Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời loại cưỡng bức với lưu lượng nước qua vòng lặp collector là hằng số

Luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT
Luận văn: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống nước nóng năng lượng mặt
trời loại cưỡng bức với lưu lượng nước qua vòng lặp collector là hằng số”, làm rõ
những vấn đề sau:
- Tổng quan nguồn năng lượng trong nước và thế giới.
- Mơ hình hóa lý thuyết hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời.
- Thiết kế, chế tạo hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời.
- Xác định thông số tối ưu của lưu lượng khối lượng.
- So sánh kết quả lý thuyết và thí nghiệm sự hoạt động của hệ thống nước nóng
năng lượng mặt trời.
- Kết luận và đề xuất ý kiến.

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

iv

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

ABSTRACT
The thesis: ‘ A stydy on performance improvement of solar hot water with flow of

water through collector loop is constant’, clarified the following issues:
- Overview energy sources in domestic areas and in the world.
- Modeling theory of the solar hot water system .
- Design and manufacturing of solar hot water system .
- Determine optimal parameters of mass flow rate.
- Comparison of theoretical and experimental operation of the solar hot water system.
- Conclusions and recommendations.

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

iv

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

LÝ LỊCH KHOA HỌC..................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................. ii

CẢM TẠ........................................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ........................................................................................................................................ iv
ABSTRACT ..................................................................................................................................... iv
MỤC LỤC......................................................................................................................................... v
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU ....................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG........................................................................................................... viii
Chương 1 ........................................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN ................................................................................................................................... 1
1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan............................................................................. 1
1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta ............................ 1
1.1.2 Nhu cầu sử dụng nước nóng tại Việt Nam .................................................................... 4

1.1.3 Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới ................... 4
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................................ 8
1.3 Mục đích của đề tài .............................................................................................................. 10
1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài......................................................................... 10
1.5 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................... 11
Chương 2 ......................................................................................................................................... 12
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................................... 12
2.1 Lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời........................................................................... 12
2.1.1 Tính tốn năng lượng mặt trời..................................................................................... 12
2.1.2 Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ ........................................................................... 12
2.2 Lý thuyết tính toán collector ............................................................................................... 15
2.2.1 Đặc điểm cấu tạo của bộ thu tấm phẳng (flat-plate collector) .................................. 15

2.2.2 Tính tốn nhiệt bộ thu tấm phẳng ............................................................................... 17
2.3 Lý thuyết tính tốn ............................................................................................................... 33
2.3.1 Bộ thu năng lượng mặt trời .......................................................................................... 33
2.3.2 Bình Tích Trữ ................................................................................................................ 35
2.3.3 Hàm mục tiêu................................................................................................................. 36

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

v

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

2.4 Mô phỏng Matlap ................................................................................................................. 37
2.4.1 Tổng quan về Matlap .................................................................................................... 37
2.4.2. Ứng dụng Matlab trong luận văn. .............................................................................. 38
Chương 3 ......................................................................................................................................... 39
THIẾT LẶP HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ................................................................................... 39
3.1 Mô tả hệ thống ...................................................................................................................... 39
3.2. Các thiết bị chính trong mơ hình ....................................................................................... 42
3.2.1. Bộ thu tấm phẳng ......................................................................................................... 42
3.2.2 Bình tích trữ................................................................................................................... 43

3.2.3 Tấm bọc cách nhiệt ....................................................................................................... 44
3.2.4 Ống nước ........................................................................................................................ 44
3.2.5 Máy bơm nước............................................................................................................... 45
3.2.6 Board mạch điều khiển ................................................................................................. 46
3.2.7 Máy đo bức xạ năng lượng mặt trời Tenmars TM-207. ............................................ 47
3.2.8 Đầu dò nhiệt độ DS18B20 ............................................................................................. 48
3.2.9 Đồng hồ đo lưu lượng nước nóng đa tia SENSUS kiểu cánh quạt............................ 49
3.2.10 Sơ đồ bố trí thiết bị trên hệ thống .............................................................................. 50
3.3 Phương pháp thí nghiệm ..................................................................................................... 51
3.3.1 Mục đích, ý nghĩa .......................................................................................................... 51
3.3.2 Phương pháp.................................................................................................................. 52
3.3.3 Thí nghiệm ..................................................................................................................... 52

Chương 4 ......................................................................................................................................... 54
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................................................................ 54
4.1 Mô phỏng và xác nhận kết quả thí nghiệm ........................................................................ 54
4.2 Thí nghiệm của ba dạng ngày: ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa ứng với lưu lượng
khối lượng m=7,6 (l/p) ............................................................................................................... 56
4.2.1 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày nắng .............................................................................................. 56
4.2.2 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày có mây........................................................................................... 58
4.2.3 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày mưa ............................................................................................... 59
4.3 Thí nghiệm của ba dạng ngày: ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa ứng với lưu lượng

khối lượng m=7,92 (l/p) ............................................................................................................. 61
4.3.1 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày nắng .............................................................................................. 61
4.3.2 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày có mây........................................................................................... 63

