Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng

DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình .1.1: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bộ thu kiểu tấm phẳng của Nhà máy gỗ Vina Eco Broad - Long An Hình 1.2: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bộ th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ THỐNG CẤP NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI QUI MÔ CÔNG

NGHIỆP KIỂU BỘ THU TẤM PHẲNG

SKC 0 0 6 0 3 1

MÃ SỐ: T2017 - 30TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Minh Nhựt

Thành viên đề tài: ThS Huỳnh Thị Thu Hiền

ThS Nguyễn Du

MỤC LỤC

Trang

Mục lục 1

Danh sách các hình 3

Danh sách các bảng 5

Danh mục viết tắt 6

Thông tin kết quả nghiên cứu 7

Information on research results 9

PHẦN 1: GIỚI THIỆU 11

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 14

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 17

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 18

1.3.1 Mục tiêu cụ thể đạt được 18

1.3.2 Mục tiêu tổng quát 18

1.4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 18

1.4.1 Cách tiếp cận 18

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 19

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 19

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 19

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 19

1.6 Nội dung nghiên cứu 19

PHẦN 2: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 21

2.1 Cơ sở lý thuyết và hệ thống thí nghiệm 21

2.1.1 Mô hình hóa toán học hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời 21

2.1.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm: 26

2.1.2.1 Mô tả hệ thống thí nghiệm 26

2.1.2.2 Phương pháp thí nghiệm 33

2.2 Kết quả tính toán và thảo luận 34

PHẦN 3: KẾT LUẬN 43

3.1 Kết luận 43

3.2 Kiến nghị 44 Tài liệu tham khảo

Phụ lục

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bộ thu kiểu tấm phẳng của Nhà

máy gỗ Vina Eco Broad - Long An

Hình 1.2: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bộ thu kiểu tấm phẳng của Khách

sạn Rạng Đông Tp Hồ Chí Minh

Hình 2.1: Cấu tạo và mặt cắt của bộ thu tấm phẳng dạng cánh - ống

Hình 2.2: Sơ đồ năng lượng hữu ích Qu của bộ thu và tổn thất Sp(Ep) như là một hàm của lưu lượng khối lượng

Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán mô phỏng xác định giá trị lưu lượng tối ưu của vòng lặp của

hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp với bộ thu kiểu tấm phẳng

Hình 2.4: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp với bộ thu kiểu tấm phẳng

Hình 2.5: Bộ điều khiển hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp

với bộ thu kiểu tấm phẳng

Hình 2.6: Máy đo năng lượng mặt trời Tenmars TM-207

Hình 2.7: Đầu dò nhiệt độ DS18B20 (không thấm nước)

Hình 2.8: Đồng hồ đo lưu lượng nước nóng ASAHI GMK DN 20

Hình 2.9: Máy bơm nước

Hình 2.10: Ống dẫn nước nóng của hệ thống

Hình 2.11: Ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp bộ thu tấm phẳng đến năng lượng

Hình 2.12: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban đầu của bình tích trữ đến năng lượng hữu

tích trữ tại thời điểm cuối ngày thí nghiệm(2016)

Hình 2.13: Sự tăng nhiệt độ nước trong bình tích trữ theo thời gian

Hình 2.14: Ảnh hưởng của diện tích bộ thu collector tấm phẳng Ac đến năng lượng hữu ích Qu, năng lượng tiêu tốn của bơm vòng lặp bộ thu Ep, tổn thất nhiệt của bình tích trữ

Qs và nhiệt độ nước cuối ngày trong bình tích trữ Ts

Hình 2.15: Ảnh hưởng của thể tích bình tích trữ V(lít) đến năng lượng hữu ích Qu, năng

độ nước cuối ngày trong bình tích trữ Ts

DANH SÁCH CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Tco: Nhiệt độ nước đầu ra của bộ thu, o

