Mô hình hóa và thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống điều hòa không khí sử dụng nguồn năng lượng mặt trời tích hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

CHỬ SƠN TÙNG

MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO
HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ SỬ DỤNG NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TÍCH HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------

CHỬ SƠN TÙNG

MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO
HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ SỬ DỤNG NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TÍCH HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. VŨ THỊ THÚY NGA

Hà Nội - 2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Chử Sơn Tùng
Đề tài luận văn: Mơ hình hóa và thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống
điều hịa khơng khí sử dụng nguồn năng lượng mặt trời tích hợp.
Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: CA170337
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30
tháng 10 năm 2019 với các nội dung sau:
- Rà soát và chỉnh sửa lại các lỗi chính tả trong tồn bộ luận văn.
- In luận văn theo mẫu chuẩn mới ban hành.
- Bổ sung tên cho một số hình vẽ cịn thiếu.
- Thống nhất thứ tự hình vẽ.
- Trích dẫn các tài liệu tham khảo trong nội dung trình bày trong các
chương.
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

tháng 11 năm 2019
Tác giả luận văn

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Chử Sơn Tùng, học viên cao học lớp Điều khiển và tự động hóa
khóa CH2017A - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Đề tài luận văn: Mơ hình hóa và thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống điều
hịa khơng khí sử dụng nguồn năng lượng mặt trời tích hợp.
Tơi xin cam đoan: Tất cả các nội dung trong luận văn này đều do tôi thực
hiện và chưa từng được công bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác. Các thơng
tin trích dẫn của các tác giả khác đều được chú thích rõ ràng. Tôi xin chịu mọi
trách nhiệm đối với nội dung của luận văn này.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Chử Sơn Tùng


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà
Nội tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ.
Lời đầu tiên, tôi xin vô cùng cảm ơn TS. Vũ Thị Thúy Nga là giảng viên
định hướng và hướng dẫn đề tài, là người ln quan tâm đến tiến trình viết luận
văn, thường xuyên kiểm tra, chỉ bảo cho tôi những kiến thức bổ ích và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực
hiện luận văn.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến Viện Điện, Bộ mơn Điều khiển tự động đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận
văn tốt nghiệp này.
Do bản thân cịn nhiều thiếu sót về kiến thức, tơi kính mong nhận được sự
chỉ dẫn và đóng góp của các thầy cơ để luận văn của tơi được hồn thiện hơn.
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn đã nêu nên được vấn đề cần thiết khi nghiên cứu sử dụng năng
lượng mặt trời thay thế cho năng lượng hóa thạch. Trình bày được phương pháp

sử dụng thuật tốn MPPT để tìm ra và duy trì điểm cơng suất cực đại của pin mặt
trời, xây dựng thành công các bộ điều khiển DC/DC va DC/AC cho hệ thống pin
năng lượng mặt trời cấp điện cho bộ sấy. Tuy nhiên điểm hạn chế của luận văn là
phương pháp MPPT chưa tối ưu, mới chỉ xét trong trường hợp ánh sáng mặt trời
là ổn định, đây là hướng mà tác giả cần nghiên cứu phát triển thêm.
HỌC VIÊN

CHỬ SƠN TÙNG


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................. 3
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CƠNG TRÌNH
LĂNG CHỦ TỊCH HỒ CHÍ MINH .......................................................................................... 3

1.2.1. Cấu tạo của hệ thống điều hịa khơng khí ................................................................... 3
1.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các khoang điều hòa ......................................... 4
1.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hịa khơng khí ............................................... 9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................... 11

2.2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ...................................................................... 12
2.2.2. Cấu tạo của pin mặt trời .......................................................................................... 14
2.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ........................................................................... 15
2.3.1. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm module mặt trời .............................................. 18
2.3.2. Phương pháp ghép song song các tấm module mặt trời ......................................... 19
2.4.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................................. 20
2.4.2.

