovẫn còn rất khó khăn về nước uống và nước sinh hoạt Cùng với đó là tình trạng lãngphí nguồn nước sạch, có các hành vi xấu làm ảnh hưởng đến chất lượng nước đã đặt

ra vấn đề: Làm thế nào để sử dụng bền vững tài nguyên nước? Mặc dù ¾ bề mặt tráiđất là nước, nhưng nước không là phải là tài nguyên vô hạn Không chỉ ở Việt Nammới phải đối mặt với tình trạng nguồn nước ngày càng khan hiếm mà ở rất nhiều nơitrên thế giới cũng đang gặp phải điều này Thiếu nước làm cho sự sống của conngười và các sinh vật khác lâm vào tình trạng nguy hiểm bởi nước là một trongnhững yếu tố không thể thiếu để duy trì sự sống trên trái đất Vậy, nguyên nhân dođâu mà nguồn nước ngày càng khan hiếm?

Một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến tình trạng khan hiếm nước làhiện tượng trái đất càng ngày càng nóng lên khiến cho các đợt khô hạn xảy ra thườngxuyên và ở nhiều nơi hơn Nhiều nơi, sông suối cạn khô, con người và các loại độngthực vật không có nước để sinh hoạt, các hoạt động sản xuất ở các khu vực hạn háncũng tạm ngừng hoạt động Hiện tượng biến đổi khí hậu làm đảo lộn việc phân bổmưa ở nhiều nơi trên thế giới Ở một số nơi có mây dày, mưa lũ diễn ra thường

xuyên hơn nhưng ở một số nơi nhất là ở các khu vực xích đạo thì mây lại mỏng, mưa

ít và lượng mưa cũng không nhiều nên khô hạn, cằn cỗi

Lượng nước trong các mạch nước ngầm bị sụt giảm cũng là lí do khiến chonguồn nước khan hiếm Vốn dĩ, trữ lượng nước ngầm chiếm 30% lượng nước dự trữcủa trái đất Tuy nhiên theo thực tế, lượng nước được lấy đi vượt quá lượng nướcđược bổ sung nên theo dự báo của các chuyên gia, chỉ khoảng vài chục năm nữanhiều mạch nước ngầm trên trái đất sẽ rơi vào tình trạng cạn kiệt Bên cạnh đó, dân

số thế giới ngày càng tăng nhanh dẫn đến nhu cầu sử dụng nước cũng tăng theo mộtcách “chóng mặt” khiến lượng nước dự trữ cũng sụt giảm đáng kể Ngoài ra, việcnước bị nhiễm mặn, nhiễm phèn, bị ô nhiễm bởi nhiều lí do khác nhau cũng là một lí

do khiến cho nước ngày càng khan hiếm

1.1.5 Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay, có một số giải pháp được đưa ra nhằm khắc phục được tình trạng thiếunước Đó là:

- Nâng cao ý thức của người dân về việc sử dụng nước tiết kiệm cũng như bảo vệ

môi trường, bảo vệ rừng để có thể hạn chế được việc nước bị ô nhiễm, từ đó giữđược nguồn nước ổn định

- Sử dụng máy lọc nước để có được nguồn nước sạch trong sinh hoạt hàng ngày.

- Một lượng rất lớn hơn nước có trong không khí, đặc biệt là những vùng có độ

ẩm cao như Việt Nam, nếu chúng ta có thể ngưng tụ được lượng hơi nước nàythì đây là một nguồn nước khổng lồ cho nhu cầu sinh hoạt của con người

- Ngoài ra, chính phủ các nước trên thế giới cần phối hợp với nhau và đưa ra

những kế hoạch, chiến lược chung để bảo vệ và duy trì nguồn nước

Mỗi năm, hàng loạt các thiết bị, sáng kiến được ra đời nhằm làm cho quá trìnhtạo ra nước sạch dễ dàng hơn, rẻ hơn và dễ di chuyển đến những vùng thiếu nướcsạch Các giải pháp này đều xuất phát từ việc ngưng tụ nước từ sương, biến nướcbiển thành nước ngọt, sử dụng chip lọc UV nhỏ, tế bào nhiệt điện Peltier… Đặc biệt

là về tế bào nhiệt điện điện Peltier (hay còn được biết đến với một số tên thông dụngnhư chip Peltier hay sò nóng lạnh) với cấu tạo là một loại linh kiện điện tử có các