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

v

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

4.3.3 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày mưa ............................................................................................... 64
4.4 Thí nghiệm của ba dạng ngày: ngày nắng, ngày có mây và ngày mưa ứng với lưu lượng
khối lượng m=8,64 (l/p) ............................................................................................................. 66
4.4.1 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày nắng .............................................................................................. 66
4.4.2 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối
lượng, nhiệt độ của ngày có mây........................................................................................... 68
4.4.3 Thay đổi của năng lượng hữu ích, năng lượng bức xạ mặt trời, lưu lượng khối

lượng, nhiệt độ của ngày mưa ............................................................................................... 69
4.5 Ảnh hưởng lưu lượng khối lượng đến năng lượng hữu ích và điện năng tiêu thụ của
bơm ứng ...................................................................................................................................... 71
4.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nước ban đầu đến bộ thu năng lượng mặt trời.......................................... 72
4.6.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nước ban đầu đến năng lượng hữu ích và điện năng tiệu thụ
cho bơm ................................................................................................................................... 72
4.6.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nước ban đầu đến tổn thất nhiệt và nhiệt độ bình tích trữ .................. 73
4.7 Ảnh hưởng của diện tích bộ thu năng lượng mặt trời ................................................................ 74
4.7.1 Ảnh hưởng của diện tích bộ thu đến năng lượng hữu ích, điện năng tiêu thụ của
bơm .......................................................................................................................................... 74
4.7.2 Ảnh hưởng của diện tích bộ thu đến tổn thất nhiệt và nhiệt độ bình tích trữ ......... 75
4.8 Ảnh hưởng của thể tích bình tích trữ đến bộ thu năng lượng mặt trời ....................................... 76

4.8.1 Ảnh hưởng của thể tích bình tích trữ đến năng lượng hữu ích, điện năng tiêu thụ
của bơm ................................................................................................................................... 76
4.8.2 Ảnh hưởng của thể tích bình tích trữ đến tổn thất nhiệt và nhiệt độ bình tích trữ 77
4.9 So sánh nhiệt độ bình tích trữ Ts giữa lý thuyết và thực nghiệm theo thời gian. ........... 78
4.10 So sánh tổn thất nhiệt bình tích trữ Qst giữa lý thuyết và thực nghiệm theo thời gian 79
4.11 So sánh nhiệt độ đầu ra khỏi bộ thu Tco giữa lý thuyết và thực nghiệm theo thời gian80
Chương 5 ......................................................................................................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................................... 81
5.1 Kết luận ................................................................................................................................. 81
5.2 Kiến nghị ............................................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 83
PHỤ LỤC ........................................................................................................................................ 87

PHỤ LỤC 1 ..................................................................................................................................... 87
PHỤ LỤC 2 ..................................................................................................................................... 94
PHỤ LỤC 3 ..................................................................................................................................... 99
PHỤ LỤC 4 ................................................................................................................................... 105

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

v

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU
Ac: Diện tích bộ thu (m2)
As: Diện tích bề mặt của bình tích trữ (m2)
Cb: Hệ số dẫn nhiệt mối hàn
Cp: Nhiệt dung riêng của nước (J/kg0C)
D1: Đường kính trong ống (m)
D2: Đường kính ngồi ống (m)
D3: Khoảng cách vỏ ngồi ống (m)
Ep: Điện năng tiêu thụ của bơm (W)
FR: Hệ số dịch chuyển nhiệt bộ thu

F’: Hệ số hiệu suất bộ thu
hin: Hệ số truyền nhiệt bề mặt trong ống
hout: Hệ số truyền nhiệt bề mặt ngoài ống
It: Bức xạ năng lượng mặt trời trên bề mặt bộ thu (W/m2)
Kpipe: Hệ số dẫn nhiệt ống (W/m0C)
Kinsulation: Hệ số vật liệu cách nhiệt (W/m0C)
L: Chiều dài ống (m)
m: Lưu lượng khối lượng (kg/s)
mw: Lưu lượng khối lượng bổ sung (kg/s)
M: Khối lượng bình tích trữ (kg)
Qu: Năng lượng hữu ích của bộ thu (W)
Qw: Dịng nhiệt chuyển từ bình tích trữ cho người sử dụng (W)

Qst: Tổn thất nhiệt của bình tích trữ (W)
ta: Nhiệt độ môi trường (0C)
tci: Nhiệt độ vào bộ thu (0C)
tco: Nhiệt độ ra khỏi bộ thu (0C)
tin: Nhiệt độ trong ống (0C)
tp: Nhiệt độ tấm hấp thụ (0C)

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

vi

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

ts: Nhiệt độ nước trong bộ thu (0C)
Ub: Hệ số tổn thất nhiệt mặt đáy của bộ thu (W/m2 K)
Ue: Hệ số tổn thất nhiệt mặt bên của bộ thu (W/m2 K)
Ut: Hệ số tổn thất nhiệt mặt trên của bộ thu (W/m2 K)
UL: Hệ số tổn thất nhiệt tổng thể bộ thu (W/m2 K)
Up: Hệ số tổn thất nhiệt trong ống (W/m2K)
Us: Hệ số tồn thất nhiệt bình tích trữ (W/m2 K)
Vs : Thể tích bình tích trữ (L)

W: Khoảng cách ống (m)
: Bề dày tấm hấp thụ (m)