Bộ biến đổi DC/AC ................................................................................................. 22

2.5.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................... 23
2.5.2. Nguyên lý dung hợp tải............................................................................................. 25
2.5.3. Các phương pháp điều khiển MPPT ....................................................................... 26
2.6.1. Khái niệm vectơ không gian ..................................................................................... 32
2.6.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho vectơ không gian ....................... 33
2.6.3. Vec tơ chuẩn trong sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha ..................................................... 33
2.6.4. Xác định hệ số điều chế ............................................................................................ 35
2.6.5. Trình tự thực hiện các mẫu xung cho mạch nghịch lưu ........................................... 37
2.7.1. Biến trượt.................................................................................................................. 37
2.7.2. Thiết kế mặt trượt. .................................................................................................... 38
2.7.3. Thiết kế bộ điều khiển trượt...................................................................................... 39
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP
NGUỒN CHO BỘ SẤY CỦA HỆ THỐNG ĐHKK ............................................................... 41


3.2.1 Chọn pin mặt trời ..................................................................................................... 41
3.2.2

Xây dựng mơ hình tốn học của PV .................................................................... 42

3.2.3

Các đường đặc tính của PV ................................................................................ 46

3.2.1

Mơ phỏng bộ chỉnh lưu Boost converter có điều khiển ....................................... 47

3.2.2

Thuật toán điều khiển MPPT .............................................................................. 48

3.5.1 Kết quả đạt được ...................................................................................................... 54
3.5.2

Hướng phát triển của luận văn ........................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................55
PHỤ LỤC ....................................................................................................................................56


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Cụm từ được viết tắt trong

Cụm từ được viết tắt trong tiếng

tiếng Việt tương đương

Anh tương đương

ĐHKK

Điều hịa khơng khí

MPP

Điểm cơng suất cực đại

Maximun Power Point

MPPT

Bộ bám điểm công suất cực đại

Maximun Power Point Tracking

P&O

Nhiễu loạn và quan sát

Perturb and Observe

PV

Hệ thống pin mặt trời

Photovoltaic system


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Bảng giá trị điện áp các vectơ chuẩn…………………………

34

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp ma trận Anm trong mỗi sertor…………………

36


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều hịa khơng khí ..........................................4
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc băng Rol-O-Matic ...........................................4
Hình 1.3. Cấu tạo của thanh sấy (mặt cắt ngang) .................................................5
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo bộ sấy điện.....................................................5
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo giàn lạnh ........................................................6
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống cấp nước qua giàn lạnh...................7
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo buồng phun tăng ẩm ......................................8
Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của bộ lọc tĩnh điện ........................................................9
Hình 2.1. Dải bức xạ điện từ ...............................................................................11
Hình 2.2. Hệ 2 mức năng lượng điện tử .............................................................12
Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ................................................14
Hình 2.4. Cấu tạo của pin mặt trời ......................................................................14
Hình 2.5. Đặc tính làm việc U - I của pin mặt trời .............................................15
Hình 2.6. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời ...................................................16
Hình 2.7. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng tới PV .........................................17
Hình 2.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới PV ..........................................................18
Hình 2.9. Ghép nối tiếp 2 pin mặt trời ................................................................18
Hình 2.10. Ghép song song hai module pin mặt trời ............................................19
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost .....................................................20
Hình 2.12. Hai chế độ làm việc của Boost phụ thuộc vào trạng thái của khóa S .20
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck ......................................................21
Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost ..................................................21
Hình 2.15. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha .................................................................22
Hình 2.16. Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với các khoảng dẫn của van ..........23
Hình 2.17. Quy luật điều khiển các Thyristo ........................................................23

Hình 2.18. Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời ..............................24
Hình 2.19. Đặc tính làm việc I - V và P - V của pin mặt trời và của tải...............24
Hình 2.20. PV kết hợp với tải ...............................................................................25
Hình 2.21. Lưu đồ thuật tốn phương pháp điện áp khơng đổi ............................27
Hình 2.22. Đường đặc tính P -V và thuật tốn INC .............................................28