mối tiếp xúc hai bán dẫn p-n được nối tiếp với nhau, có chức năng thực hiện sựchuyển hóa nhiệt năng thành điện năng và ngược lại, chuyển hóa điện năng thànhnhiệt năng chính là đối tượng mà đề tài nghiên cứu hướng đến Tế bào nhiệt điệnPeltier được ra đời với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, đối với loại tế bào nhiệtđiện chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng thì đây được xem như là một cơ hội đểứng dụng nguyên lý chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng sản xuất nước sạch Mộtđiều đáng tiếc là việc nghiên cứu ở quy mô trong nước tuy đã có nhưng không nhiều

và một phân nguyên nhân là do chưa có điều kiện để ứng dụng thực tế nên hiệu quảcòn chưa cao

1.1.6 Khả năng ứng dụng đề tài nghiên cứu

Ứng dụng vào các hộ gia đình, cơ sở kinh doanh, trường học, xí nghiệp… đểcung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt hoặc nước uống có người dân Đặc biệt,ứng dụng ở những nơi khan hiếm nguồn nước sạch nhưng có độ ẩm cao và cường độnắng mặt trời lớn như các vùng hải đảo, vùng ven biển, vùng đồi núi cao… Dùng làmnguồn tham khảo cho sinh viên trong trường, cho các công ty muốn triển khai hệthống Có thể ứng dụng trong nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cung cấp nướcsạch từ năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có thể nói là nguồn năng lượng vô tận, sử dụng nguồn nhiệt

từ năng lượng này để ứng dụng vào sinh hoạt và công nghiệp

Bộ tách nước từ không khí dùng pin mặt trời là môṭ trong những hệ thống sửdụng điện từ năng lượng mặt trời hiệu quả mà không cần dùng điện lưới cao thế cầnđược nghiên cứu ứng dụng để đáp ứng nhu cầu cho sinh hoạt và công nghiệp Việctính toán mô hình hóa là rất cần thiết và quan trọng, vì nó giúp cho việc tính toánthiết kế, so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm để từ đó dễ dàng cải thiện hiệu suấtcủa hệ thống Bên cạnh đó nghiên cứu này có thể ứng dụng trong đào tạo sinh viênchuyên ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt, cũng như chuyển giao cho các công tychuyên về lĩnh vực năng lượng mặt trời

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước: TS Lê Thu Quý và TS Nguyễn Tuấn Anh [1] đã nghiên cứu đề cậpđến việc sử dụng tế bào nhiệt điện Peltier được cấp nguồn thông qua các tấm pin mặttrời để ngưng tụ hơi nước trong không khí Đây được xem như là một thiết bị thânthiện với môi trường và thích hợp cho việc sử dụng nước sạch ở các trạm y tế vùngnúi cao hẻo lánh

Nhóm Water Team, gồm bốn sinh viên khoa vật lý và một sinh viên khoa quảntrị kinh doanh của Trường ĐH Quy Nhơn Đinh Thành Tấn là trưởng nhóm, cácthành viên cùng nghiên cứu, chế tạo máy gồm Huỳnh Quang Đạt, Trần Thị Lệ Thi,Nguyễn Hoài Huệ và thành viên phụ trách mảng kinh doanh là Phạm Thị Ánh Tuyết.Chiếc máy do Water Team sáng chế trông rất đơn giản, gồm một chảo parabol làmbằng thép không gỉ, nồi chưng cất nước biển bằng thủy tinh, bơm tự động sử dụngnăng lượng mặt trời để lấy nước biển vào nồi chưng cất và chất xúc tác hạt nano titannitrua (TiN)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có một số quốc gia phát triển ứng dụng công nghệ này để sảnxuất nước sạch như Ấn Độ, Áo, Hoa Kỳ… Abhay Bendekar và các cộng sự [13] đãthực hiện tính toán và mô phỏng thiết bị ứng dụng tế bào nhiệt điện Peltier dùng pinnăng lượng mặt trời để ngưng tụ nước V P Joshi cùng các cộng sự [30] đã thực hiệnmột cuộc khảo sát thực nghiệm, mô tả chi tiết hệ thống thiết bị sản xuất nước bằngcách sử dụng thiết bị làm lạnh bởi hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng Peltier) Từ kết quảthu được của cuộc khảo sát thực nghiệm, V P Joshi đã đưa ra kết luận rằng lượngnước thu được tỉ lệ thuận với lượng hơi nước chứa trong một lưu lượng không khínhất định, càng tăng lưu lượng không khí thì càng tăng lượng nước thu được Đồngthời, lượng nước thu được tỉ lệ thuận với dòng điện cấp vào mô hình do sự gia tăng tỉ

