Nghiên cứu mô phỏng số và mô phỏng bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc

Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

LÝ LỊCH KHOA HỌC………………………………………………………………....i
LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………………..iii
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………………....iv
TÓM TẮT………………………………………………………………………….......v
ABSTRACT…………………………………………………………………………...vi
MỤC LỤC………………………………………………………................................vii
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU………………………………………………………...x
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ………………………………………………………..xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG…………………………………………………………..xv
Chƣơng 1 TỔNG QUAN .............................................................................................. 1
1.1Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan ................................................................... 1
1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lƣợng trên thế giới và ở nƣớc ta ........................ 1
1.1.2 Nhu cầu sử dụng bộ thu khơng khí dùng năng lƣợng mặt trời .............................. 7
1.1.3 Khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu ............................................................. 7
1.2 Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 19
1.3 Mục đích của đề tài ................................................................................................. 21
1.4 Nhiệm vụ , đối tƣợng và giới hạn của đề tài .......................................................... 21
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài.............................................................................................. 21
1.4.2 Đối tƣợng nghiên cứu........................................................................................... 21
1.4.3 Giới hạn của đề tài ............................................................................................... 21
1.5 Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................. 22
1.5.1 Phƣơng pháp nghiên cứu...................................................................................... 22

1.5.2 Phƣơng pháp tiếp cận ........................................................................................... 22

vii


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 23
2.1Tổng quan chung về nguồn năng lƣợng mặt trời ..................................................... 23
2.1.1 Mặt trời ............................................................................................................................ 23
2.1.2 Nguồn bức xạ mặt trời ..................................................................................................... 25
2.2 Lý thuyết về năng lƣợng bức xạ mặt trời ............................................................................ 28
2.2.1Tính tốn năng lƣợng mặt trời .......................................................................................... 28
2.2.2 Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ ............................................................................... 28
2.3 Lý thuyết tính tốn bộ thu ................................................................................................... 31
2.3.1 Kết cấu bộ thu tấm phẳng gia nhiệt khơng khí ............................................................... 31
2.3.2 Tính tốn nhiệt bộ thu tấm phẳng .................................................................................... 32
2.3.3 Tính hiệu suất bộ thu ....................................................................................................... 41

Chƣơng 3 MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT BỘ THU KHƠNG
KHÍ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÁCH SĨNG DỌC.......................................... 43
3.1 Giới thiệu về phần mềm Comsol multyphysics 5.2a .......................................................... 43
3.2 Giải bài tốn mơ phỏng bằng phƣơng pháp số ................................................................... 44
3.2.1 Các bƣớc thực hiện bài tốn mơ phỏng số ....................................................................... 44
3.2.2 Phƣơng pháp dùng để giải bài toán truyền nhiệt ............................................................. 45
3.3 Mơ tả bài tốn ..................................................................................................................... 46
3.4 Điều kiện biên ..................................................................................................................... 46
3.5 Mơ tả hình học .................................................................................................................... 48

3.5.1 Hộp thu bên ngồi ............................................................................................................ 48
3.5.2 Cánh sóng dọc .................................................................................................................. 49
3.5.3 Bộ gom khơng khí............................................................................................................ 49
3.5.4 Kính phủ .......................................................................................................................... 50
3.5.5 Khối khơng khí ................................................................................................................ 50
3.6 Các bƣớc mơ phỏng bức xạ bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc ........... 51
3.7 Các bƣớc mô phỏng đối lƣu bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc ........... 57
3.8 Kết quả mô phỏng đối lƣu bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc ............. 63
3.8.1 Kết quả hình dạng dịng chảy .......................................................................................... 63

viii


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

3.8.2 Kết quả phân bố vận tốc .................................................................................................. 68
3.8.3 Kết quả nhiệt độ không khí trong bộ thu ......................................................................... 69
3.8.4 Kết quả mơ phỏng bức xạ ................................................................................................ 72
3.8.5 Kết quả mô phỏng truyền nhiệt bộ thu khơng khí dạng tấm phẳng ................................. 75

Chƣơng 4 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ................................................................... 76
4.1 Mơ tả hệ thống thiết bị thực nghiệm ....................................................................... 76
4.2 Cấu tạo bộ thu ......................................................................................................... 79
4.3 Lắp đặt bộ thu ..................................................................................................................... 83
4.4 Các thiết thị đo .................................................................................................................... 85
4.5 Phƣơng pháp thí nghiệm ..................................................................................................... 89
Chƣơng 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................ 90
5.1 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ không khí ......................................... 90

5.2 Kết quả thực nghiệm phân bố nhiệt độ khơng khí trong các kênh dẫn ............................... 91
5.3 Đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất bộ thu vách sóng dọc ................................. 92
5.3.1 Cấu trúc hình học của cánh .............................................................................................. 92
5.3.2 Chiều cao cánh ................................................................................................................. 93
5.3.3 Ảnh hƣởng số lƣợng cánh và lƣu lƣợng đến hiệu suất .................................................. 94
5.3.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng đến hiệu suất bộ thu ..................................................... 96
5.3.5 Ảnh hƣởng cƣờng độ bức xạ đến hiệu suất bộ thu những ngày nắng.............................. 97
5.3.6 Ảnh hƣởng cƣờng độ bức xạ đến hiệu suất bộ thu những ngày có mây.......................... 98
Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 99
6.1 Kết luận ............................................................................................................................... 99
6.2 Kiến Nghị .......................................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 101
PHỤC LỤC .. .......................................................................................................................... 104

ix


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ac

Diện tích bộ thu, m2.