Hình 2.23. Lưu đồ thuật tốn INC điều khiển thơng qua điện áp tham chiếu Vref
.............................................................................................................................. 29
Hình 2.24. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển nhiễu loạn và quan sát ............. 30
Hình 2.25. Đường đặc tính P - V và thuật tốn P&O .......................................... 31
Hình 2.26. Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O ................................................ 31
Hình 2.27. Biểu diễn vectơ khơng gian trên hệ tọa độ dq .................................... 33
Hình 2.28. Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van bộ nghịch lưu ................. 34
Hình 2.29. Vị trí vec tơ chuẩn trên hệ tọa độ αβ .................................................. 35
Hình 2.30. Thuật tốn xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector ................... 35
Hình 2.31. Vector điện áp được điều chế trong Sector 1 ..................................... 36
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ PV cấp nguồn cho bộ sấy. ........................................... 41
Hình 3.2. Dịng phát trong PV ........................................................................... 42
Hình 3.3. Dịng điện trở Shunt ........................................................................... 43
Hình 3.4. Dịng bão hịa ngược .......................................................................... 44
Hình 3.5. Dịng điện bão hịa ............................................................................. 45
Hình 3.6. Dịng qua Diode ................................................................................. 46
Hình 3.7. Mơ hình tốn học pin mặt trời............................................................ 46
Hình 3.8. Đặc tính I -V....................................................................................... 47
Hình 3.9. Đặc tính P -V ...................................................................................... 47
Hình 3.10. Sơ đồ bộ điều khiển chỉnh lưu Boost converter ................................. 48
Hình 3.11. Cơng suất của PV ............................................................................... 49
Hình 3.12. Điện áp đầu ra của PV ........................................................................ 50
Hình 3.13. Dịng điện đầu ra của PV ................................................................... 50

Hình 3.14. Điện áp ra bộ Boost converter............................................................ 50
Hình 3.15. Sơ đồ bộ nghịch lưu nối tải ................................................................ 51
Hình 3.16. Điện áp ba pha cấp cho bộ sấy ........................................................... 53
Hình 3.17. Dịng điện ra tải .................................................................................. 54



MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài

1.

Cơng trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh là một trong những cơng trình đặc
biệt, có nhiều các hệ thống kỹ thuật quan trọng bao gồm: Hệ thống thiết bị điều
hịa khơng khí trung tâm; Hệ thống cung cấp nước công nghệ, nước sinh hoạt, nước
cứu hỏa và nước thải; Hệ thống báo cháy; Hệ thống thiết bị điều chỉnh nhiệt độ,
độ ẩm và các thiết bị tự động đo, ghi thông số kỹ thuật; Hệ thống cung cấp điện
trong và ngồi cơng trình, chiếu sáng cơng trình; Hệ thống camera giám sát, bảo
đảm an ninh…Trong đó, hệ thống điều hịa khơng khí Cơng trình Lăng Chủ tịch
Hồ Chí Minh đóng vai trị rất quan trọng trong việc tạo ra mơi trường khơng khí
đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn ngặt nghèo của công tác y tế nhằm hoàn thành tốt
nhất nhiệm vụ giữ gìn lâu dài, bảo vệ tuyệt đối an tồn thi hài Chủ tịch Hồ Chí
Minh và phục vụ tốt nhất đồng bào, chiến sĩ cả nước, bạn bè quốc tế đến thăm
Người.
Ngồi nhiệm vụ chính nêu trên, hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm
Cơng trình Lăng đã tạo ra và duy trì chính xác thơng số nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch
cho tồn bộ cơng trình, góp phần thực hiện tốt nhiệm vụ:
-

Bảo đảm sức khỏe cho nhân viên vận hành.

-

Chống các thâm nhập của vi khuẩn, nấm mốc, hỗ trợ tích cực cho cơng tác

y tế và góp phần bảo vệ kết cấu kiến trúc cơng trình Lăng.
Hệ thống điều hịa khơng khí cơng trình Lăng là hệ thống thiết bị kỹ thuật
do Liên Xô thiết kế và chế tạo, được lắp đặt ngay từ những ngày đầu xây dựng
Lăng. Các thiết bị có nhược điểm là tiêu thụ điện năng lớn, tổn thất điện năng cao
do đó mục đích đưa ra là cần phải tìm một nguồn năng lượng mới sạch, tiết kiệm
chi phí. Ở đây, tác giả nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời thay thế
nguồn điện lưới trong một khâu của hệ thống điều hòa trung tâm.
2.

Ý nghĩa của đề tài

2.1

Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu, phân tích và đưa ra hướng phát triển của việc sử dụng nguồn

năng lượng mặt trời thay thế nguồn điện lưới cho các thiết bị của hệ thống điều
hịa khơng khí.
1


Ý nghĩa thực tiễn

2.2

Nguồn năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên
thế giới và trong nước vì những ưu điểm lớn mà chúng mang lại. Tuy nhiên, tại
cơng trình Lăng chủ tịch Hồ Chí Minh vì tính chất đặc thù của đơn vị nên nguồn
năng lượng mặt trời chưa được ứng dụng vào các thiết bị trong cơng trình.
Kết quả nghiên cứu của luận văn là tiền đề để xây dựng và ứng dụng phổ
biến nguồn năng lượng mặt trời vào các thiết bị của cơng trình Lăng, góp phần vào
việc hồn thành nhiệm vụ của đơn vị.
3.