lệ hấp thụ nhiệt của mô hình Robert A Taylor và các cộng sự [23] đã tối ưu hóa thiết

bị làm lạnh bởi hiệu ứng nhiệt điện Thông qua các cuộc kiểm tra thực nghiệm,

Robert A Taylor cùng các cộng sự đã đưa ra các công thức, biểu đồ thể hiện quátrình làm việc của bộ làmmát dưới nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau (nhiệt trở, lưulượng, nhiệt độ, hệ số Seebeck ) Qua đây, chúng ta cũng thấy được rằng, việcnghiên cứu và phát triển tế bào nhiệt điện Peltier đã và đang rất phổ biến ở một sốcác quốc gia phát triển trên thế giới, nhưng ở Việt Nam vẫn còn đang hạn chế Do đó,việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng tế bào nhiệt điện Peltier là một điều cân thiếthiện nay đối với Việt Nam nó riêng và thế giới nói chung Đây sẽ là một bước tiến vềmặt công nghệ mang đây hứa hẹn bởi các tính năng ưu việt của tế bào nhiệt điệnPeltier Cụ thể hơn nữa, việc áp dụng tế bào nhiệt điện Peltier trong đề tài nghiên cứu

sẽ giúp giải quyết phân nào bài toán về sự thiếu hụt nước sạch sử dụng trong tươnglai

1.3 Mục tiêu đề tài

Thực tế cho chúng ta thấy rằng, nguồn nước sử dụng cho phần lớn các khu vực

có khí hậu khắc nghiệt, thời tiết nóng bức dẫn đến tình trạng khan hiếm nước chongười tiêu dùng Nhưng chính nguồn bức xạ rất lớn tại những khu vực lại là điểmmạnh để phát triểu tối ưu tính năng đặc biệt của Pin mặt trời và đó chính là mục tiêu

để phát triển và hình thành nên mô hình thu hồi nước từ không khí và nguồn điện sửdụng trực tiếp từ Pin mặt trời

Do đó, đề tài “Chế tạo mô hình thu nước từ không khí ứng dụng bộ làm mát

nhiệt điện, sử dụng nguồn trực tiếp từ pin mặt trời” là thực sự cần thiết và cần được

phát triển lên theo một hướng tích cực Chính sự tận dụng nguồn bức xạ rất lớn từmặt trời tại những khu vực có kiểu khí hậu nóng ẩm sẽ là cơ sở rất tốt để hình thành

và phát triển tính thực dụng của đề tài

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Không khí là một dạng vật chất trong tự nhiên có 3 dạng: rắn, lỏng, khí và hơi nướctrong không khí chính là dạng vật chất thứ 3 Tuy nhiên, hơi nước hoàn toàn có thểchuyển đổi trạng thái từ pha khí sang pha lỏng bởi một quá trình gọi là quá trình đọngsương, như thế nhiệt độ của không khí trong môi trường tự nhiên của nó phải được làmlạnh và hạ nhiệt độ xuống bằng nhiệt độ đọng sương của nó

Nhiệt động đọng sương (DP): Là nhiệt độ của trạng thái không khí bão hòa nhưng lại

có độ chứa hơi không đổi so với trạng thái của không khí đang xét Thông thường, hiệntượng đọng sương trong ngành kỹ thuật điều hòa không khí được thể hiện rõ rệt nhất làtại các FCU, dàn bay hơi của máy lạnh dân dụng Vì tại các thiết bị này có dàn ống đồngđược làm lạnh rất hiệu quả bởi môi chất lạnh ở nhiệt độ khoảng 5 ÷ 7 oC do đó quá trìnhđọng sương của không khí được diễn ra rất nhanh và rõ rệt

Thermoelectric là hiệu ứng nhiệt – điện hay còn gọi là hiệu ứng Peltier – Seebeckvới nguyên tắc hoạt động và làm việc như một bơm nhiệt thu nhỏ Là sư chuyển nhiệtnăng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, trên một số kết nối kết nối giữa hai vật dẫnđiện khác nhau Kết nối này thường gọi là cặp nhiệt điện Cụ thể, chênh lệch nhiệt độgiữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại Hiệu ứngnày là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và pin nhiệt điện, không có các bộ phậnchuyển động Một mô hình điển hình của TEC, còn được gọi là mô-đun làm mát Peltier,được trang bị hai tấm gốm mỏng với một loạt các vật liệu bán dẫn (Bi2Te3) nằm giữa cáctấm gốm Vật liệu gốm ở cả hai mặt của mô-đun nhiệt điện giúp tăng thêm độ cứng vàcách điện cần thiết Chất bán dẫn loại p là loại bị thiếu các electron và chất bán dẫn loại n

