Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước trong không khí, sử dụng nguồn điện trực tiếp từ pin mặt trời

Cùng sự quan tâm, yêu thương của quí thầy cô trong bộ môn, quí các anh chị khóa trước và gia đình đã giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài: “Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

CỦA SINH VIÊN

Thuộc nhóm ngành nghiên cứu: Khoa học – kỹ thuật

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2019

ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỂ NGƯNG TỤ HƠI NƯỚC

TRONG KHÔNG KHÍ, SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN

TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI

Mã số đề tài: SV2019 – 02

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

CỦA SINH VIÊN

ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỂ NGƯNG TỤ HƠI NƯỚC

TRONG KHÔNG KHÍ, SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN

TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI Mã số đề tài: SV2019 – 02

Thuộc nhóm ngành nghiên cứu: Khoa học – kỹ thuật

Giảng viên hướng dẫn: T.S LÊ MINH NHỰT

Sinh viên thực hiện: TRẦN CÔNG DANH Nam/Nữ: Nam

PHAN THANH HUY Nam/Nữ: Nam

ĐỖ NGỌC PHỤNG Nam/Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

Năm thứ: 4/ Số năm đào tạo: 4.5 Lớp: 159470A Khoá: 2015 Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2019

LỜI CẢM ƠN

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

Lời đầu tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc nhất đến TS Lê Minh Nhựt Trong suốt thời gian vừa qua, thầy luôn quan tâm và chia sẻ, chỉ dẫn cho nhóm em tận tình về những khó khăn chúng em gặp phải trong quá trình thực hiện nghiên cứu 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 quý báu sẽ là điểm tựa để chúng em có thể ứng dụng vào công việc sau này Cùng sự quan tâm, yêu thương của quí thầy cô trong bộ môn, quí các anh chị khóa trước và gia đình đã giúp

đỡ chúng em hoàn thành tốt 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”

Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn bộ quí thầy cô trong bộ môn Nhiệt – Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi, truyền đạt cho chúng em những kiến thức rất quí báu giúp cho chúng em có nền tảng

để chúng em có thể vận dụng tính toán, làm báo cáo kết quả nghiên cứu một cách tốt nhất Chúng em cũng gửi lời lời cảm ơn sâu sắc đến các anh chị khóa trước (khóa k11, k12, K13, k14) đã hỗ trợ, giúp đỡ chúng em tận tình và có những sự chỉ dẫn cần thiết để chúng em biết cách tra cứu tài liệu phục vụ cho nghiên cứu khoa học

Cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo khoa cơ khí động lực đã tạo mọi điều kiện để chúng em kịp thời khắc phục những thiếu sót trong quá trình 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 trình làm nghiên cứu 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 những thiếu 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 quốc gia trên thế giới Đặc biệt là những nơi thường xuyên phải đối mặt với hạn hán hay những nơi

có nguồn nước bị ô nhiễm, nhiễm mặn Chính vì vậy mà việc nghiên cứu khoa học kỹ thuật

để đưa ra các giải pháp nhằm khắc phục tình trạng thiếu nước là một điều hết sức cần thiết Trong đó, ngưng tụ nước từ không khí được xem như là một bước đột phá mới để đảm bảo cung cấp lượng nước cần thiết phục vụ cho con người Trong nghiên cứu này, nhóm đã đưa ra một giải pháp mới nâng cao hiệu quả của quá trình ngưng tụ nước từ không khí bằng cách sử dụng bộ làm mát nhiệt điện Peltier thông qua việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời làm nguồn phát Từ việc đưa ra phương án cho đến việc thực hiện tính toán thiết kế và chế tạo mô hình, cùng với đó là thu thập và xử lí các số liệu thông qua thực nghiệm dưới nhiều điều kiện thời tiết khác nhau (trời nắng và trời nhiều 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 ghép chính của mô hình ngưng tụ nước trong không khí Mặc dù kết quả thu được từ lượng nước ngưng là rất hạn chế, song việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời vô tận thì ta có thể mong đợi một kết quả mang tín hiệu tích cực hơn khi hệ thống làm việc ổn định qua từng 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 có liên quan đến mô hình giúp cho người đọc có một góc nhìn đa dạng và chi tiết hơn với nhiều 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 ra kết 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