Đối tượng, mục đích, phương pháp nghiên cứu

3.1

Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế nguồn năng lượng mặt trời cấp nguồn cho hệ thống điều

hịa khơng khí.
Mục đích

3.2

Nắm bắt phương pháp xây dựng mơ hình hệ thống năng lượng mặt trời,
phương pháp tìm điểm cơng suất cực đại của PV để ứng dụng nguồn năng lượng
mặt trời cho các thiết bị trong cơng trình Lăng.
Phương pháp nghiên cứu

3.3
-

Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống điều hòa trung tâm, cấu trúc của hệ thống

năng lượng mặt trời; Phân tích, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng vào thực
tế.
-

Xây dựng mơ hình nguồn năng lượng mặt trời tích hợp với lưới điện để cấp

nguồn điện cho một thiết bị của hệ thống điều hịa khơng khí.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ
CƠNG TRÌNH LĂNG CHỦ TỊCH HỒ CHÍ MINH
Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống điều hịa khơng khí cơng trình Lăng
-

Đảm bảo thống số nhiệt độ, độ ẩm cho công tác y tế bảo quản thường xuyên

thi hài Chủ tịch Hồ Chí Minh: Mơi trường khơng khí ổn định, đảm bảo các chỉ tiêu
cơ bản về độ sạch (sạch bụi, sạch vi trùng, nấm, mốc), nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ lưu
lượng khơng khí…có ý nghĩa quyết định giúp cho cơng tác y tế hồn thành nhiệm
vụ.
-

Đảm bảo thơng số nhiệt độ, độ ẩm cho công tác y tế làm thuốc thường xuyên

và làm thuốc lớn định kỳ hàng năm: Việc đảm bảo thông số nhiệt độ, độ ẩm tuyệt
đối ổn định, chính xác độ sạch cao cho mơi trường khơng khí trong phịng làm
thuốc là hết sức quan trọng, giúp cho cơng tác y tế hồn thành tốt nhất nhiệm vụ

của mình. Trong suốt thời gian làm thuốc mơi trường khơng khí chung quanh phải
đáp ứng được đầy đủ các tiêu chuẩn y tế đề ra.
-

Đảm bảo thông số nhiệt độ, độ ẩm phục vụ công tác y tế đối với nhiệm vụ

sẵn sàng chiến đấu.
-

Đảm bảo thông số nhiệt độ, độ ẩm cho ngành y tế thực hiện các nhiệm vụ

nghiên cứu thí nghiệm trong cơng trình
-

Bảo đảm mơi trường vi khí hậu trong cơng trình góp phần bảo vệ sức khỏe

cho cán bộ, nhân viên làm việc trong cơng trình Lăng.
Hệ thống điều hịa khơng khí cơng trình Lăng
1.2.1. Cấu tạo của hệ thống điều hịa khơng khí
[1] Hệ thống điều hịa trung tâm được lắp ghép từ các khoang cơng nghệ
hồn tồn giống nhau, mỗi khoang gồm khung bằng thép định hình mạ kẽm, vỏ
khoang là các tấm panel cách nhiệt, 2 mặt là thép lá mạ kẽm δ = 1mm, giữa là lớp
bơng khống cách nhiệt dạng tấm dầy 30mm, các tấm panel được liên kết với
khung bằng bulơng, có gioăng cao su làm kín. Các khoang được liên kết với nhau
bằng bulông, theo thứ tự cơng nghệ khơng khí. Hệ thống điều hịa khơng khí bao
gồm các khoang sau: Khoang hịa trộn; khoang đệm (khoang cơng tác); khoang
lọc băng có phun dầu (lọc thơ); 2 khoang sấy bằng điện cấp 1, cấp 2; khoang giàn
lạnh gồm 2 giàn lạnh cấp 1, cấp 2 sử dụng nước lạnh từ trạm lạnh; khoang phun
3

tăng ẩm; khoang lọc tĩnh điện (lọc tinh); các bộ phun dầu và phun rửa bộ lọc tĩnh
điện; các tấm lọc tinh sau lọc tĩnh điện; van xoắn, quạt đẩy, quạt hút.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều hịa khơng khí