là loại dư các electron

Một cặp chất bán dẫn loại p và loại n tạo thành một cặp nhiệt điện Các TEC gồm cónhiều cặp nhiệt điện, được sắp xếp theo dạng hình chữ nhật, được kết nối nhiệt song song

và kết nối điện theo chuỗi Khi dòng điện một chiều chạy qua thiết bị, nhiệt sẽ truyền từmột phía của điểm nối sang phía khác, dẫn đến một mặt trở nên lạnh hơn và mặt phía bênkia nóng lên Tại bề mặt lạnh, năng lượng (nhiệt) được các electron hấp thụ khi chúngchuyển từ mức năng lượng thấp trong phần tử bán dẫn loại p sang mức năng lượng caohơn trong phần tử bán dẫn loại n Việc cung cấp năng lượng cho các electron thông qua

hệ thống Tiếp tục đi qua mạng tinh thể của vật liệu, tại điểm tiếp xúc với bề mặt nóng,năng lượng bị đẩy ra một bộ tản nhiệt khi các electron rơi từ mức năng lượng cao xuốngmức năng lượng thấp hơn (loại p) Đây được gọi là hiệu ứng Peltier Do đó, một TEChoạt động như một máy bơm nhiệt trạng thái rắn trong trường hợp này.

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của Peltier - Hiệu ứng Nhiệt - Điện

Nguồn [39]

Đây cũng chính là cơ sở để ứng dụng hiệu ứng nhiệt – điện chế tạo bộ ngưng tụ nước

từ không khí, sử dụng nguồn điện trực tiếp từ Pin mặt trời nên giảm thiểu được chi phílâu dài về nguồn điện duy trì hoạt động cho Peltier cũng như tận dụng được nguồn nănglượng sạch vô tận của thiên nhiên chính là bức xạ mặt trời

2.1 Cơ sở tính toán

Như ta đã biết rằng, ngưng tụ là quá trình quá độ biến trạng thái hơi sang trạng tháilỏng Quá trình này diễn ra khi nhiệt độ của hơi nước giảm đến nhiệt độ bão hòa Có 3trường hợp ngưng tụ như sau: ngưng màng, ngưng giọt và ngưng hỗn hợp (ngưng màng

và ngưng giọt) Ở trường hợp ngưng màng, màng nước ngưng ngăn trở việc tiếp xúc trựctiếp của pha hơi đối với bề mặt vật rắn để nhả nhiệt ẩn hóa hơi cho vách nên cường độtỏa nhiệt khi ngưng màng thấp hơn nhiều so với ngưng giọt khoảng 10 ÷ 15 lần

Trước đó đã từng có nhiều mô hình thiết kế hệ thống ngưng tụ nước từ không khí, sửdụng hiệu ứng Peltier của bộ làm mát nhiệt điện [14] Thông qua những nghiên cứu này,

người ta đã chỉ ra rằng bộ làm mát nhiệt điện bắt đầu ngưng tụ nước trên bề mặt vách ởtrạng thái ngưng giọt rồi dần chuyển sang ngưng hỗn hợp và xem trường hợp này như là

cơ sở để nghiên cứu, phân tích và tiến hành thí nghiệm Một cách cụ thể, quá trình ngưng

tụ bắt đầu khi lượng nhiệt trên bề mặt vách được bộ làm mát nhiệt điện hấp thụ Lúc này,nhiệt độ vách ngưng sẽ giảm đến nhiệt độ đọng sương đồng thời xuất hiện các giọt nước

li ti trên bề mặt vách và theo thời gian màng nước ngưng dần dần được hình thành Mặtkhác, lượng nhiệt ở bề mặt nóng sẽ được giải nhiệt để tránh sự tác động truyền nhiệt trởlại sang bề mặt lạnh Từ đó cho thấy công suất làm lạnh của bộ làm mát nhiệt điện phầnlớn phụ thuộc vào nguồn điện cấp và công suất giải nhiệt ở bề mặt nóng Và chính côngsuất làm lạnh của bộ làm mát nhiệt điện sẽ quyết định lượng nước ngưng tụ thu đượctrong hệ thống