  : Tích số truyền-hấp thụ

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

vi

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
nghiêng .....................................................................................................................13
Hình 2.2: Cấu tạo và mặt cắt của bộ thu tấm phẳng dạng cánh - ống ...............16
Hình 2.3: Trao đổi nhiệt bức xạ giữa tấm kính phủ và tấm hấp thụ. ................17
Hình 2.4: quy ước các góc.......................................................................................19
Hình 2.5: Mạng lưới nhiệt trở trong bộ thu phẳng ..............................................22
Hình 2.6: Năng lượng hấp thụ và tổn thất nhiệt của bộ thu phẳng ...................27
Hình 2.7: Kết cấu tấm - ống của bộ thu phẳng. a) Sơ đồ kết cấu tấm - ống. b)
Cân bằng năng lượng cho một phần tử cánh. c) Cân bằng năng lượng cho phần

tử ống. .......................................................................................................................28
Hình 2.8: Dịng nhiệt qua một phần tử chiều dài ống ..........................................31
Hình 2.9: Sơ đồ năng lượng hữu ích Qu của bộ thu và điện năng tiêu thụ S như
là một hàm của lưu lượng khối lượng m . .............................................................36
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời .........................................40
Hình 3.2: Sơ đồ thực tế bộ thu năng lượng mặt trời............................................41
Hình 3.3: Bộ điều khiển năng lượng mặt trời.......................................................41
Hình 3.4: Cấu tạo tấm collector .............................................................................42
Hình 3.5: Bình tích trữ của hệ thống .....................................................................43
Hình 3.6: Tấm cách nhiệt .......................................................................................44
Hình 3.7: Ống dẫn nước nóng của hệ thống .........................................................45
Hình 3.8: Máy bơm nước........................................................................................45

Hình 3.9: Board mạch điều khiển ..........................................................................46
Hình 3.10: Máy đo năng lượng mặt trời Tenmars TM-207 ................................47
Hình 3.11: Đầu dị nhiệt độ DS18B20 (khơng thấm nước) ..................................48
Hình 3.12: Đồng hồ đo lưu lượng nước nóng ASAHI GMK DN 20 ...................49
Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời .......................................50

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

vii

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

Hình 3.14: Sơ đồ thực tế bộ thu năng lượng mặt trời..........................................51
Hình 4.1: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày nắng .........................56
Hình 4.2: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời It và
nhiệt độ trong ngày nắng ........................................................................................57
Hình 4.3: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày có mây .....................58
Hình 4.4: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời It và
nhiệt độ trong ngày có mây ....................................................................................59
Hình 4.5: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày mưa ..........................60
Hình 4.6: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời It và

nhiệt độ trong ngày mưa.........................................................................................60
Hình 4.7: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày nắng .........................61
Hình 4.8: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời và
nhiệt độ trong ngày nắng ........................................................................................62
Hình 4.9: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày có mây .....................63
Hình 4.10: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời và
nhiệt độ trong ngày có mây ....................................................................................63
Hình 4.11: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày mưa ........................64
Hình 4.12: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, bức xạ mặt trời và nhiệt độ
trong ngày mưa........................................................................................................65
Hình 4.13: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày nắng .......................66
Hình 4.14: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời và

nhiệt độ trong ngày nắng ........................................................................................67
Hình 4.15: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày có mây ...................68
Hình 4.16: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời và
nhiệt độ trong ngày có mây ....................................................................................68
Hình 4.17: Thay đổi của lưu lượng khối lượng trong ngày mưa ........................69
Hình 4.18: Thay đổi của năng lượng hữu ích Qu, năng lượng bức xạ mặt trời và
nhiệt độ trong ngày mưa.........................................................................................70

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

vii

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

Hình 4.19: Ảnh hưởng của lưu lượng khối lượng đến năng lượng hữu ích và điện
năng tiêu tốn bơm bộ thu........................................................................................71
Hình 4.20: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban đầu đến năng lượng hữu ích và
điện năng tiệu thụ cho bơm ....................................................................................72
Hình 4.21: Ảnh hưởng nhiệt độ nước ban đầu đến tổn thất nhiệt và nhiệt độ bình tích
trữ..............................................................................................................................73
Hình 4.22: Ảnh hưởng của diện tích bộ thu đến năng lượng hữu ích, điện năng

tiêu thụ của bơm ......................................................................................................74
Hình 4.23: Ảnh hưởng của diện tích bộ thu đến tổn thất nhiệt và nhiệt độ bình tích
trữ..............................................................................................................................75
Hình 4.24: Ảnh hưởng của thể tích bình tích trữ đến năng lượng hữu ích, điện
năng tiêu thụ của bơm ............................................................................................76
Hình 4.25 : Ảnh hưởng của thể tích bình tích trữ đến tổn thất nhiệt và nhiệt độ bình tích
trữ ..............................................................................................................................77
Hình 4.26: So sánh nhiệt độ bình tích trữ Ts giữa lý thuyết và thực nghiệm theo
thời gian. ...................................................................................................................78
Hình 4.27: So sánh tổn thất nhiệt bình tích trữ Qst giữa lý thuyết và thực nghiệm
theo thời gian. ..........................................................................................................79
Hình 4.28: So sánh nhiệt độ ra khỏi bộ thu Tco giữa lý thuyết và thực nghiệm