1.2.2. Cấu tạo và ngun lý hoạt động của các khoang điều hòa
Khoang hòa trộn:
Khoang hòa trộn được bố trí phía đầu hệ thống điều hịa khơng khí, trong
khoang có bố trí van gió điều chỉnh lưu lượng khí tươi và van gió điều chỉnh lưu
lượng khơng khí tuần hồn. Tỷ lệ hịa trộn giữa lưu lượng khí tươi và lưu lượng
khí tuần hồn do người vận hành cài đặt.
-

Khoang lọc băng (lọc thơ):
Tại khoang lọc thơ có lắp đặt bộ lọc băng Rol-O-Matic, cuộn băng được

phun dầu, chiều rộng tấm lọc là 1,73m, dài 20m, dầy 25mm, bụi được giữ lại trên
tấm lọc càng nhiều thì tổn thất áp lực qua cuộn lọc băng càng cao, khi tổn thất áp
lực trước và sau bộ lọc ΔP đến 150 Pa thì bộ lọc tự động chuyển vị trí mới.

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ lọc băng Rol-O-Matic

4


-

Khoang sấy cấp 1:
Trong khoang sấy có lắp đặt bộ sấy điện. Bộ sấy điện gồm nhiều thanh sấy

điện trở, mỗi thanh sấy gồm có dây điện trở, phía ngồi dây là lớp cách điện thạch
anh, ngoài cùng là lớp vỏ kim loại bảo vệ.

Hình 1.3 Cấu tạo của thanh sấy (mặt cắt ngang)
1-Dây điện trở. 2- Lớp thạch anh cắt điện. 3- Lớp vỏ kim loại, bề mặt trao đổi nhiệt và
bảo vệ thanh sấy

Khơng khí có nhiệt độ thấp qua bộ sấy sẽ trao đổi nhiệt với bề mặt bộ sấy
có nhiệt độ cao hơn (do các dây điện trở bị đốt nóng), kết quả khơng khí nóng lên.
Cơng suất tiêu thụ điện của bộ sấy chính là cơng suất sấy của giàn sấy hệ thống
điều hịa.

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo bộ sấy điện

-

Khoang công tác (khoang đệm):
Khoang gồm khung thép, tấm cách nhiệt bao che được lắp chặt vào khung,

vỏ khoang bằng thép lá mạ kẽm. Khoang đệm có cửa ra vào, cửa có gioăng cao su
để làm kín, khoang đệm phục vụ cơng tác kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa các thiết
5


bị của các khoang cơng nghệ. Ngồi ra nhờ có khoang đệm khi khơng khí qua đây
sẽ có tốc độ đồng đều trên tồn bộ tiết diện điều hịa, nhờ vậy sẽ tăng hiệu quả làm
việc của các khoang công nghệ.
-

Khoang giàn lạnh:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo giàn lạnh

Khoang gồm khung thép, tấm panel cách nhiệt được lắp chặt vào khung, vỏ
khoang phía trong và phía ngồi đều bằng thép mạ kẽm. Tại khoang giàn lạnh có
lắp 2 giàn lạnh cấp 1 và cấp 2. Các giàn lạnh được cấu tạo từ ống chính và ống
nhánh để nước lạnh chảy qua, để tăng cường trao đổi nhiệt phía ngồi các ống
đồng có lắp đặt các cánh tản nhiệt. Toàn bộ giàn lạnh được chế tạo từ đồng nguyên
chất.
Nước lạnh từ trạm lạnh được bơm tuần hoàn đẩy qua giàn lạnh có nhiệt độ
tw1. Khơng khí sau khi được làm sạch bụi tại khoang lọc thô được quạt vận chuyển
qua các giàn lạnh cấp 1 và cấp 2. Khi qua giàn lạnh cấp 1 khơng khí có nhiệt độ t1,
t1 > tw1 và lớn hơn nhiệt độ trên bề mặt giàn lạnh. Khi qua giàn lạnh, khơng khí
trao đổi nhiệt với nước lạnh, kết quả khơng khí khi qua giàn lạnh giảm nhiệt độ
xuống t2 và nước lạnh khi qua giàn lạnh lấy nhiệt từ khơng khí nên tăng nhiệt độ
đến tw2 > tw1. Tương tự khi qua giàn lạnh cấp 2, giữa khơng khí và nước có sự trao
đổi nhiệt, khơng khí giảm nhiệt độ, nước lạnh tăng nhiệt độ. Do nhiệt độ bề mặt
giàn lạnh thấp hơn nhiệt độ điểm sương của khơng khí qua giàn lạnh nên trên bề
mặt giàn lạnh ngưng tụ nước, kết quả dung ẩm khơng khí giảm.
Bơm tuần hồn 4 có nhiệm vụ cung cấp lưu lượng nước lạnh cố định vào
giàn lạnh, lượng nước qua giàn lạnh gồm nước lạnh nhiệt độ thấp lấy từ trạm lạnh
đi theo chiều AB qua van 3 chiều và lượng nước tuần hoàn từ giàn lạnh có nhiệt
6