C

Tci: Nhiệt độ nước đầu vào bộ thu, oC

TS: Nhiệt độ nước trong bình tích trữ, o

C

Ta: Nhiệt độ môi trường, o

C

Qs: Tổn thất nhiệt bình tích trữ, W

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt

trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng

- Mã số: T2017 - 30TĐ

- Chủ nhiệm: TS Lê Minh Nhựt

- Thành viên: ThS Huỳnh Thị Thu Hiền, ThS Nguyễn Du

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

- Thời gian thực hiện: 01/01/2017 đến 30/12/2017

2 Mục tiêu:

* Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui

mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng chủ yếu tập trung nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm sự ảnh hướng của lưu lượng nước trong vòng lặp bộ thu tấm phẳng, bởi đây là thông số chính ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Bên cạnh đó, đây cũng là

hệ thông cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp bắt đầu phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu sẽ được chuyển giao cho các công ty

và doanh nghiệp đưa vào ứng dụng

* Đặt nền tảng cho việc nghiên cứu về năng lượng cái tạo, đặt biệt là ứng dụng NLMT để cấp nước nóng tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung

* Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực ứng dụng NLMT cấp nước nóng theo hướng nghiên cứu mới hiện nay

3 Tính mới và sáng tạo:

Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trong nước và cũng là một trong những nghiên cứu mới ở ngoài nước

4 Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng Mô hình hóa các công thức tính của bộ

thu không khí năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng, năng lượng hữu ích của bộ thu, hệ

số dịch chuyển nhiệt, cân bằng năng lượng tại bình tích trữ nước nóng của hệ thống cũng như các tổn thất nhiệt của nó, phương trình tính nhiệt độ nước bổ sung, hàm mục tiêu liên quan giữa năng lượng hữu ích và năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần hoàn của vòng lặp bộ thu v.v

Trong nghiên cứ này, một chương trình Matlab được phát triển dựa trên phương các công thức của mô hình toán học của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời cưỡng bức sử dụng bộ thu tấm phẳng để mô phỏng nhằm xác định lượng lượng tối ưu qua vòng lặp của bộ thu cũng như xác định sự ảnh hưởng của diện tích bộ thu, thể tích bình tích trữ đến năng lượng hữu ích của bộ thu và điện năng tiêu thụ cho bơm nước cấp vòng lặp bộ thu không khí năng lượng mặt trời

Tính toán, thiết kế và lắp đặt hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời cưỡng bức

là 300 lít và các bộ điều khiển đi kèm được lắp đặt tại trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM để thí nghiệm xác định giá trị lưu lượng nước tối ưu qua vòng lặp bộ thu collector tấm phẳng và các thông số liên quan khác

Kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết và thực hiện thí nghiệm dựa trên sự liên quan giữa năng lượng hữu ích và điện năng tiêu tốn cho bơm vòng lặp cho thấy rằng giá trị tối ưu của lưu lượng nước qua vòng lặp bộ thu collector tấm phẳng là 0.132(kg/s) Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng của diện tích collector, thể tích bình chứa, nhiệt độ nước bình tích trữ ban đầu và tổn thất nhiệt của bình chứa cũng được đề cập

5 Sản phẩm:

01 bài báo đăng tạp chí Quốc tế American Journal of Engineering and Technology Management (04/2018)

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Các kết quả nghiên cứu đăng ở tạp chí uy tín được trích dẫn

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

RESEARCH RESULTS OF PROJECT

1 General information:

Project title: A study on performance improvement of a solar hot water system with the flat-plate collector

Code number: T2017 - 30TĐ

Authors: Le Minh Nhut, Huynh Thi Thu Hien, Nguyen Du

Implementing institution: Hochiminh city University of Technology and Education

Duration: from January 01, 2017 to December 30, 2017

2 Objective(s):

The objective of this research is to determine the optimal flow rate of collector loop to improve the performance of a solar hot water system under real weather conditions at Ho Chi Minh City, Vietnam The optimal flow rate of flat plate collector loop is determined based on the relationship between the useful heat gain of the flat plate collectors and the electricity consumption of the collector pump