theo thời gian. ..........................................................................................................80
Hình 5.1: Bộ thu năng lượng mặt trời của Cơng ty Sanofi Tp Hồ Chí Minh ....99
Hình 5.2: Bộ thu năng lượng mặt trời của Công ty nước giải khác Coca Cola
Thủ Đức ....................................................................................................................99
Hình 5.3: Bộ thu năng lượng mặt trời của Bệnh viện Từ Dũ ...........................100
Hình 5.4: Bộ thu năng lượng mặt trời của Khách sạn Rạng Đơng Tp Hồ Chí
Minh........................................................................................................................100
Hình 5.5: Bộ thu năng lượng mặt trời của Công ty Bê Tông SINO PACIFIC
Long An ..................................................................................................................101

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

vii

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

Hình 5.6: Bộ thu năng lượng mặt trời của Bệnh viện Hoàn Mỹ Cửu Long - Cần
Thơ ..........................................................................................................................101
Hình 5.7: Bộ thu năng lượng mặt trời của Nhà máy gỗ Vina Eco Broad ........102
- Long An ...............................................................................................................102
Hình 5.8: Tác giả thăm quan Nhà máy gỗ Vina Eco Broad - Long An ...........102

Hình 5.9: Bộ thu năng lượng mặt trời của Bệnh viện Tiền Giang ...................103
Hình 5.10: Bộ thu năng lượng mặt trời của Bệnh viện Mỹ Phước – ................103
Bình Dương ............................................................................................................103
Hình 5.11: Tác giả thăm quan Bệnh viện Mỹ Phước - Bình Dương ................104

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

vii

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Số liệu thí nghiệm trung bình của 3 ngày nắng ứng với mức lưu lượng 7.92 (l/p)
........................................................................................................................................................................ 87
Bảng 4.3: Số liệu thí nghiệm của ngày có mây ứng với mức lưu lượng 7.92 (l/p) ................. 89
Bảng 4.4: Năng lượng hữu ích nhận được theo giờ Qu (Wh), nhiệt độ môi trường Ta (0C),
nhiệt độ nước vào bộ thu Tci (0C), nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu Tco (0C) và nhiệt độ nước tại
bình tích trữ Ts (0C) thay đổi theo giờ ứng với ngày có mây........................................................ 90
Bảng 4.5: Số liệu thí nghiệm của ngày mưa ứng với mức lưu lượng 7.92 (l/p) ...................... 91
Bảng 4.6: Năng lượng hữu ích nhận được theo giờ Qu (Wh), nhiệt độ môi trường Ta (0C),
nhiệt độ nước vào bộ thu Tci (0C), nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu Tco (0C) và nhiệt độ nước tại

bình tích trữ Ts (0C) thay đổi theo giờ ứng với ngày mưa............................................................. 92
Bảng 4.7: Mối liện hệ giữa năng lượng hữu ích và điện năng tiêu thụ ứng với từng mức lưu
lượng khối lượng....................................................................................................................................... 93

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

viii

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan
1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta
1.1.1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới
* Tình hình năng lượng thế giới
Vào đầu thế kỷ thứ 21 thế giới đang đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt.
Trong đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất chính là sự khủng hoảng về năng
lượng. Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong
vòng 24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế

giới có thể tăng thêm 54% (ước 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 như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á.

Hình 1.2 Tiêu thụ năng lượng phân theo
khu vực (đơn vị nghìn triệu Btu) [24]

Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lượng của thế giới
từ 1970-2025 (đơn vị nghìn triệu Btu) [24]

Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên tồn cầu cũng là một yếu
tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng. Dân số thế giới đã tăng từ khoảng

5,5 tỷ người trong năm 1993 lên tới gần 7,3 tỷ người vào năm 2015.

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

1

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

*Vài nét chung về nhu cầu năng lượng của thế giới

Về vấn đề này, có 3 điểm chúng ta cần lưu ý. Một là, nhu cầu về năng lượng
của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Thứ hai là, nguồn
năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2015.
Thứ ba là, nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng khơng
giống nhau.

Hình 1.4 Lượng khí thảy CO2 sinh ra do sử
dụng năng lượng hóa thạch [24]

Hình 1.3 mức tiêu thụ của các nguồn năng
lượng của thế giới 1970-2025 (đơn vị nghìn
triệu triệu Btu) [24]

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

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

2

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo
vấn đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu. Đây là vấn đề mà cả
thế giới đang rất quan tâm. Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn

năng lượng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách.