độ cao tw2 đi qua van 3 chiều theo chiều CB, nhiệt độ nước trước khi vào giàn lạnh
tw1 là hịa trộn 2 lượng nước có nhiệt độ khác nhau nói trên. Cơng suất giàn lạnh
phụ thuộc vào nhiệt độ nước trước khi vào giàn lạnh, nhiệt độ tw1 càng thấp thì
cơng suất giàn lạnh càng cao vì vậy khả năng làm lạnh khơng khí (∆t) và giảm ẩm

(∆d) khi qua giàn lạnh càng lớn. Để điều chỉnh nhiệt độ nước, ta sử dụng van 3
chiều để điều chỉnh lưu lượng thành phần nước có nhiệt độ thấp từ trạm lạnh và
nước tuần hồn có nhiệt độ cao sau khi qua giàn lạnh, hỗn hợp nước sau van 3
chiều có nhiệt độ tw1 phụ thuộc vào tỉ lệ hòa trộn nước. Nếu mở van 3 chiều nhiều,
nhiệt độ nước tw1 sẽ thấp. Ngược lại, đóng van 3 chiều nhiều, nhiệt độ nước tw1
cao, công suất lạnh thấp, nhiệt độ và dung ẩm khơng khí sau giàn lạnh t2 sẽ cao.

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống cấp nước qua giàn lạnh
1- Giàn lạnh điều hòa. 2- Van 3 chiều. 3- Động cơ đóng mở van 3 chiều. 4- Bơm tuần hoàn

-

Khoang phun tăng ẩm:
Khoang phun tăng ẩm gồm: bể chứa nước phun đồng thời chứa nước ngưng

tụ dưới 2 giàn lạnh cấp 1 và cấp 2; Bơm phun tăng ẩm ETA 315, lưu lượng 15m3/h,
áp lực 2,5kg/cm2; Hệ thống ống dẫn nước chính, ống nhánh và các vịi phun (các
vịi phun được bố trí về 2 phía bề mặt giàn lạnh cấp 1 và cấp 2); lưới lọc nước
buồng phun trước khi qua bơm, hệ thống cấp nước bổ sung vào bể.
Khoang phun tăng ẩm hoạt động như sau: Nước từ bể chứa qua lưới lọc sau
đó được bơm phun ẩm đẩy qua tuyến ống vào buồng phun tới các ống nhánh và
qua các vòi phun. Với áp lực cao của bơm P = 2,5kg/cm2, khi qua các thân vịi
phun có cấu tạo đặc biệt để tạo góc văng của nước và cuối cùng qua lỗ vịi phun
đường kính 3mm nước được đập nhỏ dạng sương mù và trực tiếp hịa trộn với
khơng khí, một phần nước được hịa tan vào khơng khí làm tăng dung ẩm, một
phần khơng khí mang theo được 2 bộ tách giọt nước giữ lại và chảy xuống bể chứa.
7


Lượng nước bổ sung được tự động cấp vào bể qua van phao, nước tràn được xả

vào tuyến ống thoát nước. Trong buồng phun, các vòi phun phun trực tiếp nước
lên các giàn lạnh cấp 1 và cấp 2. Khoang buồng phun có lắp cửa kính chun dụng
để kiểm tra và vào/ra buồng phun khi cần thiết.