4.6 So sánh kết quả thí nghiệm 74

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

5.1 Kết luận 76

5.2 Kiến nghị 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

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, oC

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

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 HÌNH ẢNH

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

Hình 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

Hình 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

Hình 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 60 Hình 4.7: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp của toàn hệ thống vào ngày nắng 61 Hình 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 62 Hình 4.9: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp toàn hệ thống vào ngày mây 63 Hình 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 64 Hình 4.11: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày nắng 65 Hình 4.12: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày mây 66 Hình 4.13: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước vào ngày mưa 67 Hình 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 68 Hình 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 69 Hình 4.16: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch hệ số làm lạnh của toàn hệ thống trong 3 trường hợp thực nghiệm 70 Hình 4.17: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ không khí đầu ra khỏi hệ thống giữa dữ liệu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng 71 Hình 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 72 Hình 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

Hình 4.20: Đồ thị so sánh kết quả giữa thí nghiệm và bài báo khoa học 25/2/2018 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2: Giá trị góc lệch theo tháng 23

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- 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 Pin mặt trời

- SV thực hiện: Phan Thanh Huy Mã số SV: 15147074

- Lớp: 159470A Khoa: Cơ Khí Động Lực

- Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5 năm

- Người hướng dẫn: T.S Lê Minh Nhựt

2 Mục tiêu đề tài:

Tính toán và thực hiện xây dựng mô hình thực tế hệ thống thu hồi nước sử dụng bộ làm mát nhiệt điện Trình bày các đặc tính thông số trạng thái và hiệu suất của toàn hệ thống và đánh giá tổng quan hiệu suất của hệ thống để từ đó điều chỉnh phù hợp và mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí

3 Tính mới và sáng tạo:

Sử dụng sử dụng nguồn năng lượng sạch (năng lượng mặt trời) để sản sinh ra dòng điện một chiều, vận hành tế bào nhiệt điện Peltier thực hiện quá trình ngưng tụ hơi nước từ không khí Mang lại nguồn nước sạch để sử dụng mà không có sự tốn kém về chi phí tiền điện

4 Kết quả nghiên cứu:

Đánh giá sự ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên đến quá trình ngưng tụ hơi nước từ không khí, lượng nước ngưng tụ được trong 6h vận hành hệ thống liên tục (từ 9h – 15h) và đối chiếu kết quả thí nghiệm với các kết quả của các bài báo liên quan

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Dùng làm nguồn tham khảo cho sinh viên trong trường, cho các công ty muốn triển khai hệ thống Ứng dụng vào các hộ gia đình, cơ sở kinh doanh, trường học, xí nghiệp…

để tiết kiệm hiệu quả việc sử dụng điện năng trong các hộ gia đình

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu

có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài

(phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày tháng 9 năm 2019

Xác nhận của Trường

(kí tên và đóng dấu)

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 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 chuyển thành nhiệt rồi chuyển thành điện năng cung cấp cho các hoạt động con người Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 hàng năm, theo ước tính rằng các 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 lượng hóa thạch gây tác động rất lớn đến môi trường mà vấn đề biến đổi khí hậu được quan tâm, hiện nay các nước trên thế giới đang đưa ra các chiến lược đối phó trong đó có Việt 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 2015 chiếm 81,5 %, số còn lại là năng lượng tái tạo Do đó, lượng khí thải CO2 cũng đang tăng lên với con số gấp đôi, gấp ba điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến ô nhiễm môi trường

và biến đổi khí hậu toàn cầu

Chính vì thế việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa thạch là vấn đề cấp thiết hiện nay Thế giới hiện nay đang nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng sóng, năng lượng thuỷ triều… Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên 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 lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập Theo bách khoa toàn thư: Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học Chúng là một nguồn năng lượng sạch, không gây

ô nhiễm không khí, và không đóng góp vào sự nóng lên của 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 thể nói nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, có thể sản xuất điện năng hay nước nóng