Hình 1.5 Tiêu thụ năng lượng thế giới theo
nguồn năng lượng 1970-2025 (đơn vị nghìn
triệu triệu Btu) [24]

Hình 1.6 Biểu đồ tiêu thụ năng lượng thế giới
của các nguồn năng lượng (%) [24]

1.1.1.2 Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Việt Nam
Theo một báo cáo của Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương). Hiện nay,
nguồn năng lượng của Việt Nam hiện đang cạn kiệt dần. Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn;

dầu còn 2,3 tỷ tấn… Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ
cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới
còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150 - 200 năm.
Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể cịn hết trước thế giới
một vài chục năm. Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo
đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12% - 20% năng lượng, đến năm
2050 lên đến 50% - 60%, chưa kể điện hạt nhân. Tình hình năng lượng hiện nay của
chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện. Thủy
điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá
lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dịng chảy tác động tiêu cực đến mơi

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

3

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

trường sinh thái. Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án. Về
xăng dầu, hiện nay chúng ta vẫn phải nhập khẩu, dự tính khi nhà máy lọc dầu Dung
Quất đưa vào sử dụng năm 2009 - 2010, mới chỉ cung cấp được khoảng trên 5 triệu
tấn xăng dầu cho giao thông vận tải trong tổng số nhu cầu 15 - 17 triệu tấn, vẫn phải

nhập trên 10 triệu tấn. Đến năm 2020, khi đưa tiếp 2 nhà máy lọc dầu vào hoạt động
chúng ta có chừng 15 - 16 triệu tấn xăng dầu trong tổng nhu cầu 30 - 35 triệu tấn, vẫn
phải nhập ít nhất 15 triệu tấn. Rõ ràng, hiện nay chúng ta chưa tự chủ được nhiều
trong vấn đề năng lượng. Trong khi đó, những tác động của thiếu điện hay tăng giá
xăng đều ảnh hưởng xấu đến nền kinh tế.
Mặc dù chúng ta là nước đang phát triển nhưng cũng khơng nằm ngồi xu hướng
chung của thế giới. Ước tính nhu cầu năng lượng 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 nước nóng tại Việt Nam
Nhu cầu sử dụng nước nóng ở nước ta là rất lớn không chỉ trong ngành dịch vụ,
du lịch mà cả các ngành cơng nghiệp.
Nhu cầu sử dụng nước nóng trong sinh hoạt, sản xuất rất lớn, tuy nhiên nguồn

năng lượng cung cấp các quá trình gia nhiệt thường là điện năng (bình nước nóng
trong sinh hoạt), năng lượng hóa thạch cấp nhiệt q trình sản xuất nước nóng phục
vụ trong các ngành công nghiệp.
Những năm gần đây, một số hộ gia đình cũng như các khách sạn đã thay thế hệ
thống nước nóng cũ để sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời cũng như có
nhiều dự án lớn lắp đặt hệ thống sản xuất nước nóng năng lượng mặt trời.
1.1.3 Khái quát tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam và trên thế giới


Ở ngoài nước
- Kroll và Ziegler [1] trình bày các thí nghiệm và mơ phỏng cho hệ thống với

thể tích bình tích trữ nhỏ để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm hộ gia đình, về tính hữu ích và
tính khả thi kinh tế so với hệ thống có thể tích bình tích trữ lớn (với thể tích lên đến
3000 – 60.000 m3 ). Các mô phỏng bao gồm hai năm vận hành liên tục và đưa ra các
kết luận rằng hệ thống với bình tích trữ nhỏ có thể đạt giá trị năng lượng hữu ích cho

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

4

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

mỗi mét vuông bộ thu và năng lượng hữu ích cho mỗi mét khối bồn tích trữ tương
đương với dự án quy mô lớn.
- Orbach và các cộng sự [2] trình bày việc điều khiển vận tốc chất lỏng tối đa
hóa năng lượng bộ thu trong một khoảng thời gian cố định. Điều kiện cần thiết để tối
ưu là đưa ra tập hợp các phương trình có lời giải điều khiển tối ưu. Kết quả điều khiển
tối ưu là một vịng lặp mở, vịng lặp đóng-mở phụ thuộc vào hai điều kiện: trạng thái
đo lường chất lỏng của bộ thu, dự báo dữ liệu thời tiết.
- Furbo và Shah [3] đề xuất hai phương pháp được sử dụng để xác định điều
khiển dòng chảy tối ưu cho vịng tuần hồn bộ thu hệ thống nước nóng năng lượng
mặt trời. Thứ nhất, lưu lượng khối lượng xác định như là một hàm tổng quát của bức

xạ năng lượng mặt trời ngẩu nhiên đến bộ thu. Furbo et al. Kết luận rằng hiệu suất
nhiệt tăng 0,8%. Trong thực tế, phương pháp này khơng thể sử dụng vào những ngày
có mây, khi sự xuất hiện đột ngột của những đám mây thì hoạt động bộ thu trong
vịng lặp là khơng ổn định. Thứ hai, lưu lượng khối lượng xác định như là một hàm
của sự khác biệt giữa nhiệt độ đầu ra bộ thu năng lượng mặt trời và nhiệt độ nước
trong bình tích trữ. Họ cũng kết luận rằng hiệu suất nhiệt tăng 0,9%. Đối với phương
pháp này, vòng lặp bộ thu năng lượng mặt trời sẽ làm việc ổn định hơn nếu lưu lượng
khối lượng không phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện thời tiết, mặc dù nó cần phải được
phát triển để có hiệu suất nhiệt tốt.
- Sweet và McLeskey Jr [4] mô tả ứng dụng của SSTES (seasonal solar thermal
energy storage) cho nhà ở riêng lẻ. Đặc biệt, TRNSYS được sử dụng để mô phỏng,
đánh giá và tối ưu hóa hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt của mặt trời trong mùa nóng

sử dụng trong mùa lạnh.
- Kulkarni, và các cộng sự [5] trình bày tác dụng bổ sung nước vào bình tích trữ
hệ thống được nghiên cứu và đề xuất biện pháp cải thiện thiết kế và hiệu suất hệ thống
sưởi ấm nước bằng năng lượng mặt trời. Vấn đề đã được phân tích bằng cách sử dụng
phương pháp gọi là phương pháp thiết kế tiếp cận không gian.