Try to follow several developed countries about one of present and future researches in fields of the a solar hot water system with the flat-plate collector

3 Creativeness and innovativeness:

The study is the first research in Vietnam and is also one of the new researches

on the world

4 Research results:

The mathematical model of a solar domestic hot water system with the flat-plate collector was developed

The solar domestic hot water system with the flat-plate collector is designed for installation on the front of central building at the Ho Chi Minh City University of Technology and Education in Ho Chi Minh City, Vietnam

Besides , a MATLAB program was developed based on the mathematical model

of a solar domestic hot water system to determine the optimal flow rate of collector loop

to improve the performance of a solar hot water system under real weather conditions at

Ho Chi Minh City, Vietnam

The result of the simulation and experiment shows that the optimal flow rate was determined at the value of 0.132(kg/s) Besides, the effects of various parameters such

as initial water temperature of storage tank, flat plate collector area and volume of storage tank are investigated Furthermore, the validation of simulation and experiment results of the progress of the water temperature in the storage tank is also evaluated

5 Products:

01 paper was published on American Journal of Engineering and Technology Management (04/2018)

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The results publishing on international journals will be cited by scientists

PHẦN 1: GIỚI THIỆU

Ngày nay khi nền kinh tế và qui mô dân số của thế giới ngày càng phát triển, đời sống con người ngày một nâng cao dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng lớn thế nhưng nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt nên các nước trên thế giới nói chung và Việt nam nói riêng đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng sạch đó

là nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời

Việt Nam là đất nước được thiên nhiên ưu đãi với bờ biển dài và nguồn ngăn lượng bức xạ mặt trời tương đối lớn, đặc biệt là khu vực phía Nam, do đó nghiên cứu tận dụng nguồn năng lượng bức xạ này để sử dụng trong công nghiệp và dân dụng là điều hết sức cần thiết nhằm giảm tiêu tốn điện năng, giảm phát thải nhà kính, giảm tải đỉnh các nhà máy điện để giảm chi phí đầu tư xây dựng mới các nhà máy nhiệt điện mới và đặc biệt

là giành nguồn điện này cho các công ty phát triển sản xuất cũng như thu hút các nhà đầu tư nước ngoài

Bên cạnh đó, hiện nay chính phủ Việt Nam đã có nhiều chính sách, luật được thông qua để khuyến khích sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng và phát triển nguồn năng lượng tái tạo như: Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả(ban hành năm 2010), nghị định qui định chi tiết biện pháp thi hành Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả(Ban hành năm 2011, QĐ/CP-2011), qui định về xử phạt hành chính trong sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả(ban hành 2013, 2013/NĐ-CP), thông tư về việc lập kế hoạch, báo cáo thực hiện kế hoạch sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả; thực hiện kiểm toán năng lượng(ban hành năm 2012, 2012/TT-BCT), quyết định về cơ chế phát triển các dự án điện năng lượng mặt trời(ban hành năm 2017, 2017/QĐ-TTg) và các qui định, nghị định khác liên quan đến năng lượng tái tạo cũng được ban hành, qua đó có thể thấy chính phủ Việt Nam rất quan tâm đến sử dụng hiệu quả năng lượng và ưu tiên phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam hiện nay, nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho sản xuất điện còn ở qui mô nhỏ lẻ tự phát do chi phí đầu tư ban đầu còn cao, do đó nguồn năng lượng này chủ yếu dung để sản xuất nhiệt, đặc biệt là sản xuất nước nóng Trong những năm gần

đây, các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời loại tấm phẳng qui môn lớn cung cấp nước nóng cho các công ty Hải sản, thực phẩm, dược, các nhà hàng, khách sạn và resort ngày càng phát triển rất mạnh mẽ bởi