Tính toán về điện cấp cho hệ thống:

- Công suất điện tiêu thụ của thiết bị:

Trong đó:

U: Điện áp hoạt động của thiết bị, V;

I: Cường độ dòng điện hoạt động của thiết bị, A;

- Công suất điện tiêu thụ của thiết bị trong ngày:

P = U.I.t, Wh (2.2)Trong đó:

t: Tổng thời gian thiết bị hoạt động trong ngày, giờ;

- Số watt – hours các tấm Pin mặt trời [11]:

PV = 1.3 x ∑P, Wh (2.3)Trong đó:

Hệ số 1.3: Hệ số an toàn của Pin mặt trời

: Tổng số Watt – hours của tất cả các thiết bị hoạt động trongngày, Wh

- Số Watt – peak của Pin mặt trời, Wp [11]

Wp = PGF PV , Wp (2.4)Trong đó:

Wp: Số Watt-peak của pin mặ Trời, Wp

PV: Số Watt – hours các tấm Pin mặt trời, Wh

PGF: Hệ số hấp thu năng lượng mặt trời, kW/m2/ngày

PGF (Panel Generation Factor): là hệ số hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời

(kW/m2/ngày) qua khảo sát tổng cường độ bức xạ mặt trời theo ngày và trungbình theo từng tháng Theo tổng cục khí tượng Việt Nam ngày 31/10/2018, thìtrung bình bức xạ mặt trời tại Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khoảng

5.4 ÷ 5.6 (kW/m2/ngày), do đó: chọn PGF = 5.4 (kW/m2/ngày)

- Số tấm Pin năng lượng mặt trời [11]:

n = W℘

WSLC: Số Wp của một tấm pin mặt trời

- Góc nghiêng pin năng lượng mặt trời [36]:

β = ¦ – δ¦, độ (2.6)Փ: Trong đó:

: Góc nghiêng tối ưu theo tháng, độ

Փ:

δ: Góc lệch giữa đường xích đạo theo phương ngang tính theo công thức:

, độ (2.7)

Hình 2.2: Đồ thị thể hiện cường độ bức xạ mặt trời trong năm Nguồn [42]

Trong đó n là hệ số tượng trưng cho số ngày nắng trong năm có cường độ bức

xạ mặt trời lớn nhất trong năm:

Chọn nr = 162

Tính toán về công suất lạnh (COP) của hệ thống:

- Công thức tính áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ t:

- Công thức tính phân áp suất hơi nước

pb: áp suất khí trời, bar;

2.2.1 Chọn các thông số làm việc và điều kiện môi trường

Hệ thống được thiết kế để ngưng tụ nước từ không khí, phục vụ cho nhu cầu sửdụng nước của một số vùng khó khăn về nguồn nước và những vùng thuộc kiểu khíhậu nóng ẩm, giảm thiểu chi phí kinh tế cũng như tận dụng được nguồn năng lượng

vô tận từ thiên nhiên

Về không khí – nhiệt độ:

- Lưu chất: không khí

- Nhiệt độ không khí trung bình (xác định theo nhiệt độ trung bình của môi

trường): tkk = 31 oC

- Độ ẩm không khí trung bình (xác định theo độ ẩm trung bình của không khí

theo ngày): RH = 80 %

- Nhiệt độ ngưng tụ của không khí: tng = 27.36 oC

- Nhiệt độ bề mặt nhận nhiệt Peltier (thực nghiệm): tpel = -5 oC

- Độ chênh nhiệt độ tại 2 mặt Peltier: ΔT ≈ 80 T ≈ 80 oC

- Công suất làm lạnh: Q = 150 W

- Nhiệt độ tại gốc cánh nhôm: tAlf = - 4.3 oC

- Nhiệt độ tại đỉnh cánh nhôm: tAlp = - 3.6 oC

- Công suất giải nhiệt của bộ tản nhiệt khí SE – 207: Qgn = 200, W

 Lưu lượng gió tối đa: V = 56.2 ft3/m = 1.59 m3/s = 0.0265 m3/s

- Hệ số an toàn của Pin mặt trời (1.3 ÷ 1.5): chọn 1.3

 Công suất điện đầu vào: Wđ = 1 W

- Thông số điện áp của Peltier:

 Điện áp định mức: Vđm = 12 VDC

 Cường độ dòng điện định mức: Iđm = 10 A

 Cường độ dòng điện khởi động: Ikđ = 2 A

 Điện áp hoạt động: Vhđ = 3 ÷ 5 VDC