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo buồng phun tăng ẩm
1,2-Bộ tách giọt nước trước và sau buồng phun; 3-Ống đứng lắp vòi phun; 4-Bơm nước tuần
hoàn; 5-Bộ lọc nước trước khi qua bơm tuần hồn; 6-Vịi phun; 7-Bể chứa nước;
8-Van phao cấp nước lạnh bổ sung cho buồng phun; 9-Phễu thu và đường xả tràn

-

Khoang bộ lọc tĩnh điện:
Bộ lọc tĩnh điện của hệ thống điều hịa gồm 8 khối góp kích thước

500x900mm và 2 khối góp kích thước 400x900mm, các khối góp được lắp đặt trên
giá chuyên dụng, mỗi dãy gồm 2 khối.
Để phun dầu cho các khối góp trong khoang có bố trí hệ thống phun dầu
gồm động cơ, hệ thống truyền động, thùng chứa và bơm phun dầu để phun đều
trên tồn bộ bề mặt khối góp. Để rửa bộ lọc tĩnh điện trong khoang có hệ thống
phun nước nóng được lấy từ bình đun nước nóng cấp vào khoang.
Theo hình 1.8, khơng khí có bụi đi qua vùng 1 (vùng ion hóa bụi trong
khơng khí) vùng ion gồm các điện cực là các sợi dây ion bằng volfram có đường
kính 0,2mm hoặc dây niken có đường kính 0,2mm. Giữa chúng là các tấm nhôm
(3) được nối đất, tạo thành mạng lưới ion hóa với điện áp cao 13.000 V. Các hạt
bụi khi đi qua điện trường với điện áp cao 13.000 V sẽ bị ion hóa. Vùng lắng bụi
(lọc bụi) gồm các tấm nhơm (6) tích điện dương (điện áp 6.500 V), xen giữa chúng
8


là các tấm (8) tích điện âm nối đất (7). Các hạt bụi khi đi qua vùng 1 được tích

điện, khi đi qua khoảng trống giữa (6) và (8) có điện trường mạnh 6.500V sẽ bị
hút về cực (nối đất), bụi sẽ được lắng đọng tại đây. Để tăng khả năng giữ bụi người
ta phun vào các tấm nhôm một lượng dầu có độ nhớt cao từ 250 - 350 cSt.

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của bộ lọc tĩnh điện

1.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hòa khơng khí
Khơng khí tươi (từ mơi trường bên ngồi) và khơng khí tuần hồn (do quạt
hút hút về) được hịa trộn trong khoang hòa trộn theo 1 tỷ lệ nhất định. Tỷ lệ này
do người vận hành cài đặt tùy theo mục đích sử dụng của điều hịa. Khơng khí sau
khi hịa trộn sẽ được đưa vào khoang lọc thơ. Tại đây, các tấm lọc băng có phun
dầu sẽ giữ lại một phần bụi bẩn để làm sạch khơng khí, lượng bụi giữ lại càng
nhiều thì tổn thất áp lực qua cuộn lọc băng càng cao, khi tổn thất áp lực trước và
sau bộ lọc ∆P đến 150 Pa thì bộ lọc sẽ tự động chuyển sang tấm lọc mới, việc
chuyển vị trí được tiến hành nhờ động cơ của bộ lọc. Khơng khí sau khi đi qua
khoang lọc bụi sẽ được chuyển đến khoang sấy cấp I, bộ sấy cấp I chỉ hoạt động
vào mùa đông. Khi nhiệt độ ngoài trời thấp, bộ sấy cấp I sẽ hoạt động để sấy khơng
khí đến nhiệt độ cần thiết phụ thuộc vào nhiệt độ điểm sương của hệ thống điều
hòa (nhiệt độ điểm sương đo được nhờ cảm biến L7022 đặt sau dàn lạnh cấp I).
Nếu là mùa hè, khơng khí sẽ được giàn lạnh cấp I làm lạnh để giảm nhiệt độ đến
nhiệt độ cần thiết (sấy cấp I và lạnh cấp I khơng hoạt động đồng thời). Khơng khí
sau đó tiếp tục được đưa đến buồng phun tăng ẩm, tại đây nếu khơng khí có độ ẩm
thấp thì bộ phun tăng ẩm sẽ hoạt động phun nước dưới dạng sương mù hòa trộn
9


trực tiếp với khơng khí, một phần nước hịa tan vào khơng khí làm tăng dung ẩm,
một phần khơng khí mang theo được 2 bộ tách giọt nước giữ lại và chảy xuống bể
chứa. Khơng khí qua bộ tách giọt được đưa vào khoang giàn lạnh cấp II và sấy cấp
II để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm theo yêu cầu người vận hành. Khơng khí sau đó