Cp

Nhiệt dung riêng của khơng khí, J/kg độ

Eng

Bức xạ ngồi khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vng góc,W/m2

h

Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu, W/m2.K

H

Năng lƣợng bức xạ trên một đơn vị diện tích, W/m2

k

Hệ số dẫn nhiệt, W/m.K

m

Lƣu lƣợng khối lƣợng, Kg/s

QL

Năng lƣợng tổn thất, W

Qu

Năng lƣợng hữu ích của bộ thu, W

Qs

Năng lƣợng tích trữ, W

Rb

Hệ số dịch chuyển nhiệt bộ thu

Ta

Nhiệt độ môi trƣờng

Tin

Nhiệt độ khơng khí đầu vào bộ thu,

Tout

Nhiệt độ khơng khí đầu ra bộ thu,

Tp

Nhiệt độ tấm hấp thụ,

Ub

Hệ số tổn thất nhiệt qua mặt đáy của bộ thu,W/m2.K

Ue

Hệ số tổn thất nhiệt qua mặt bên của bộ thu,W/m2.K

Ut

Hệ số tổn thất qua nhiệt mặt trên của bộ thu,W/m2.K
Góc vĩ độ,
Góc nghiêng,
Góc giờ mặt trời,
Góc lệch,
Góc tới,
Góc phƣơng vị,

x


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lƣợng của thế giới từ 1970-2025 ................................ 1
Hình 1.2 Tiêu thụ năng lƣợng phân theo khu vực từ 1970-2015 .............................. 2
Hình 1.3 So sánh diễn biến giá dầu thế giới năm 2003-2004 ..................................... 2
Hình 1.4 Mức tiêu thụ các nguồn năng lƣợng của thế giới 1970-2025 ..................... 3
Hình 1.5 Lƣợng khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lƣợng hóa thạch ................ 4
Hình 1.6 Tiêu thụ năng lƣợng thế giới theo nguồn năng lƣợng ................................ 5
Hình 1.7 Biểu đồ tiêu thụ năng lƣợng thế giới của các nguồn năng lƣợng (%) ...... 5
Hình 1.8 Bộ thu kiểu tấm chắn ngang ......................................................................... 7
Hình 1.9 Bộ thu kiểu bề mặt tấm hấp thụ nhám ........................................................ 9
Hình 1.10 Bộ thu kiểu cánh ngang kết hợp tấm hấp thụ kiểu lƣới ........................ 10
Hình 1.11 Bộ thu kiểu nếp gấp ................................................................................... 10
Hình 1.12 Bộ thu kiểu hai dịng ................................................................................. 12

Hình 1.13 Bộ thu kiểu cánh xen kẽ ............................................................................ 13
Hình 1.14 Bộ thu kiểu tấm hấp thụ gấp nếp ............................................................. 14
Hình 1.15 Bộ thu kiểu cánh gây rối dịng chảy......................................................... 14
Hình 1.16 Bộ thu kiểu cánh song song ...................................................................... 15
Hình 1.17 Bộ thu kiểu khối cầu .................................................................................. 16
Hình 2.1 Mặt cắt ngang mặt trời ............................................................................... 24
Hình 2.2 Góc nhìn mặt trời ........................................................................................ 26
Hình 2.3 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời ................................... 30
Hình 2.4 Cấu tạo bộ nung khơng khí có kênh dẫn ................................................. 31
Hình 2.5 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa tấm kính phủ và tấm hấp thụ ...................... 32
Hình 2.6 Quy ƣớc các góc ........................................................................................... 35
Hình 2.7 Mạng lƣới nhiệt trở trong bộ thu tấm phẳng ........................................... 37

xi


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 3.1 Các bƣớc thực hiện bài tốn mơ phỏng ..................................................... 44
Hình 3.2 Hộp thu của bộ thu ...................................................................................... 48
Hình 3.3 Cánh sóng dọc .............................................................................................. 49
Hình 3.4 Bộ chia khơng khí ........................................................................................ 49
Hình 3.5 Kính phủ ....................................................................................................... 50
Hình 3.6 Khối khơng khí ............................................................................................ 50
Hình 3.7 Chọn Module truyền nhiệt bức xạ ............................................................. 51
Hình 3.8 Lựa chọn lời giải ......................................................................................... 52
Hình 3.9 Thiết lập hàm bức xạ q(t) ........................................................................... 54
Hình 3.10 Thiết lập mơ hình mơ phỏng .................................................................... 54