Chúng ta biết rằng, hiệu suất của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều thông số như hình học của bộ thu, vật liệu bộ thu, thể tích bình tích trữ, tải nước nóng sử dụng, lưu lượng qua vòng lặp, trong đó thông số lưu lượng qua vòng lặp

bộ thu là thông số chính ảnh hưởng lớn nhất hiệu suất của hệ thống này

Hình 1.1: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bộ thu kiểu tấm phẳng của

Nhà máy gỗ Vina Eco Broad - Long An

Hình 1.2: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời bộ thu kiểu tấm phẳng của

Khách sạn Rạng Đông Tp Hồ Chí Minh

Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời qui

mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng phát triển kiểu tự mà chưa có nghiên cứu đánh giá cụ thể để xác định lưu lượng tối ưu qua vòng lặp bộ thu Do đó, việc nghiên cứu xác định lưu lượng tối ưu qua vòng lặp bộ thu nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng là điều cần thiết Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời là điều cần thiết và cấp bách

Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Về nghiên cứu nghiên cứu các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời để cấp nhiệt và cấp nước nóng cho sinh hoạt cũng như công nghiệp như:

Kroll và cộng sự [1] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống trích trũ công suất nhỏ cho nhu cầu sưởi ấm khu vực dân dận, về tính hữu ích và tính khả thi kinh tế so

mô phỏng thực hiện trong hai năm liên tục và kết luận rằng hệ thống với bình tích trữ nhỏ có thể đạt giá trị năng lượng hữu ích cho mỗi mét vuông bộ thu và năng lượng hữu ích cho mỗi mét khối bồn tích trữ tương đương với dự án quy mô lớn Orbach và các cộng sự [2] đã nghiên cứu điều khiển tối ưu lưu lượng qua vòng lặp bộ thu năng lượng mặt trời, tác giả và cộng sự đã thiết lập điều kiện cần thiết để tối ưu là đưa ra tập hợp các phương trình điều khiển tối ưu Kết quả điều khiển tối ưu của điều kiện on/off phụ thuộc vào hai điều kiện: trạng thái đo lường lưu chất của bộ thu và dữ liệu thời tiết thời tiết Furbo và cộng sự [3] báo cáo hai phương pháp được sử dụng để xác định lưu lượng tối ưu cho vòng lặp bộ thu hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời Thứ nhất, lưu lượng khối lượng qua vòng lặp bộ thu được xác định dựa trên sự liên quan của bức xạ năng lượng mặt trời chiếu đến bộ thu Tuy nhiên, tác giả kết luận rằng khi sử dụng phương pháp này thì hiệu suất tăng lên 0.8% tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm

là thiếu ổn định trong những ngày có mây do dao động của lượng bức xạ chiếu đến bề mặt bộ thu tăng giảm đột ngột Thứ hai, lưu lượng khối lượng xác định như là một hàm của sự chênh lệch giữa nhiệt độ đầu ra bộ thu năng lượng mặt trời và nhiệt độ nước tại đáy trong bình tích trữ Họ cũng kết luận rằng hiệu suất nhiệt tăng 0,9% Đối với phương pháp này, vòng lặp bộ thu năng lượng mặt trời sẽ làm việc ổn định hơn nếu lưu lượng khối lượng không phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện thời tiết, mặc dù nó cần phải được phát triển để có hiệu suất nhiệt tốt Sweet và cộng sự [4] trình bày ứng dụng của SSTES (seasonal solar thermal energy storage) cho nhà ở riêng lẻ Đặc biệt, TRNSYS được sử dụng để mô phỏng, đánh giá và tối ưu hóa hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt của mặt trời trong mùa nóng sử dụng trong mùa lạnh Kulkarni, và các cộng sự [5] nghiên cứu tác dụng bổ sung nước vào bình tích trữ hệ thống được nghiên cứu và đề