được đưa đến bộ tĩnh điện để loại bỏ bụi bẩn và cuối cùng được quạt thổi của hệ
thống điều hòa đưa về các phịng.
Thơng qua tổng quan về hệ thống điều hịa trung tâm, chúng ta có thể thấy
nhiều bộ phận của hệ thống có thể được sử dụng để nghiên cứu, triển khai lắp đặt
hệ thống pin mặt trời để cấp nguồn. Trong luận văn này, em sẽ tập trung vào việc
xây dựng hệ thống PV cấp nguồn cho bộ sấy của điều hịa trung tâm.
Hệ thống điều hịa khơng khí cơng trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh bao
gồm 04 điều hòa trung tâm thực hiện các nhiệm vụ khác nhau: công tác y tế, phục
vụ lễ viếng, phục vụ sinh hoạt…. Trong luận văn này, em sẽ xây dựng mơ hình hệ
thống năng lượng mặt trời cấp nguồn cho một điều hịa trung tâm. Điều hịa trung
tâm này có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ, độ ẩm trong các phòng sinh hoạt của Lăng.
Mỗi một điều hòa trung tâm sẽ có hai bộ sấy điện cấp I và cấp II Bộ sấy điện gồm
các thanh điện trở đấu ghép nhau để có cơng suất theo u cầu, đặt trong ống thép.
Bộ sấy cấp I chỉ hoạt động vào mùa đơng và có nhiệm vụ sấy nhiệt độ khơng khí
đến nhiệt độ điểm sương của hệ thống điều hòa. Bộ sấy cấp I có cơng suất là
57kW/h. Bộ sấy cấp 2 có nhiệm vụ tăng giảm nhiệt độ theo yêu cầu của người vận
hành. Công suất của bộ sấy cấp II là 4kW/h, việc điều chỉnh công suất của bộ sấy
cấp II được thông qua bộ điều chỉnh R7425C.

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.

Năng lượng bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản

ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Tất cả các dạng của bức

xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng
ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà
năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài.
Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn.

Hình 2.1 Dải bức xạ điện từ

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong khơng gian bên ngồi Mặt trời
là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 - 10 µm
đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại
của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của khơng khí nhưng khơng
phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng
và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu sự tán xạ đó chủ yếu
là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí
quyển, bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời và có
thể quan sát được ở những độ cao khơng lớn. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển
cịn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước,
khí CO2 và các hợp chất khác. Mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước
sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng bức
11


xạ Mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày quang đãng ở thời điểm
cao nhất là khoảng 1000W/m2. [2]
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó
trên trái đất là góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã
cho và quãng đường đi của các tia sáng trong khí quyển. Sự mất mát năng lượng
trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày,
mùa, vị trí địa lý. Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngồi khí quyển và thời gian trong

năm có thể xác định theo phương trình sau:
Eng = E0(1 + 0,033 cos

360𝑛𝑛
365

), 𝑊𝑊/𝑚𝑚2

(2.1)

Trong đó: Eng là bức xạ khí quyển được đo trên mặt phẳng vng góc với
tia bức xạ vào ngày thứ n.
2.2.

Pin mặt trời
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng

quang điện trong lớp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong) để tạo
ra dòng điện một chiều khi được chiếu sáng.
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý
người Pháp Alexandre Edmond Becquerel.
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm
mức năng lượng thấp hơn E1.

Hình 2.2 Hệ 2 mức năng lượng điện tử

Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng là hv
(trong đó h là hằng số Plack, v là vận tốc ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển
lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E2 - E1
12

(2.2)


Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử
vịng ngồi, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát
nhau và tạo thành các vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm
đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mặt trên của nó có mức năng
lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm
một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa 2
vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong
đó khơng có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Khi nhận bức xạ mặt trời,
photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và
nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị
một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện tích dương, ký hiệu là h+. Lỗ trống này
có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thu photon có thể được mơ tả bằng
phương trình:
Ev + hv → e- + h+

(2.3)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:
hv = hc\λ ≥ Eg = Ec - Ev.
Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra
cặp e- - h+:
λc =

ℎ𝑐𝑐

𝐸𝐸𝑐𝑐 −𝐸𝐸𝑣𝑣

=

ℎ𝑐𝑐

𝐸𝐸𝑔𝑔

=

1.24
𝐸𝐸𝑔𝑔

µm

(2.4)

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình
phục hồi, e- chuyển động đến mặt của các vùng dẫn Ec, cịn lỗ trống h+ thì chuyển
đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 1012

÷ 10-1 giây và gây ra dao động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá

trình phục hồi sẽ là Eph = hv - Eg.
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ
năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống
e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên

trong.

13