Hình 3.11 Thiết lập Module........................................................................................ 55
Hình 3.12 Thiết lập điều kiện biên bề mặt khuếch tán ............................................ 56
Hình 3.13 Chọn điều kiện biên nguồn nhiệt ............................................................. 56
Hình 3.14 Chia lƣới ..................................................................................................... 57
Hình 3.15 Thiết lập module truyền nhiệt đối lƣu ..................................................... 58
Hình 3.16 Thiết lập điều kiện biên ban đầu .............................................................. 60
Hình 3.17 Thiết lập điều kiện biên vách.................................................................... 60
Hình 3.18 Thiết lập điều kiện biên biên đầu vào ...................................................... 61
Hình 3.19 Thiết lập điều kiện biên bề mặt hấp thụ .................................................. 61
Hình 3.20 Chia lƣới ..................................................................................................... 62
Hình 3.21 Hình dạng dịng chảy cánh bán kính cung R = 50mm, chiều dài cung
L=210.40mm ................................................................................................................ 63
Hình 3.22 Hình dạng dịng chảy cánh bán kính cung R = 90mm, chiều dài cung
L=264.77mm ................................................................................................................ 64
Hình 3.23 Phân bố nhiệt độ kiểu dịng có tồn tại xốy khí ...................................... 65
Hình 3.24 Phân bố nhiệt độ kiểu dịng có tồn tại xốy khí ...................................... 65

xii


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 3.25 Hình dạng dịng chảy cánh bán kính cung kính R=20mm,chiều dài cung
L=183.82mm ................................................................................................................ 67
Hình 3.26 Vận tốc phân bố trong bộ thu................................................................... 68
Hình 3.27 Nhiệt độ khơng khí tại thời điểm 7h ........................................................ 69
Hình 3.28 Nhiệt độ khơng khí tại thời điểm 9h ........................................................ 70
Hình 3.29 Nhiệt độ khơng khí tại thời điểm 11.6h ................................................... 71

Hình 3.30 Nhiệt độ tấm hấp thụ tƣơng ứng thời điểm ban đầu ............................. 72
Hình 3.31 Nhiệt độ tấm hấp thụ tƣơng ứng thời gian 9h ....................................... 73
Hình 3.32 Nhiệt độ tấm hấp thụ tƣơng ứng thời gian 11.5h ................................... 74
Hình 3.33 Kết quả mơ phỏng bức xạ bộ thu tấm phẳng.......................................... 75
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................ 77
Hình 4.2 Kích thƣớc mặt cắt ngang ........................................................................... 78
Hình 4.3 Cấu tạo bộ thu ............................................................................................. 78
Hình 4.4 Thiết bị thực tế ............................................................................................. 79
Hình 4.5 Kính phủ ....................................................................................................... 80
Hình 4.6 Chế tạo cánh sóng dọc ................................................................................. 81
Hình 4.7 Vật liệu cách nhiệt ....................................................................................... 82
Hình 4.8 Quạt hƣớng trục .......................................................................................... 83
Hình 4.9 Vị trí lắp đặt bộ thu ..................................................................................... 84
Hình 4.10 Máy đo bức xạ ............................................................................................ 85
Hình 4.11 Cách đo bức xạ........................................................................................... 86
Hình 4.12 Máy đo tốc độ gió ....................................................................................... 87
Hình 4.13 Máy đo nhiệt độ ......................................................................................... 88
Hình 4.14 Cách đo nhiệt độ ........................................................................................ 80
Hình 4.15 Dimer .......................................................................................................... 89
Hình 5.1 Thay đổi của cƣờng độ bức xạ mặt trời theo thời gian trong ngày ........ 90
Hình 5.2 Phân bố nhiệt độ khơng khí trong các kênh ............................................. 91

xiii


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 5.3 Thơng số kích thƣớc lƣợn sóng .................................................................. 92

Hình 5.4 Ảnh hƣởng giữa tỉ lệ chiều dài cung cánh và bƣớc sóng ......................... 92
Hình 5.5 Ảnh hƣởng của chiều cao cánh đến hiệu suất ........................................... 93
Hình 5.6 Ảnh hƣởng số lƣợng cánh và lƣu lƣợng đến hiệu suất ........................... 94
Hình 5.7 Ảnh hƣởng trung bình nhiệt độ mơi trƣờng đến hiệu suất ..................... 96
Hình 5.8 Ảnh hƣởng trung bình cƣờng độ bức xạ những ngày nắng đến hiệu suất
....................................................................................................................................... 97
Hình 5.9 Ảnh hƣởng trung bình cƣờng độ bức xạ những ngày có mấy đến hiệu
suất ................................................................................................................................ 98

xiv


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Số liệu cƣờng độ bức xạ mặt trời tại bề mặt hấp thụ ............................. 53
Bảng 3.2 Nhiệt độ không khí đầu vào và nhiệt độ tấm hấp thụ ............................. 58
Bảng 3.3 Thiết lập domain và thiết lập vật liệu ....................................................... 59
Bảng 3.4 Thiết lập biên cho mơ hình ........................................................................ 59