xuất biện pháp cải thiện thiết kế và hiệu suất hệ thống sưởi ấm nước bằng năng lượng mặt trời Vấn đề đã được phân tích bằng cách sử dụng phương pháp gọi là phương pháp thiết kế tiếp cận không gian Zelzouli và các cộng sự [6] trình bày nghiên cứu đánh giá hiệu suất của hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời nhiều bộ thu mắc song song Hai hệ thống được đề xuất: (1) đầu tiên, nước nóng năng lượng mặt trời trực tiếp, trong đó bao gồm bộ thu tấm phẳng và bình tích trữ, (2) thứ hai, nước nóng năng lượng mặt trời gián tiếp, trong đó thêm bộ trao đổi nhiệt bên ngoài, hệ thống này làm việc hiệu quả hơn so

thu được điều chỉnh đến 60 Tuy nhiên tác giả đã chứng minh rằng số lượng bộ thu được kết nối bị hạn chế Kavarik và Lesse [7] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết để xác định lưu lượng tối ưu qua vòng lặp bộ thu với bình tích trữ kiểu hỡ dựa trên sự liên hệ giữa năng lượng hữu ích của bộ thu và năng lượng tiêu tốn của bơm vòng lặp Winn và Hull lll [8] đã phát triển mô hình tối ưu bài toán cơ bản dựa trên hệ số dịch chuyển nhiệt, trong mô hình xây dựng này, các giá trị đo lường (ví dụ như nhiệt độ, bức xạ năng lượng mặt trời) của hệ thống không yêu cầu trước nhưng giải pháp bằng số tạo ra trạng thái với sự thay đổi thích hợp Dorato và Jamshidi, Orbach et al và Beckman et al [9-10] cũng báo cáo về điều khiển tối ưu cho hệ thống thu năng lượng mặt trời với phương pháp điều khiển đóng-mở Dorato [11] áp dụng kỹ thuật tối ưu động cho thiết kế hệ thống điều khiển năng lượng nhiệt mặt trời Áp dụng các nguyên tắc tối đa Pontryagin của năng lượng mặt trời để thiết kế hệ thống điều khiển Đây là chủ đề đặc biệt được quan tâm trong các hệ thống năng lượng mặt trời, ví dụ nguyên tắc tối đa hóa Pontryagin, tối ưu hóa tuyến tính bậc hai, điều khiển đóng-mở, tối ưu hóa định kỳ, ngẫu nhiên Salteil và Sokolov [12] đã đưa ra một phân tích số cho tối ưu lưu lượng dòng chảy của bộ thu năng lượng mặt trời đa thành phần với hai loại cấu hình: tuần hoàn và một chiều với điều kiện thời tiết được giả định là một hàm sin theo thời Năm 2008, Badescu [13] đánh giá hệ thống năng lượng mặt trời bằng việc điều khiển tối ưu lưu lượng bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng theo kiểu đóng-mở Kết quả cho thấy hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời cao hơn phương pháp điều khiển tối ưu lưu lượng không đổi Yumrutas và Unsal [14] trình bày và phân tích mô hình dự đoán hiệu suất lâu dài của hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời với bơm nhiệt và bình tích trữ Năm

2013, Nhựt và Park [15] đánh giá hệ thống năng lượng mặt trời bằng việc điều khiển

dòng chảy tối ưu cho vòng tuần hoàn bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống chân không bởi bơm biến tần Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tăng so với điều khiển đóng-

mở là 1,54% Nhut và Park[16] đã nghiên mô phỏng số để xác định công thức lưu lượng thay đổi khi qua vòng lặp dựa trên độ lớn của nhiệt độ đầu ra của bộ thu ống nhiệt chân không và nhiệt độ đáy của bình tích trữ của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nhằm cấp nước nóng và cấp nhiệt cho các hộ gia đình