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

5

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

- Medeiros và cộng sự [6] nghiên cứu nhằm mục đích phát triển phần mềm mơ
phỏng, thiết kế tối ưu hóa hệ thống sưởi ấm nước hỗn hợp (năng lượng mặt trời và
điện), bằng cách sử dụng phần mềm MATLAB.
- Zelzouli và các cộng sự [7] trình bày mơ hình hệ thống sưởi năng lượng mặt
trời nhiều bộ thu dự đoán hệ thống. Hai hệ thống được đề xuất: (1) đầu tiên, nước
nóng năng lượng mặt trời trực tiếp, trong đó bao gồm bộ thu tấm phẳng và bình tích
trữ, (2) thứ hai, nước nóng năng lượng mặt trời gián tiếp, trong đó thêm bộ trao đổi
nhiệt bên ngoài, hệ thống này làm việc hiệu quả hơn so với hệ thống đầu tiên. Lưu
lượng khối lượng bộ thu cố định là 0,04 kg s và tổng số bộ thu được điều chỉnh đến

60. Tuy nhiên tác giả đã chứng minh rằng số lượng bộ thu được kết nối bị hạn chế.
- Kavarik và Lesse [8] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết bài toán điều khiển lưu
lượng dịng chảy tối ưu để tìm ra sự khác biệt lớn nhất giữa năng lượng hữu ích và
điện năng tiêu tốn cho bơm nước trong vịng tuần hồn bộ thu. Trong nghiên cứu này,
bộ thu tấm phẳng và bình tích trữ được giả định rằng khơng có sự cung cấp nước
nóng cho người sử dụng trong suốt q trình bơm hoạt động.
- Winn và Hull lll [9] đã phát triển mơ hình tối ưu bài tốn cơ bản dựa trên hệ
số dịch chuyển nhiệt, trong mơ hình xây dựng này, các giá trị đo lường (ví dụ như
nhiệt độ, bức xạ năng lượng mặt trời) của hệ thống không yêu cầu trước nhưng giải
pháp bằng số tạo ra trạng thái với sự thay đổi thích hợp.
- Dorato và Jamshidi, Orbach et al và Beckman et al [10-11] cũng báo cáo về
điều khiển tối ưu cho hệ thống thu năng lượng mặt trời với phương pháp điều khiển

đóng-mở.
- Dorato [12] áp dụng kỹ thuật tối ưu động cho thiết kế hệ thống điều khiển năng
lượng nhiệt mặt trời. Áp dụng các nguyên tắc tối đa Pontryagin của năng lượng mặt
trời để thiết kế hệ thống điều khiển. Đây là chủ đề đặc biệt được quan tâm trong các
hệ thống năng lượng mặt trời, ví dụ ngun tắc tối đa hóa Pontryagin, tối ưu hóa
tuyến tính bậc hai, điều khiển đóng-mở, tối ưu hóa định kỳ, ngẫu nhiên…

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

6

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

- Salteil và Sokolov [13] đã đưa ra một phân tích số cho tối ưu lưu lượng dòng
chảy của bộ thu năng lượng mặt trời đa thành phần với hai loại cấu hình: tuần hồn
và một chiều với điều kiện thời tiết được giả định là một hàm sin theo thời.
- Năm 2008, Badescu [14] đánh giá hệ thống năng lượng mặt trời bằng việc điều
khiển tối ưu lưu lượng bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng theo kiểu đóng-mở. Kết
quả cho thấy hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời cao hơn phương pháp điều
khiển tối ưu lưu lượng không đổi.
- Yumrutas và Unsal [15] trình bày và phân tích mơ hình dự đốn hiệu suất lâu

dài của hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời với bơm nhiệt và bình tích trữ.
- Năm 2013, Nhựt và Park [16] đánh giá hệ thống năng lượng mặt trời bằng việc
điều khiển dòng chảy tối ưu cho vịng tuần hồn bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống
chân không bởi bơm biến tần. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tăng so với điều
khiển đóng-mở là 1,54%.


Ở trong nước
Ở nước ta tuy việc tiếp cận với cơng nghệ sản xuất nước nóng bằng năng lượng

mặt trời chỉ trong thời gian gần đây, song chúng ta đã đi tắt đón đầu. Hiện nay, đã có
một số nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng phù hợp trong điều kiện ở nước ta.