Việt Nam, một quốc gia sử dụng nhiên liệu hóa thạch để phục vụ nhu cầu năng lượng 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 vào lĩnh vực năng lượng gió, năng lượng mặt trời tại các tỉnh miền Trung và Nam Bộ Cụ thể, hiện nay có hàng loạt dự án đầu tư tại tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận của Việt Nam Ở Việt Nam tuy chúng ta đang chỉ ứng dụng thử nghiệm cách đây vài năm nhưng theo các báo cáo cho thấy thì tiềm năng về lĩnh vực năng lượng mặt trời rất lớn 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 độ năng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2/ngày Số giờ nắng trung 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 2.600 giờ 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 các phương 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 công nghiệp thế giới, cụ thể là năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng sạch và không bao giờ cạn kiệt Các quốc gia đang có những chương trình hành động để giảm thiểu biến đổi khí hậu, do đó chúng ta có thể thấy rõ sản lượng điện từ năng lượng của các quốc gia 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 như than, dầu, khí tự nhiên ở mức thái quá và gần như phụ thuộc vào chúng trong suốt 30 năm qua Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng sạch và có sẵn trong tự nhiên như nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, sóng các nguồn năng lượng thuộc nhóm năng lượng 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 nguồn nhiên liệu lỏng như xăng, dầu hay các loại nhiên liệu lỏng khác vẫn có xu hướng tăng cao Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo được con người khai thác và phát triển rất mạnh trong 20 năm tới, giai đoạn chuyển giao mức độ khai thác mạnh mẽ nguồn năng lượng 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 hạn chế

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 khoảng 5,5

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 cam kết

về các hiệp định giảm thiểu ô nhiễm nhà kính, do đó pin mặt trời được áp dụng rất nhiều ở những quốc gia này Sự hỗ trợ mạnh mẽ của chính phủ trong các dự án như: pin mặt trời ở trên nóc tàu cao tốc hay dự án kết hợp tuabin gió kết hợp với pin mặt 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 hiện sự quyết tâm nghiêm túc của các quốc gia

Chi phí đầu tư cho một số công nghệ năng lượng mặt Trời đang giảm nhanh Ở nhiều quốc gia, giá của năng lượng tái tạo hiện nay rất cạnh tranh so với năng lượng hóa 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 một

giải pháp để tăng thu nhập, cải thiện cán cân thương mại, đóng góp cho phát triển công nghiệp và tạo ra việc làm

Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn

đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu Đây là vấn đề mà cả thế giới đang rất quan tâm Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn 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 từ những năm 90, tuy nhiên đa số chỉ ở quy mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc khai 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, với điều kiện kinh tế đã tốt hơn, nhu cầu của con người cũng tăng, hệ thống các bộ thu năng lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến hơn, không chỉ ở thành thị mà còn ở các vùng nông thôn, những nơi có điều kiện nắng tự nhiên tốt Các hộ gia đình và doanh nghiệp sẵn lòng đầu tư vào bộ thu không khí sử dụng năng lượng mặt trời vì có thể tiết kiệm hoá đơn tiền điện Cho đến nay, công nghệ sản xuất thiết bị collector tấm phẳng bằng năng lượng mặt trời có thể dễ dàng huy động vốn đầu tư từ thành phần kinh tế tư nhân Tuy nhiên, nhìn chung việc ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam vẫn chưa

cao, do ý thức của người dân về sử dụng năng lượng tái tạo còn hạn 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 thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150 - 200 năm Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng

tự nhiên này có thể còn hết trước thế giới một vài chục năm Trong bối cảnh đó, các chuyên 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 yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Điện hạt nhân còn đang trong quá 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 ai cũng 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 bình quân toàn câu Đáng báo động hơn, Bộ Tài nguyên và Môi trường dự đoán con số bình quân trên sẽ giảm một nửa vào năm 2025 Hiểu được tầm quan trọng của sự thiếu hụt tài nguyên nước, bên cạnh việc sử dụng một cách hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên nước thì các nghiên cứu khoa học hướng đến việc sản xuất nước sạch được xem như là một bước tiến lớn để giải quyết bài toán thiếu hụt nước sạch cho thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

Vấn đề về nước, đặc biệt là nước sạch hiện nay đang trở thành vấn đề bức thiết, nhận được sự quan tâm không chỉ ở phạm vi một quốc gia, một khu vực mà đang là vấn đề được quan tâm trên phạm vi toàn cầu Nhận thức được tầm quan trọng của 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 và đoàn thể tham gia thực hiện Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi 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 sinh hoạt đạt QCVN 02:2009/BYT chỉ đạt 44% Nhiều vùng nông thôn, miền núi, hải đảo vẫn còn rất khó khăn về nước uống và nước sinh hoạt Cùng với đó là tình trạng lãng phí 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 trái đất là nước, nhưng nước không là phải là tài nguyên vô hạn Không chỉ ở Việt Nam mới phải đối mặt với tình trạng nguồn nước ngày càng khan hiếm mà ở rất nhiều nơi trên thế giới cũng đang gặp phải điều này Thiếu nước làm cho sự sống của con người và các sinh vật khác lâm vào tình trạng nguy hiểm bởi nước là một trong những yếu tố không thể thiếu để duy trì sự sống trên trái đất Vậy, nguyên nhân do đâu mà nguồn nước ngày càng khan hiếm?

Một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến tình trạng khan hiếm nước là hiện tượng trái đất càng ngày càng nóng lên khiến cho các đợt khô hạn xảy ra thường xuyên

và ở nhiều nơi hơn Nhiều nơi, sông suối cạn khô, con người và các loại động thực vật không có nước để sinh hoạt, các hoạt động sản xuất ở các khu vực hạn hán cũng tạm ngừng hoạt động Hiện tượng biến đổi khí hậu làm đảo lộn việc phân bổ mưa 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 cho nguồn nước khan hiếm Vốn dĩ, trữ lượng nước ngầm chiếm 30% lượng nước dự trữ của trái đất Tuy nhiên theo thực tế, lượng nước được lấy đi vượt quá lượng nước được bổ sung nên theo dự báo của các chuyên gia, chỉ khoảng vài chục năm nữa nhiều 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 một cách “chóng mặt” khiến lượng nước dự trữ cũng sụt giảm đáng kể Ngoài ra, việc nước 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 thiếu nước 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 giữ được 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 này thì 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 trình tạo

ra nước sạch dễ dàng hơn, rẻ hơn và dễ di chuyển đến những vùng thiếu nước sạch Các giải pháp này đều xuất phát từ việc ngưng tụ nước từ sương, biến nước biển 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 dụng như 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 sự chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng và ngược lại, chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng chính là đối tượng mà đề tài nghiên cứu hướng đến Tế bào nhiệt điện Peltier được ra đời với

sự phát triển của công nghệ bán dẫn, đối với loại tế bào nhiệt điện chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng thì đây được xem như là một cơ hội để ứng dụng nguyên lý chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng sản xuất nước sạch Một điều 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 quả còn 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… để cung 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 độ nắng mặt trời lớn như các vùng hải đảo, vùng ven biển, vùng đồi núi cao… Dùng làm nguồn tham khảo cho sinh viên trong trường, cho các công ty muốn triển khai hệ thống Có thể ứng dụng trong nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cung cấp nước sạch 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 sử dụng điện từ năng lượng mặt trời hiệu quả mà không cần dùng điện lưới cao thế cần được nghiên cứu ứng dụng để đáp ứng nhu cầu cho sinh hoạt và công nghiệp Việc tính toán

mô hình hóa là rất cần thiết và quan trọng, vì nó giúp cho việc tính toán thiết kế, so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm để từ đó dễ dàng cải thiện hiệu suất của hệ thống Bên cạnh đó nghiên cứu này có thể ứng dụng trong đào tạo sinh viên chuyên ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt, cũng như chuyển giao cho các công ty chuyên 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 cập đến việc sử dụng tế bào nhiệt điện Peltier được cấp nguồn thông qua các tấm pin mặt trời để ngưng tụ hơi nước trong không khí Đây được xem như là một thiết bị thân thiện với môi trường và thích hợp cho việc sử dụng nước sạch ở các trạm y tế vùng núi cao hẻo lánh

Nhóm Water Team, gồm bốn sinh viên khoa vật lý và một sinh viên khoa quản trị kinh doanh của Trường ĐH Quy Nhơn Đinh Thành Tấn là trưởng nhóm, các thành 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 làm bằng thép không gỉ, nồi chưng cất nước biển bằng thủy tinh, bơm tự động sử dụng năng lượng mặt trời để lấy nước biển vào nồi chưng cất và chất xúc tác hạt nano titan nitrua (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 sản xuất nước sạch như Ấn Độ, Áo, Hoa Kỳ… Abhay Bendekar và các cộng sự [13] đã thực hiện tính toán và mô phỏng thiết bị ứng dụng tế bào nhiệt điện Peltier dùng pin năng lượng mặt trời để ngưng tụ nước V P Joshi cùng các cộng sự [30] đã thực hiện một cuộc khảo sát thực nghiệm, mô tả chi tiết hệ thống thiết bị sản xuất nước bằng cách sử dụng thiết bị làm lạnh bởi hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng Peltier) Từ kết quả thu được của cuộc khảo sát thực nghiệm, V P Joshi đã đưa ra kết luận rằng lượng nước thu được tỉ lệ thuận với lượng hơi nước chứa trong một lưu lượng không khí nhất định, càng tăng lưu lượng không khí thì càng tăng lượng nước thu được Đồng thời, 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 quá trình làm việc của bộ làmmát dưới nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau (nhiệt trở, lưu lượng, nhiệt độ, hệ số Seebeck ) Qua đây, chúng ta cũng thấy được rằng, việc nghiên cứu và phát triển tế

bào nhiệt điện Peltier đã và đang rất phổ biến ở một số các 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 thiết hiện nay đối với Việt Nam nó riêng và thế giới nói chung Đây sẽ là một bước tiến về mặt công nghệ mang đây hứa hẹn bởi các tính năng ưu việt của tế bào nhiệt điện Peltier 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 tương lai

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 cho người tiêu dùng Nhưng chính nguồn bức xạ rất lớn tại những khu vực lại là điểm mạnh 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 sử dụng 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 từ mặt 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 nước trong không khí chính là dạng vật chất thứ 3 Tuy nhiên, hơi nước hoàn toàn có thể chuyển đổi trạng thái từ pha khí sang pha lỏng bởi một quá trình gọi là quá trình đọng sương, như thế nhiệt độ của không khí trong môi trường tự nhiên của nó phải được làm lạnh 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, hiện tượng đọng sương trong ngành kỹ thuật điều hòa không khí được thể hiện rõ rệt nhất là tại các FCU, dàn bay hơi của máy lạnh dân dụng Vì tại các thiết bị này có dàn ống đồng được làm lạnh rất hiệu quả bởi môi chất lạnh ở nhiệt độ khoảng 5 ÷ 7 oC do đó quá trình đọng 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 – Seebeck với nguyên tắc hoạt động và làm việc như một bơm nhiệt thu nhỏ Là sư chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, trên một số kết nối kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau Kết nối này thường gọi là cặp nhiệt điện Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại Hiệu ứng này là cơ

sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và pin nhiệt điện, không có các bộ phận chuyển 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 các tấm gốm Vật liệu gốm ở cả hai mặt của mô-đun nhiệt điện giúp tăng thêm độ cứng và cách 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 có nhiều 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 từ một phía của điểm nối sang phía khác, dẫn đến một mặt trở nên lạnh hơn và mặt phía bên kia nóng lên Tại bề mặt lạnh, năng lượng (nhiệt) được các electron hấp thụ khi chúng chuyển từ mức năng lượng thấp trong phần tử bán dẫn loại p sang mức năng lượng cao hơn 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 xuống mức năng lượng thấp hơn (loại p) Đây được gọi là hiệu ứng Peltier Do đó, một TEC hoạt 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 phí lâu dài về nguồn điện duy trì hoạt động cho Peltier cũng như tận dụng được nguồn năng lượng 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 thái lỏng Quá trình này diễn ra khi nhiệt độ của hơi nước giảm đến nhiệt độ bão hòa Có 3 trường 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 trực tiếp của pha hơi đối với bề mặt vật rắn để nhả nhiệt ẩn hóa hơi cho vách nên cường độ tỏa 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, sử dụng 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 ở trạng 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 Mặt khác, lượng nhiệt ở bề mặt nóng sẽ được giải nhiệt để tránh sự tác động truyền nhiệt trở lại sang

bề mặt lạnh Từ đó cho thấy công suất làm lạnh của bộ làm mát nhiệt điện phần lớn phụ thuộc vào nguồn điện cấp và công suất giải nhiệt ở bề mặt nóng Và chính công suất làm lạnh của bộ làm mát nhiệt điện sẽ quyết định lượng nước ngưng tụ thu được trong hệ thống

 Các công thức tính toán

Tính toán hệ thống ngưng tụ nước từ không khí với nhiệt độ - độ ẩm tại thành phố Hồ Chí Minh, thời gian thí nghiệm 6h/ ngày:

Nhiệt độ môi trường: tkk = 31oC

Độ ẩm môi trường: RH = 80 %

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 trong ngày, Wh

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

Wp = 𝑃𝑉

𝑃𝐺𝐹 , 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 trung bình theo từng tháng Theo tổng cục khí tượng Việt Nam ngày 31/10/2018, thì trung 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 = 𝑊𝑝

WSLC: Số Wp của một tấm pin mặt trời

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

β = |Փ – δ|, độ (2.6) Trong đó:

Փ: Góc nghiêng tối ưu theo tháng, độ

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:

𝜑: độ ẩm tương đối, %;

pb: áp suất bão hòa, bar

- Công thức tính phân áp suất hơi nước

pa = 𝐵×𝑑

0.621 + 𝑑, bar; (2.10) Trong đó:

B: áp suất khí trời, bar;

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 sử dụng nước của một số vùng khó khăn về nguồn nước và những vùng thuộc kiểu khí hậu 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 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

Về nguồn điện:

- Điện áp của 2 quạt tản nhiệt:

 Điện áp định mức: Vđm = 12 VDC

 Cường độ dòng điện định mức: Iđm = 0.25 A

 Điện áp hoạt động: Vhđ = 10.8 ÷ 13.2 VDC

 Điện áp khởi động: Vkđ = 7 VDC

 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

 Điện áp khởi động: Vkđ = 3 VDC

- Thông số điện áp của quạt tạo dòng không khí:

 Điện áp định mức: Vđm = 5 VDC

 Đường độ dòng điện định mức: Iđm = 0.25 A

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

Hệ thống được tính toán và thiết kế hoạt động trong 6h (từ 9h00 đến 15h00)

Quạt bộ tản nhiệt SE – 207:

- Công suất tiêu thụ điện của 2 quạt

Pfan = U.I.n = 12 0.25 2 = 6, W

- Công suất tiêu thụ điện trong ngày:

P2 = Pfan 6 = 6 6 = 36, W

Quạt tạo dòng không khí:

- Công suất tiêu thụ điện:

Chọn hệ số an toàn cho cho các tấm Pin năng lượng mặt trời: 1.3

Số Wh các tấm Pin mặt trời phải cung cấp:

Số tấm Pin năng lượng mặt trời, chọn loại Pin năng lượng mặt trời Mono Solarcity 100W,

do đó số tấm Pin năng lượng mặt trời cần thiết để cấp nguồn cho hệ thống là:

n = 𝑊𝑝

𝑊𝑆𝐿𝐶 =

183.81

100 = 1.84

Chọn 2 tấm Pin năng lượng mặt tời Mono Solarcity 100W

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

2.3.1 Đưa ra phương án thiết kế

Ta sẽ thiết kế hệ thống với bộ khung kim loại được làm từ vật liệu sắt, phía trên sẽ lắp 2 tấm Pin năng lượng mặt trời với góc nghiêng bằng 140, phần giữa khung kim loại

sẽ là hệ thống làm lạnh ngưng tụ hơi nước Hệ thống ngưng tụ hơi nước gồm có buồng lạnh, bộ làm mát IDC – cooling SE – 207 được lắp ở phía trên, bề mặt làm mát của bộ làm mát tiếp xúc với mặt nóng của Peltier, mặt lạnh của sẽ tiếp xúc với nhôm tản nhiệt

để làm lạnh nhôm dưới nhiệt độ đọng sương của nước Vị trí lắp đặt của Peltier và nhôm tản nhiệt nằm bên trong ống gió với quạt cấp được đặt ở phía đầu ống Và cuối cùng là

tủ điện được đặt bên cạnh

Chọn các thiết bị với thông số kích thước:

- Buồng lạnh ống gió: gồm có nhôm tản nhiệt và Peltier Kích thước buồng lạnh: L

Thông số làm việc của các thiết bị lắp đặt

- Công suất điện: 200 W

- Công suất giải nhiệt: 200 W

- Công suất lạnh định mức của Peltier: 150 W

- Nhiệt độ làm lạnh nhôm thấp tối thiểu: 0 oC

- Lưu chất: không khí, chọn thông số trung bình lúc 9h00 sáng, vào lúc độ ẩm cao nhất

 Nhiệt độ - độ ẩm không khí đầu vào: tkk = 31oC, RH = 80%

 Nhiệt độ đọng sương của không khí: tDP = 27.36oC

 Lưu lượng khối lượng không khí cấp: Vkk = 2.3 x 10-3, kg/s

- Kích thước dự tính:

 Bộ khung tổng quan của hệ thống theo kích thước thẳng:

L x W x H = 1.27 x 0.81 x 1.22, m

 Độ nghiêng của Pin năng lượng mặt trời: 14o

- Tháp giải nhiệt đôi, 7 ống nhiệt ∅6 mm với kích thước tổng thể:

L x W x H: 122mm x 139mm x 159mm

2.3.2 Tính toán thiết kế hệ thống

 Tính toán góc nghiêng Pin mặt trời

Góc tới của ánh sáng mặt trời thay đổi trong suốt cả năm do vòng quay của trái đất quanh trục chính của nó và quay theo quỹ đạo elipolic của nó Trong khi ánh sáng

mặt trời chiếu xuống trái đất với góc dốc trong mùa hè ở Bắc bán cầu, nó rơi với góc nông vào mùa đông

Theo tài liệu [11], góc lệch β (tilt angle) là góc nghiêng của pin mặt trời theo phương nằm ngang Góc này là hướng nam ở Bắc bán cầu và hướng bắc ở Nam bán cầu Góc nghiêng thay đổi trong khoảng 0o ≤ β ≤ 180o Khi một mặt phẳng được quay ngang quanh trục đông – tây với một lần hiệu chỉnh mỗi ngày Góc nghiêng của

bề mặt được hiệu chỉnh mỗi ngày và được tính toán theo công thức: β = |Փ – δ|

Hình 2.3: Góc lệch của đường xích đạo theo phương ngang Nguồn [20]

Góc lệch δ = 23.45 × Sin (360

365×(284 + n)) = 23.45× Sin(360

365.(284 + 162)) ≈ 2o

Hình 2.4: Góc nghiêng của Pin mặt trời theo phương ngang Nguồn [20]

Chọn Փ tại tháng 6 có giá trị 16.02o

Góc nghiêng của pin năng lượng mặt trời:

β = |Փ – δ| = |16.02 – 2| = 14.02o

Vậy góc nghiêng đặt pin năng lượng mặt trời là 14o

 Tính toán công suất làm lạnh thực nghiệm được

Từ mô hình thực nghiệm, ta đo được các thông số trung bình vào lúc 9h00 sáng

- Vận tốc gió cấp vào: v = 0.55 m/s