(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu mô phỏng số và mô phỏng bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN XUÂN LÂM

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG BỘ THU
KHÔNG KHÍ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÁCH SĨNG DỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT- 60520115

S K C0 0 5 9 3 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGUYỄN XUÂN LÂM

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG BỘ THU
KHÔNG KHÍ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÁCH SĨNG DỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT- 60520115
Hƣớng dẫn khoa học:

TS. LÊ MINH NHỰT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018

Luan van


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Xuân Lâm

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/03/1987

Nơi sinh: Nghệ An

Quê quán: Quỳnh Đôi, Quỳnh Lƣu, Nghệ An

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:
Số 11A đƣờng Lê Thị Nghĩa, phƣờng Tân Hiệp, Biên Hòa, Đồng Nai
Điện thoại cơ quan: 02513980789

Điện thoại nhà riêng: 0962275218

Fax:

Email:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 12/ 2012

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Ngành học: Kỹ Thuật Nhiệt-Điện Lạnh
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và mô phỏng PLCS7-300
ứng dụng vào hệ thống lạnh.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:12/2012 tại Đại Học Sƣ
Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Ngƣời hƣớng dẫn: Lê Xuân Hịa
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:

i

Luan van


Luận Văn Thạc Sỹ

Thời gian
2013-2015

2015- Nay

TS. Lê Minh Nhựt

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Công ty đầu tƣ thƣơng mại và xuất

Kỹ sƣ vận hành hệ thống Lị

nhập khẩu Đơng Dƣơng

hơi

Trƣờng Cao Đẳng Nghề Hịa Bình

Giáo viên giảng dạy khoa Điện

Xn Lộc

lạnh

ii

Luan van


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bộ thu
khơng khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc” là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Xuân Lâm

iii

Luan van


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên em xin đƣợc gửi tới thầy TS. Lê Minh Nhựt lời cảm ơn chân thành
nhất, thầy đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và luân quan tâm, động viên trong suốt q
trình thực hiện đồ án để em hồn thành tốt bài luận văn “Nghiên cứu mô phỏng số và
thực nghiệm bộ thu khơng khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc”.
Em cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn đến tất cả qúy thầy cô bộ môn Công nghệ
Kỹ Thuật Nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ
Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu thông qua các mơn học trong
chƣơng trình đào tạo làm nền tảng để em có thể nghiên cứu và hồn thành tốt luận văn.
Dù đã rất cố gắng để thực hiện luận văn nhƣng do kiến thức còn chƣa sâu sắc, thời gian
còn hạn hẹp nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến và đánh giá từ thầy cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.

Học viên thực hiện

Nguyễn Xuân Lâm

iv

Luan van


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

TÓM TẮT
Nghiên cứu này trình bày kết quả nghiên cứu bộ thu khơng khí mặt trời với các
cánh sóng dọc bên trong. Cấu tạo của hệ thống gồm một bộ thu tấm phẳng với bảy
cánh sóng dọc bên trong và có diện tích bề mặt là 2m2. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng
việc đƣa vào các cánh sóng dọc có thể tăng cƣờng quá trình truyền nhiệt đối lƣu và làm

giảm sự mất nhiệt bức xạ, góp phần cải thiện hiệu suất thu hồi nhiệt bộ thu. Trƣờng
hợp số cánh tối ƣu cho nghiên cứu này là bảy cánh, lƣu lƣợng qua bộ thu kiểm soát
trong khoảng 0.025-0.027kg/s. Ảnh hƣởng của số lƣợng cánh, chiều cao cánh, tỉ lệ
giữa độ dài cung và bán kính cánh, cũng nhƣ lƣu lƣợng khơng khí qua bộ thu tới hiệu
suất bộ thu đƣợc trình bày trong nghiên cứu này. Các thông số hoạt động nhƣ nhiệt độ
xung quanh, cƣờng độ bức xạ mặt trời có ảnh hƣởng đáng kể đến sự gia tăng nhiệt độ
nhƣng ít ảnh hƣởng đến hiệu suất thu hồi nhiệt của bộ thu, điều này cho thấy rằng loại
bộ thu khơng khí mặt trời này có thể đƣợc áp dụng ở nhiều khu vực.

v

Luan van


Luận Văn Thạc Sỹ

TS. Lê Minh Nhựt

ABSTRACT
This paper presented the results of a solar air collector with internal crimped fins.
It consists of a flat plate collectors with seven internal crimped fins and has the total
collection surface area of 2m2. The investigation results indicate that the introduction
of internal crimped fins can strengthen the convective heat transfer process and lessen
the radiation heat loss, which contributes to efficiency improvement. In case the
optimum number of for this study was seven crimped fins, the volume flow rate should
be controlled in a range of 0.025–0.027kg/s. The influence of internal crimped fins
number, ratio between leght wing and fin pitch, as well as the air volume flow rate on
the collector performance presented in this paper. The operating parameters such as the
surrounding temperature, solar radiation intensity have significant influence on the
temperature rise but have little influence on collector efficiency, which indicates that

this kind of solar air collector could be applied in a wide range of geographical latitude.

vi

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van

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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van

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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van