Một số trung tâm nghiên cứu đi đầu trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng
mặt trời để sản xuất nước nóng như:
- RECTERE – Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng mới, đại học
bách khoa Tp Hồ Chí Minh: đây là nơi đã có những nghiên cứu và ứng dụng đạt hiệu
quả cao.
- Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp Hồ Chí Minh.
- Các trung tâm tiết kiệm năng lượng: tư vấn thiết kế các hệ thống sử dụng bơm
nhiệt kết hợp với năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng.
Những cơng ty, xí nghiệp, bệnh viện, nhà hàng khách sạn sử dụng năng lượng
mặt trời loại cưỡng bức [phụ lục 3]

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

7

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại hiện nay, kinh tế và dân số phát triển mạnh mẽ dẫn đến nhu cầu
tiêu thụ năng lượng ngày một tăng cao đã dẫn đến cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch

và làm tăng lượng khí thải như CO2, SOx, và NOx vào bầu khí quyển. Từ những lý
do trên, nhiều nước đã hướng đến sự tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái
tạo [15]. Do sự biến đổi khí hậu, nóng lên tồn cầu, sự khan hiếm nguồn năng lượng
hóa thạch và các chi phí năng lượng ngày càng tăng, chính vì vậy nghiên cứu về năng
lượng tái tạo đã trở thành một vấn đề nóng trong những năm gần đây. Đặc biệt, nghiên
cứu về năng lượng mặt trời mà chủ yếu tập trung vào các hệ thống nhiệt mặt trời để
sưởi ấm, gia nhiệt nước nóng được nhiều nước trên thế giới chú trọng, quan tâm. Thế
giới hiện nay đang nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng
mặt trời, năng lượng gió… Theo bách khoa tồn thư: năng lượng tái tạo, hay năng
lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con
người là vơ hạn. Trong các nguồn năng lượng tái tạo có thể nói nguồn năng lượng
mặt trời là nguồn năng lượng vơ tận, có thể sản xuất điện năng hay nước nóng. Việt

Nam khơng tránh khỏi tình trạng thiếu hụt nguồn năng lượng như thế giới. Do đó,
việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống được
phát triển mạnh mẽ.
Các nước đang phát triển trên thế giới phát triển mạnh mẽ lĩnh vực sản xuất
nước nóng bằng năng lượng mặt trời như Mỹ, Đức, Pháp, Tây Ban Nha, Trung
Quốc… Ở Việt Nam tuy chỉ mới ứng dụng năng lượng tái tạo cách đây không lâu
nhưng tốc độ phát triển rất nhanh chóng, đặc biệt là sản xuất nước nóng bằng năng
lượng mặt trời. Do vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng mặt trời
vô cùng lớn, đặc biệt là ở thành phố Hồ Chí Minh, nơi mà nhu cầu sử dụng nguồn
nước nóng khơng chỉ phục vụ cho hộ gia đình mà cịn cho các khách sạn, chung cư
cao cấp, khu nghỉ dưỡng, bệnh viện... Do đó, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
để sản xuất nước nóng thay cho các phương thức truyền thống như dùng điện trở, lị

hơi… có ý nghĩa hết sức to lớn.

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

8

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

Việc thu năng lượng mặt trời là thành phần chính của hệ thống này, hiệu suất là

một yếu tố quan trọng chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng khối lượng của bơm bộ thu.
Ngoài ra, hiệu suất cũng bị ảnh hưởng bởi chất lỏng chứa trong các ống dẫn nhiệt bộ
thu năng lượng mặt trời. Trong số các biến điều khiển bộ thu năng lượng mặt trời,
lưu lượng khối lượng là thông số duy nhất được thay đổi trong quá trình hoạt động.
Sự cải thiện hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời là nguyên nhân chính cho việc giảm
tiêu thụ năng lượng nguồn nhiệt phụ.
Gần đây, Furbo và Shah [3] đề xuất hai phương pháp có thể được sử dụng để
xác định điều khiển dòng chảy tối ưu cho vòng lặp bộ thu của hệ thống nước nóng
năng lượng mặt trời. Thứ nhất, lưu lượng khối lượng được xác định như là một hàm
tổng quát của bức xạ năng lượng mặt trời ngẩu nhiên đến bộ thu m  0, 01. I t .

Ac

kg s
60

Furbo et al. Kết luận rằng hiệu suất nhiệt tăng 0,8%. Trong thực tế, phương pháp này
không thể sử dụng vào những ngày có mây, khi sự xuất hiện đột ngột của những đám
mây thì hoạt động của bộ thu trong vịng lặp không ổn định. Thứ hai, lưu lượng khối
lượng được xác định như một hàm của sự khác biệt giữa nhiệt độ đầu ra bộ thu năng
lượng mặt trời và nhiệt độ nước trong bình tích trữ ( m  0, 025.t.

Ac
kg s ). Họ cũng
60

kết luận rằng hiệu suất nhiệt tăng 0,9%. Đối với phương pháp này, vịng tuần hồn
bộ thu năng lượng mặt trời sẽ làm việc ổn định hơn nếu lưu lượng khối lượng không
phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện thời tiết, mặc dù nó cần phải được phát triển để có
hiệu suất nhiệt tốt. Trong nghiên cứu này, Furbo và Shah [3] đã dùng phương pháp
thứ hai mở rộng và sửa đổi, để dự đoán hiệu suất nhiệt sử dụng mơ hình tốn học đơn
giản. Các mối quan hệ giữa năng lượng hữu ích và điện năng tiêu thụ bơm nước vịng
tuần hồn bộ thu năng lượng mặt trời, được nghiên cứu để có phương trình tối ưu cho
lưu lượng khối lượng thay đổi và hỗ trợ việc thiết kế bộ điều khiển bơm nước vòng
tuần hoàn bộ thu năng lượng mặt trời. Ngoài ra, ảnh hưởng các thơng số khác như
diện tích bộ thu năng lượng mặt trời, nhiệt độ nước ban đầu, và thể tích bình tích trữ.
Theo Nhựt và Park [16] lưu lượng khối lượng thay đổi tối ưu xác định là

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

9

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

m  0, 05.t.