xv


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Chƣơng 1: TỔNG QUAN

1.1Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan
1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lƣợng trên thế giới và ở nƣớc ta
 Nhu cầu sử dụng năng lƣợng trên thế giới:
* Tình hình năng lƣợng thế giới:
Vào đầu thế kỷ thứ 21 thế giới đang đứng trƣớc nhiều vấn đề cần phải đối mặt.
Trong đó, vấn đề đƣợc xem là nóng bỏng nhất chính là sự khủng hoảng về năng lƣợng.
Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lƣợng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24
năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lƣợng trên tồn thế giới có thể
tăng thêm 54% (ƣớc tính khoảng 404 nghìn triệu triệu Btu năm 2001 tới 623 nghìn
triệu triệu Btu vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh
tế đang phát triển mạnh mẽ, ví dụ nhƣ Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á.

Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lƣợng của thế giới từ 1970-2025 ( đơn vị nghìn triệu triệu
Btu)[1]

1


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 1.2 Tiêu thụ năng lƣợng phân theo khu vực, từ 1970-2015 (đơn vị nghìn triệu triệu
Btu)[1]

Hình 1.3 So sánh diễn biến giá dầu thế giới năm 2003-2004[1]

2

Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Dân số tăng nhanh và tốc độ đơ thị hóa chóng mặt trên tồn cầu cũng là một yếu
tố ảnh hƣởng mạnh đến nhu cầu về năng lƣợng. Dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5
tỷ ngƣời trong năm 1993 lên tới gần 7,3 tỷ ngƣời vào năm 2015.
 Vài nét chung về nhu cầu năng lƣợng của thế giới:
Về vấn đề này, có 3 điểm chúng ta cần lƣu ý. Một là, nhu cầu về năng lƣợng của
thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Thứ hai là, nguồn năng
lƣợng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lƣợng cho đến năm 2015. Thứ
ba là, nhu cầu đòi hỏi về năng lƣợng của từng khu vực trên thế giới cũng khơng giống
nhau.

Hình 1.4 Mức tiêu thụ các nguồn năng lƣợng của thế giới 1970-2025 (đơn vị nghìn triệu triệu
Btu)[1]
Tài liệu của Cơ quan Thơng tin Năng lƣợng 2004 đã dự báo rằng nhu cầu tiêu thụ tất cả
các nguồn năng lƣợng đang có xu hƣớng tăng nhanh. Các nguồn năng lƣợng hóa thạch trên thế
giới đang dần cạn kiệt, thêm nữa là những vấn đề mơi trƣờng nảy sinh trong q trình khai
thác đã dẫn đến việc khuyến khích sử dụng năng lƣợng để giảm bớt sự ô nhiễm môi trƣờng và
tránh gây cạn kiệt nguồn năng lƣợng hóa thạch. Nhƣng do chƣa có những điều luật cụ thể về
vấn đề này, nên dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên vẫn đƣợc coi là nguồn nhiên liệu chủ yếu để
nhằm thỏa mãn những đòi hỏi về năng lƣợng và chính điều đó sẽ dẫn đến sự cạn kiệt nguồn

3


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

năng lƣợng hóa thạch trong một thời gian khơng xa. Hình dƣới đây sẽ minh họa tình hình tiêu
thụ năng lƣợng cơ bản của thế giới phân theo nguồn năng lƣợng từ năm 1970-2025. Nhu cầu
sử dụng năng lƣợng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn đề ô nhiễm môi
trƣờng 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 lƣợng thay thế cho nguồn năng lƣợng hóa thạch làm
vấn đề hết sức cấp bách.

Hình 1.5 Lƣợng khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lƣợng hóa thạch[1]

Tài liệu của Cơ quan Thơng tin Năng lƣợng 2004 đã dự báo rằng nhu cầu tiêu thụ
tất cả các nguồn năng lƣợng đang có xu hƣớng tăng nhanh. Các nguồn năng lƣợng hóa
thạch trên thế giới đang dần cạn kiệt, thêm nữa là những vấn đề mơi trƣờng nảy sinh
trong q trình khai thác đã dẫn đến việc khuyến khích sử dụng năng lƣợng để giảm
bớt sự ô nhiễm môi trƣờng và tránh gây cạn kiệt nguồn năng lƣợng hóa thạch. Nhƣng
do chƣa có những điều luật cụ thể về vấn đề này, nên dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên
vẫn đƣợc coi là nguồn nhiên liệu chủ yếu để nhằm thỏa mãn những đòi hỏi về năng
lƣợng và chính điều đó sẽ dẫn đến sự cạn kiệt nguồn năng lƣợng hóa thạch trong một
thời gian khơng xa. Hình dƣới đây sẽ minh họa tình hình tiêu thụ năng lƣợng cơ bản
của thế giới phân theo nguồn năng lƣợng từ năm 1970-2025. Nhu cầu sử dụng năng
lƣợng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trƣờng gây

4


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

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 lƣợng thay thế cho nguồn năng lƣợng hóa thạch làm vấn đề
hết sức cấp bách.