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước có một số nghiên cứu tập trung các hệ thống nước nóng qui mô nhỏ kiểu tuần hoàn đối lưu tự nhiên cho các hộ gia đình điển hình là các nghiên cứu và triển khai các hệ thống nước nước nóng mặt trời của GS TS Lê Chí Hiệp, trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM có các dự án nghiên cứu điển hình như: Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời theo kiểu không truyền thống; Hoàn thiện và triển khai thiết bị cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời theo kiểu ống

về điều hòa không khí; Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ống nhiệt mặt trời để cấp

lĩnh vực nhiệt mặt trời cũng có nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm Điển hình đó là ở khu vực miền Trung, tại trường Đại học Bách Khoa Đà N ng có TS Trần Văn Vang, PGS

TS Hoàng Dương Hùng, khu vực miền Bắc, một số cơ quan như trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,Viện Năng lượng tuy nhiên các nghiên cứu này chủ yếu thu được nước

Về lỉnh vực nhiệt độ cao, PGS TS Hoàng Dương Hùng cũng đã có nghiên cứu về bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol dạng đĩa nhưng chủ yếu dùng để nấu ăn phục vụ cho đồng bào các vùng nông thôn (hình 2) TS Bùi Tuyên trường ĐH SP Kỹ Thuật Tp.HCM đã phát triển hệ thống đun sôi nước uống bằng năng lượng mặt trời (hình 3) Trong hệ thống này bộ thu năng lượng mặt trời kết hợp cả collector tấm phẳng và

Đối với các hệ thống nước nóng qui mô công nghiệp kiểu cưởng bức dùng bơm cho vòng lặp bộ thu chủ yếu phát triển tự phát mà chưa có nghiên cứu cụ thể

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Nhân loại đang bước vào thập niên đầu của thế kỷ XXI Thiếu hụt năng lượng

và vấn nạn ô nhiễm môi trường đang là những mối đe dọa sự phát triển bền vững của tất

cả các quốc gia trên thế giới Ngay cả nguồn thủy điện tưởng như vô hại đến môi trường thì nay người ta đã phải quan tâm đến những hậu quả nghiêm trọng là làm mất cân bằng sinh thái Do vậy, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới có khả năng tái taọ là hướng đi quan trọng trong quy hoạch phát triển năng lượng, đảm bảo an ninh

năng lượng cho mỗi quốc gia Trong các nguồn năng lượng này, cho đến nay, nguồn

năng lượng có tiềm năng lớn nhất là năng lượng mặt trời trực tiếp Dạng năng lượng này được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sạch,

vô tận và thân thiện với môi trường Chính vì thế việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo vào cuộc sống, sản xuất dần dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là một yêu cầu tất yếu của quá trình phát triển Những quốc gia nào đi đầu, chủ động trong công nghệ, khai thác tốt các nguồn năng lượng tái tạo về lâu về dài sẽ là những quốc gia làm chủ trong tương lai

Hiện nay ở Việt Nam, năng lượng tái tạo phát triển chủ yếu là năng lượng mặt trời (NLMT), đặc biệt là lĩnh vực ứng dụng NLMT để cấp nước nóng cho dân dụng và công nghiệp Việc ứng dụng NLMT để cấp nước nóng sẽ giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ, giảm gánh nặng tiêu thụ điện năng vào giờ cao điểm, đồng thời cũng giảm gánh nặng xây mới nhà máy điện mới Hiện nay việc ứng dụng NLMT để cấp nước nóng ở qui mô công nghiệp cho các nhà hàng, khách sạn và các nhà máy sản xuất bắt đầu phát triển mạnh mẽ trên thế giới, đặc biệt là ở Việt Nam Tuy nhiên, hiện nay hiệu suất nhiệt của các hệ thống cấp nước nóng NLMT còn thấp là do chưa xác định được vùng giá trị tối ưu của lượng lượng môi chất trung gian qua vòng lặp của bộ thu NLMT, Do vậy, việc nghiên cứu nâng cao hiệu suất rất cần thiết để giảm chi phí điện năng tiêu thụ, giúp doanh nghiệp hạ giá thành sản phẩm và nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường

Bên cạnh đó, nghiên cứu này cũng đánh giá một số thông số ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của hệ thống cấp nước nóng NLMT như giá trị nhiệt độ nước ban đầu khi vận hành, diện tích bộ thu, thể tích bình tích trữ…