Ac
kg s (Kv = 0,05), Tại giá trị này, mức năng lượng hữu ích bộ thu năng
60

lượng mặt trời Qu tăng khoảng 1,54% trong khi điện năng tiêu thụ bơm nước vịng
tuần hồn bộ thu Ep giảm mạnh tới 65,6% khi dòng chảy liên tục được thay thế bởi
dòng chảy biến đổi bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng.
Hiện nay, các hệ thống năng lượng mặt trời được ứng dụng nhiều trong các cơng
ty, xí nghiệp, nhà hàng và khách sạn ở Việt Nam, hầu hết sử dụng chủ yếu là kiểu lưu
lượng cưỡng bức qua vịng tuần hồn bộ thu là hằng số. Tuy nhiên cho đến nay chưa
có một nghiên cứu đánh giá lưu lượng tối ưu của hệ thống năng lượng mặt trời. Tóm
lại, ở thế giới chỉ có tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời loại cưỡng bức với lưu

lượng khối lượng dòng chảy thay đổi, chưa có nghiên cứu nào về tối ưu hệ thống
năng lượng mặt trời loại cưỡng bức với lưu lượng nước qua vịng tuần hồn là hằng
số, cịn ở Việt Nam thì hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời loại cưỡng bức được
vận hành chủ yếu dựa vào kinh nghiệm chưa có một nghiên cứu nào đánh giá lưu
lượng khối lượng tối ưu. Theo tài liệu solar engineering of thermal processes của
Duffie, J.A., Beckman, W.A. [17] thì giá trị đề xuất lưu lượng khối lượng tối ưu là
0,01 – 0,02 kg m2 s . Đó cũng chính là lý do em chọn đề tài luận văn:“Nghiên cứu
nâng cao hiệu suất hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời loại cưỡng bức với lưu
lượng nước qua vòng lặp collector là hằng số”.
1.3 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tấm
phẳng loại cưỡng bức với lưu lượng nước qua vòng lặp collector là hằng số.

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài
Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tấm
phẳng loại cưỡng bức với lưu lượng nước qua vòng tuần hoàn collector là hằng số:
- Lý thuyết bộ thu năng lượng lượng mặt trời
- Viết chương trình mơ phỏng
- Chế tạo mơ hình thực nghiệm để xác định lưu lượng tối ưu

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

10

HVTH: Nguyễn Du

Luận văn thạc sĩ

Trong đề tài này tác giả không đi sâu nghiên cứu lý thuyết về các loại bộ thu
mà chỉ giới hạn loại bộ thu tấm phẳng, viết chương trình mơ phỏng, chế tạo mơ hình
thực nghiệm để so sánh kết quả. Khu vực nghiên cứu ứng dụng là xí nghiệp, khách
sạn, khu du lịch tại thành phố Hồ Chí Minh và khu vực phía Nam Việt Nam.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng mơ hình lý thuyết

-

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống nước nóng năng lượng mặt

trời loại cưỡng bức với lưu lượng nước qua vòng lặp collector là hằng số
-

Khảo sát thí nghiệm để lấy các thơng số như nhiệt độ mơi trường, nhiệt độ

bình tích trữ…
-

Phân tích và đánh giá

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

11

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết về năng lượng bức xạ mặt trời
2.1.1 Tính tốn năng lượng mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố: góc
nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi
của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (góc
giữa phương từ điểm quan sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó).
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là
quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán
xạ, hấp thụ bức 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:
360n 

2
Eng  E0 1  0,033cos
, W m
365



(2.1)

Trong đó: E ng là bức xạ ngồi khí quyển được đo trên mặt phẳng vng góc với
tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
2.1.2 Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ
Một số khái niệm:
- Hệ số khối khơng khí m: là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia
bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt
trời ở thiên đỉnh)
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do
sự phát tán của bầu khí quyển.
- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng
xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

12

HVTH: Nguyễn Du


Luận văn thạc sĩ

- Cường độ bức xạ (W m2 ): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương
ứng với một đơn vị diện tích bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ

Etrx , cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ E qp

- Năng lượng bức xạ ( J m 2 ): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn
vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian.
- Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với
quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh người quan sát.
- Góc vĩ độ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường
xích đạo trái đất, với hướng phái bắc là hướng dương.
-900    900
- Góc nghiêng : góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính tốn và phương nằm ngang.
0   1800 ( >900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)
- Góc phương vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên

mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến.
-1800    1800
- Góc giờ mặt trời : góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đơng hoặc phía
tây của kinh tuyến địa phương do q trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy
giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy (-), buổi chiều lấy đấu (+)

Hình 2.1: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng

GVHD: TS. Lê Minh Nhựt

13

HVTH: Nguyễn Du