Hình 1.6 Tiêu thụ năng lƣợng thế giới theo nguồn năng lƣợng 1970-2025
( đơn vị nghìn triệu triệu Btu)[1]

Hình 1.7 Biểu đồ tiêu thụ năng lƣợng thế giới của các nguồn năng lƣợng (%)[1]

5


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

 Nhu cầu sử dụng năng lƣợng tại Việt Nam [1]:
Tại Việt Nam, các nguồn năng lƣợng tự nhiên này có thể cịn hết trƣớc thế giới
một vài chục năm. Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lƣợng đã dự báo
đến trƣớc năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12%-20% năng lƣợng, đến năm
2050 lên đến 50%-60%, chƣa kể điện hạt nhân. Tình hình năng lƣợng 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 nhƣng lại phụ thuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn
chƣa thể lƣờng trƣớc những biến đổi về dịng chảy tác động tiêu cực đến mơi trƣờng
sinh thái. Điện hạt nhân cịn đang trong q trình chuẩn bị phƣơng án. Trong khi đó,
những tác động của thiếu điện hay tăng giá xăng đều ảnh hƣởng xấu lập tức đến nền
kinh tế.
Mặc dù chúng ta là nƣớc đang phát triển nhƣng cũng khơng nằm ngồi xu hƣớng
chung của thế giới. Ƣớc tính nhu cầu năng lƣợng trung bình đến năm 2020 là 53.6 triệu
TOE, riêng nhu cầu điện là 168 tỷ kWh.
1.1.2 Nhu cầu sử dụng bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam

Nhu cầu sử dụng bộ thu gia nhiệt khơng khí bằng năng lƣợng mặt trời phục vụ
cho quá trình sấy các sản phẩm nông nghiệp, thủy hải sản…hiện nay ở nƣớc ta là rất
lớn. Một số ngành công nghiệp khác nhu cầu phơi sấy hàng cũng đang tiêu thụ nhiều
nhiên liệu nhƣ ngành, gốm, gỗ, thủ công mỹ nghệ, điện tử...
Nhu cầu sử dụng khơng khí nóng trong sinh hoạt, sản xuất, và các nhu cầu dân
sinh khác ngày càng gia tăng, tuy nhiên nguồn năng lƣợng cung cấp cho các quá trình
gia nhiệt thƣờng là điện năng, năng lƣợng hóa thạch. Những năm gần đây, một số cơ sở
sản xuất đã ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào quá trình sấy.Trong tƣơng lai,nhiều dự
án lớn lắp đặt bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời để ứng dụng vào sản xuất.

6


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

1.1.3 Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới
 Ở ngoài nƣớc:
Jianjun Hu và cộng sự [2] nghiên cứu một bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời
thơng khí bằng cơ học với các tấm chắn bên trong. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc
đƣa vào các tấm ngăn có thể tăng cƣờng q trình truyền nhiệt đối lƣu và làm giảm sự
mất nhiệt bức xạ, góp phần cải thiện hiệu suất với lƣu lƣợng thể tích trong khoảng 2040 m3/h.m2 và tấm chắn tối ƣu trong nghiên cứu này là 4 tấm chắn và có thể áp dụng
cho nhiều vị trí địa lý. Hiệu suất tối ƣu cho nghiên cứu này là khoảng 63%.

Hình 1.8 Bộ thu kiểu tấm chắn ngang

Cai-hua Liang và cộng sự [ 3] nghiên cứu về hiệu suất của hệ thống bơm nhiệt
kiểu khơng khí năng lƣợng mặt trời hệ để sƣởi ấm các tịa nhà. Ảnh hƣởng của diện
tích bộ thu năng lƣợng mặt trời đối với hoạt động của hệ thống hoạt động ở Nam Kinh

đã đƣợc nghiên cứu. Hệ thống bơm nhiệt cũng tăng theo tỷ lệ với diện tích bộ thu năng
lƣợng mặt trời. So với trƣờng hợp khơng sử dụng bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt
trời, khi diện tích thu năng lƣợng mặt trời là 40 m2 tiết kiệm đƣợc 24% năng lƣợng của
hệ thống công suất nhiệt 10kW.
Afshin Abedi [4] đã nghiên cứu về vấn đề ứng dụng bộ thu khơng khí năng lƣợng
mặt trời và bình tích trữ nhiệt thơng hơi đƣợc sử dụng để sƣởi ấm các tòa nhà Isfahan,
Central of IRAN. Tính tốn tải sƣởi ấm cho một khu nhà ở có diện tích khoảng 800m2

7


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

sàn tại bốn tầng. Sau đó, các vách tích nhiệt thơng khí đƣợc thiết kế và lƣợng tiền tiết
kiệm năng lƣợng hàng năm đƣợc tính tốn và kết quả đƣa ra là hơn 60 % tiêu thụ năng
lƣợng mùa đông sẽ đƣợc tiết kiệm bằng cách sử dụng hệ thống sử dụng bộ thu khơng
khí năng lƣợng mặt trời.
Suleyman Karsli [5] phân tích hiệu suất của bộ thu năng lƣợng mặt trời mới cho
các ứng dụng sấy. Kết quả cho thấy hiệu suất thiết bị phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và
cấu trúc các bộ thu khơng khí mặt trời. Hiệu quả thu cao nhất và sự gia tăng nhiệt độ
khơng khí đã đạt đƣợc bởi bộ thu có cánh với góc 75 , trong khi thu thập đƣợc giá trị
thấp nhất cho bộ thu cơ bản. Theo thứ tự là hiệu suất của bộ thu đƣợc xác địnhlà bộ thu
có cánh với góc 75 , bộ thu có cánh với góc 70 , bộ thu ống và bộ thu cơ bản.
Ramana Murthy [6] tổng quan các cơng nghệ mới, mơ hình và nghiên cứu các
loại máy sấy bằng năng lƣợng mặt trời phù hợp với đặc tính từng loại sản phẩm sấy, sự
phụ thuộc của việc sấy dựa các đặc tính của sản phẩm vẫn là một vấn đề, để so sánh
hiệu quả sấy của các máy sấy khác nhau.
Fudholi và cộng sự [7] tổng quan đánh giá các máy sấy năng lƣợng mặt trời cho

các sản phẩm nông nghiệp và hàng hải, tổng quan các loại máy sấy năng lƣợng mặt trời
này với khía cạnh sản phẩm đƣợc sấy khơ, kỹ thuật và tiết kiệm. Các hƣớng dẫn kỹ
thuật trong việc phát triển các hệ thống sấy khô bằng năng lƣợng mặt trời cho sản
phẩm nông nghiệp là thiết kế thu nhỏ gọn, hiệu quả cao, tích hợp lƣu trữ, và hệ thống
sấy khô kéo dài.

8


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 1.9 Bộ thu kiểu bề mặt tấm hấp thụ nhám
Karmare và cộng sự [8] phân tích dịng chất lƣu và truyền nhiệt của bộ thu sấy
khơng khí với bề mặt nhám cánh sạn sử dụng phƣơng pháp CFD. Với góc nghiêng tấm
thu 58

đối với loại bề mặt nhám cánh sạn thì tác giả đƣa ra khả năng truyền nhiệt cao

nhất trong các góc nghiêng, khả năng truyền nhiệt so với bộ thu thông thƣờng là 30%.
Khawajah và cộng sự [9] nghiên cứu về hiệu quả của việc sử dụng cánh ngang lần
lƣợt gồm 2,4,6 cánh ngang ở bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời dòng kép và sử
dụng các lớp lƣới thép nhƣ tấm hấp thụ. Các kết quả chỉ ra rằng hiệu suất tăng cùng với
việc lƣu lƣợng khơng khí tăng trong phạm vi của lƣu lƣợng đƣợc sử dụng trong nghiên
cứu này trong khoảng 0,0121kg/s-0,042 kg /s. Hiệu quả tối đa thu đƣợc bằng cách sử
dụng 6 cánh với cùng một lƣu lƣợng. Hiệu suất tối đa cho 2, 4, 6 cánh của bộ thu năng
lƣợng mặt trời lần lƣợt là 75,0%, 82,1% và 85,9% đối với lƣu lƣợng không khí 0,042
kg/s.

9


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 1.10 Bộ thu kiểu cánh ngang kết hợp tấm hấp thụ kiểu lƣới

El-Sawi và cộng sự[10] nghiên cứu về ứng dụng bản kim loại gấp nếp ở bộ thu
năng lƣợng mặt trời kiểu sàn phẳng và kết quả hiệu suất bộ thu kiểu này thì cao hơn bộ
thu kiểu tấm hấp thụ dạng rãnh và bộ thu tấm phẳng khi cùng điều kiện vận hành. Đạt
đƣợc hiệu suất nhiệt lên đến 20% và tăng nhiệt độ đầu ra 10
trong khi bộ thu dạng tấm phẳng thì hiệu suất bé nhất.

Hình 1.11 Bộ thu kiểu nếp gấp

10

ở cùng mức lƣu lƣợng


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Ben Slama Romdhane [11] nghiên cứu đƣa các tấm chắn vào bộ thu không khí
năng lƣợng mặt trời để lý luận về truyền nhiệt. Kết luận đƣa ra là việc đƣa các tấm
chắn thích hợp vào bộ thu năng lƣợng mặt trời làm tăng hiệu suất truyền nhiệt bộ thu.
Các nghiên cứu đạt đƣợc tại Đại học Valenciennes-Pháp, đặc biệt quan tâm đến yếu tố

tạo ra chảy rối ở các dịng chảy khơng khí bằng cách sử dụng vật cản hoặc tấm chắn.
Hiệu suất đạt đƣợc 80% với lƣu lƣợng 50 m3/h.m2 làm tăng nhiệt độ đầu ra khơng khí
là 70

có thể đạt đƣợc.
Zhai và cộng sự [12] nghiên cứu thực nghiệm về gia nhiệt khơng khí và thơng

gió tự nhiên của một bộ thu khơng khí mặt trời. Trong bài báo này, các nghiên cứu
thực nghiệm đã đƣợc tiến hành đối với bộ thu khơng khí mặt trời, chiều dài của ống
dẫn khơng khí là 1500 mm, chiều rộng là 500 mm và khoảng cách khe hở khơng khí
thay đổi từ 100 đến 500 mm. Trong thí nghiệm, dịng nhiệt đồng đều dọc theo kênh dẫn
khơng khí đƣợc thực hiện bởi ba tấm gia nhiệt bằng điện, có vai trị nhƣ bức xạ mặt
trời. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng góc lệch tối ƣu cho bộ thu là 45 , theo đó có thể
tạo ra tốc độ thơng gió tự nhiên lớn nhất. Có tồn tại thời gian thích hợp với chiều dài
đƣờng dẫn khơng khí, thời gian là dƣới 1 phút, vƣợt q đó nhiệt thu đƣợc và tốc độ
thơng gió tự nhiên không thể tăng mạnh. Tăng lƣu lƣợng không khí qua bộ thu, giảm
sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra, nên cân bằng giữa tăng nhiệt độ khơng
khí và tốc độ khơng khí cơ học phù hợp để có đƣợc nhiệt lƣợng lớn nhất.
Donggen Peng và cộng sự [13] nghiên cứu về bộ thu năng lƣợng mặt trời với
tấm hấp thụ gắn sẵn cánh đƣợc thiết kế để tăng hiệu suất nhiệt. Theo kết quả thí
nghiệm, hiệu suất nhiệt trung bình của 25 loại bộ thu gồm dãy cánh đạt 0,5 - 0,74 so
với công suất bức xạ mặt trời là 0,83 cho kính.
Sopian và cộng sự [14] nghiên cứu về bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời kiểu
hai dòng ngƣơc chiều. Việc bổ sung các mơi trƣờng xốp trong hai dịng của bộ thu
năng lƣợng mặt trời tăng hiệu suất của bộ thu. Mơi trƣờng xốp trong kênh thứ hai làm
tăng diện tích truyền nhiệt. Loại bộ thu này có hiệu suất nhiệt cao hơn so với bộ thu

11

Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

năng lƣợng mặt trời 1 kênh thơng thƣờng. Hiệu suất nhiệt điển hình của bộ thu năng
lƣợng mặt trời kiểu hai dòng với vật liệu xốp là khoảng 60-70%.

Hình 1.12 Bộ thu kiểu hai dịng

Ucar và cộng sự [15] nghiên cứu về phân tích nhiệt và exergy của bộ thu khơng
khí năng lƣợng mặt trời với kỹ thuật gia tăng thụ động. Hiệu quả của các bộ thu năng
lƣợng mặt trời nhƣ vậy với tấm hấp thụ kiểu cánh xen kẽ và cánh gắn trên bề mặt hấp
phụ đã đƣợc nghiên cứu. Các mối quan hệ exergy đƣợc đƣa ra từ bộ thu không khí
năng lƣợng mặt trời khác nhau. Ngƣời ta nhận thấy rằng tính khơng khả nghịch lớn
nhất xảy ra ở bộ thu năng lƣợng mặt trời thơng thƣờng, trong đó hiệu suất thu thấp
nhất. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật thụ động hiện nay nhƣ chia ba hoặc sáu tấm cho
bề mặt hấp thụ, gắn vây trên bề mặt hấp thụ và đƣa ra một góc nghiêng (2°) vào bề mặt
hấp thụ ba tấm, hiệu quả của bộ thu năng lƣợng mặt trời đã tăng khoảng 10% đến 30%
so với bộ thu năng lƣợng mặt trời thông thƣờng.

12


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 1.13 Bộ thu kiểu cánh xen kẽ

Mohamed Selmi và cộng sự [16] đã nghiên cứu xác nhận mô phỏng CFD cho bộ

thu năng lƣợng mặt trời phẳng. Bộ thu năng lƣợng mặt trời tấm phẳng với lƣu lƣợng
nƣớc đƣợc mô phỏng và phân tích bằng phần mềm CFD. Trƣờng hợp đƣợc xem xét
bao gồm mơ hình CFD bức xạ mặt trời và các phƣơng thức hỗn hợp đối lƣu và truyền
nhiệt bức xạ giữa bề mặt ống, vỏ kính, tƣờng biên và cơ chế cách nhiệt của bộ thu cũng
nhƣ truyền nhiệt đối lƣu lẫn nhau trong nƣớc tuần hoàn bên trong ống. Một mơ hình thí
nghiệm đã đƣợc xây dựng và các thí nghiệm đƣợc thực hiện để xác nhận mơ hình CFD.
Nhiệt độ đầu ra của nƣớc đƣợc so sánh với kết quả thực nghiệm và có một thoả thuận
tốt.
Wenfeng Gao và cộng sự [17] nghiên cứu phân tích và thử nghiệm về bộ thu gia
nhiệt khơng khí mặt trời kiểu gấp nếp. Những tấm hấp thụ cấu tạo gồm một tấm hấp
thụ kiểu sóng ở trên và dƣới, đƣợc bố trí theo chiều ngang để hình thành luồng khơng
khí, với mục đích tăng cƣờng sự hỗn loạn và tốc độ truyền nhiệt bên trong luồng khơng
khí rất quan trọng để nâng cao hiệu quả của máy gia nhiệt khơng khí mặt trời. Kết quả
là hiệu suất đạt đƣợc từ 58,9 % đến 60,3% so với kiểu tấm phẳng là 48,6%.

13


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

Hình 1.14 Bộ thu kiểu tấm hấp thụ gấp nếp

Ben Slama và cộng sự [18] nghiên cứu về khí động lực học, truyền nhiệt và hiệu
suất bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời với các kiểu dòng chảy khác nhau do cánh
tạo ra. Việc sử dụng cánh tạo ra sự nhiễu loạn của khơng khí nóng và do đó làm tăng
hiệu quả của bộ thu. Kết quả là hiệu quả đƣợc tăng lên khoảng 60% so với các bộ thu
mà khơng có cánh.

Hình 1.15 Bộ thu kiểu cánh gây rối dòng chảy

Ha Chemi và cộng sự [19] nghiên cứu về tăng cƣờng hiệu suất nhiệt của thiết bị
gia nhiệt khơng khí với tấm hấp thụ gắn cánh hình chữ nhật xếp sole. Với lƣu lƣợng

14


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

khơng khí là 50kg/h.m2, hiệu suất từ 38,6% tăng lên 75,5% khi gắn cánh. Chiều dài
cánh 100mm và khoảng cách so le giữa hai cánh là 25mm.
Tao Liu và cộng sự [20] đã đƣa ra nghiên cứu tham số về hiệu suất nhiệt của một
bộ thu khơng khí mặt trời với tấm hấp thụ dạng rãnh so với bộ thu kiểu tấm hấp thụ
dạng phẳng. Kết quả là hiệu suất bộ thu dạng rãnh cao hơn so với bộ thu dạng phẳng,
khơng khí chảy vào trong kênh đƣợc hình thành bằng chất hấp thụ v-rãnh và tấm đáy
đƣợc làm phẳng và đƣợc cách nhiệt, dọc theo rãnh, nhằm tăng tốc độ truyền nhiệt giữa
không khí và chất hấp thụ bằng cách gia tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt, điều này rất
quan trọng để cải thiện hiệu suất của bộ thu khơng khí mặt trời với lƣu lƣợng khơng
khí lớn hơn 0.01kg/s.
Homing Yeh và cộng sự [21] nghiên cứu về ảnh hƣởng của tấm chắn song song
lên bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời. Kết quả là tấm chắn đặt ở giữa bộ thu tạo
dịng khí ra ngƣợc chiều đạt hiệu suất tối ƣu hơn các vị trí khác cùng với các điều kiện
khác nhau.

Hình 1.16 Bộ thu kiểu cánh song song

Ho Ming Yeh [22] trình bày lý thuyết về bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời

gắn cánh, hiệu suất cải thiện đáng kể hiệu quả thu của máy sƣởi khơng khí mặt trời đạt

15


Luận văn thạc sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

đƣợc nếu các cánh trong bộ thu đƣợc gắn các tấm ngăn để tạo ra sự nhiễu loạn khơng
khí và khu vực truyền nhiệt rộng. Trong nghiên cứu này, các cân bằng năng lƣợng
trong các thiết bị gia nhiệt khơng khí mặt trời đã và một phƣơng trình lý thuyết để ƣớc
lƣợng hiệu quả thu đƣợc đã đƣợc trình bày.
Raj Kumar và cộng sự [23] nghiên cứu về sự gia tăng sự truyền nhiệt và ma sát
trong một dịng chảy thơng qua kênh khơng khí mặt trời với vách ngăn hình chữ V rời
rạc. Kết quả chỉ ra rằng hiệu suất nhiệt thủy động vách ngăn hình chữ V rời rạc cao
hơn so với các vách ngăn khác. Các tỷ lệ chiều cao và chiều dài phù hợp là 10, khoảng
cách vách ngăn 0.67, độ nghiêng cánh 60

đã đƣợc nghiên cứu. Ảnh hƣởng của vách

ngăn hình chữ V rời rạc đã đƣợc nghiên cứu tăng hiệu quả thu hồi nhiệt.
Manjunath và cộng sự [24] nghiên cứu hiệu suất nhiệt bộ thu khơng khí năng
lƣợng mặt trời với kiểu tấm hấp thụ gắn khối cầu phát sinh rối dựa trên các kết quả mô
phỏng và thực nghiệm. Kết quả hiệu suất nhiệt bộ thu tăng lên 23,4% với đƣờng kính
cầu là 25mm.

Hình 1.17 Bộ thu kiểu khối cầu

Prasad và cộng sự [25]nghiên cứu về hệ số truyền nhiệt đối lƣu giữa tấm hấp thụ

và không khí trong thiết bị gia nhiệt khơng khí mặt trời tấm phẳng có thể đƣợc tăng

16