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu cụ thể đạt được

* Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống cấp nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng chủ yếu tập trung nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm sự ảnh hướng của lưu lượng nước trong vòng lặp bộ thu tấm phẳng, bởi đây là thông số chính ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Bên cạnh đó, đây cũng là hệ thông cấp nước nóng bằng NLMT qui mô công nghiệp bắt đầu phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu sẽ được chuyển giao cho các công ty và doanh nghiệp đưa vào ứng dụng

* Thiết lập các công thức tính toán mô hình hóa

* Thiết kế hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

* Mô phỏng và thí nghiệm để xác định giá trị lưu lượng tối ưu của vòng lặp

* Đánh giá ảnh hưởng của các thông số như diện tích bộ thu, thể tích bình trích trữ, nhiệt độ nước ban đầu

1.3.2 Mục tiêu tổng quát

 Đặt nền tảng cho việc nghiên cứu về năng lượng cái tạo, đặt biệt là ứng dụng NLMT để cấp nước nóng tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung

tương lai về lĩnh vực ứng dụng NLMT cấp nước nóng theo hướng nghiên cứu mới hiện nay

1.4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Cách tiếp cận

- Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể

- Từ các nghiên cứu liên quan đã được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới đã được xếp hạng như SCI, SCIE hay EI, và các hội nghị quốc tế chuyên ngành, tác giả thực hiện một nghiên cứu tổng quan những đối tượng liên quan đến đề tài, từ đó tìm ra

được những vấn đề các nghiên cứu trước đã giải quyết, những vấn đề chưa giải quyết và cần giải quyết

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

- Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, tác giả nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, mô

hình hóa toán học, thiết kế hệ thống thí nghiệm, từ đó so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp với bộ thu kiểu tấm phẳng

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xác định lưu lượng tối ưu qua vòng lặp bộ thu năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp kiểu bộ thu tấm phẳng

1.6 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan về cơ sở lý thuyết trên thế giới và ở Việt Nam

- Đưa ra đề xuất, hướng nghiên cứu cho đề tài này

- Tính toán mô hình hóa lý thuyết hệ thống cấp nước nóng NLMT qui mô công nghiệp kiểu tấm phẳng

- Lập chương trình mô phỏng xác định vùng lưu lượng ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu xuất nhiệt của hệ thống (chủ yếu tập trung nghiên cứu kiểu lưu lượng qua vòng lặp bộ thu là hằng số)

- Xây dựng hệ thống thí nghiệm cấp nước nóng bằng NLMT qui mô công nghiệp kiểu tấm phẳng

- So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thí nghiệm

- Phân tích đánh giá và thảo luận

PHẦN 2: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM

2.1.1 Mô hình hóa toán học hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

* Tính cân bằng nhiệt bộ thu

Hình 2.1: Cấu tạo và mặt cắt của bộ thu tấm phẳng dạng cánh - ống

Năng lượng hữu íchQ ucủa bộ thu năng lượng mặt trời được xác định theo [19], được tính như sau:

Q u A F c R  I t U LT ciT amC T p coT ci (1)

Ở đây:

Ac: Diện tích bộ thu collector tấm phẳng (m2)

) m: lưu lượng nước qua bộ thu (kg/s)

Tci: Nhiệt độ nước vào bộ thu (o

C)

Tco: Nhiệt độ nước vào bộ thu (oC)

UL: Hệ số truyền nhiệt của bộ thu (W/m2K)

Ta: Nhiệt độ môi trường (o

C)

tổn thất nhiệt tổng thể và lưu lượng khối lượng, được tính như sau [17]:

UL, F’được cung cấp bởi Reindl et al, [18] và Bujedo et al, [19]

Tổn thất nhiệt của đường ống kết nối giữa bộ thu và bình tích trữ được tính như sau:

Q p L . D U3 pT inT a (5)

Ở đây: