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

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỂ NGƯNG TỤ
HƠI NƯỚC TRONG KHƠNG KHÍ, SỬ DỤNG NGUỒN
ĐIỆN TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI

MÃ SỐ:SV2019 – 02

SKC 0 0 6 8 2 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỢNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CỦA SINH VIÊN
ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỂ NGƯNG TỤ HƠI NƯỚC
TRONG KHƠNG KHÍ, SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN
TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI
Mã số đề tài: SV2019 – 02
Thuộc nhóm ngành nghiên cứu: Khoa học – kỹ thuật

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỢNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CỦA SINH VIÊN
ỨNG DỤNG BỘ LÀM MÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỂ NGƯNG TỤ HƠI NƯỚC
TRONG KHƠNG KHÍ, SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN
TRỰC TIẾP TỪ PIN MẶT TRỜI
Mã số đề tài: SV2019 – 02
Thuộc nhóm ngành nghiên cứu: Khoa học – kỹ thuật
Giảng viên hướng dẫn: T.S LÊ MINH NHỰT
Sinh viên thực hiện: TRẦN CÔNG DANH
Nam/Nữ: Nam
PHAN THANH HUY
Nam/Nữ: Nam
ĐỖ NGỌC PHỤNG
Nam/Nữ: Nam
Dân tộc: Kinh
Năm thứ: 4/ Số năm đào tạo: 4.5
Lớp: 159470A
Khố: 2015
Ngành học: Cơng nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2019

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt bốn năm vừa qua, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ gia đình,
q thầy cơ, bạn bè và các anh chị khóa trước đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hướng dẫn
chúng em tận tình trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành
phố Hồ Chí Minh.
Lời đầu tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc nhất đến TS Lê Minh
Nhựt. Trong suốt thời gian vừa qua, thầy luôn quan tâm và chia sẻ, chỉ dẫn cho nhóm em
tận tình về những khó khăn chúng em gặp phải trong quá trình thực hiện nghiên cứu.
Trong suốt thời gian qua, chúng em đã học được từ thầy rất nhiều không chỉ về thái
độ làm việc, sự nghiêm túc trong công việc và nghiên cứu cũng như lượng kiến thức quý
báu sẽ là điểm tựa để chúng em có thể ứng dụng vào công việc sau này. Cùng sự quan tâm,
yêu thương của q thầy cơ trong bợ mơn, q các anh chị khóa trước và gia đình đã giúp
đỡ chúng em hồn thành tốt đề tài: “Ứng dụng bợ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước
trong khơng khí, sử dụng nguồn điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời”.
Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn bợ q thầy cô trong bộ môn Nhiệt – Điện
lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận
lợi, truyền đạt cho chúng em những kiến thức rất q báu giúp cho chúng em có nền tảng
để chúng em có thể vận dụng tính tốn, làm báo cáo kết quả nghiên cứu một cách tốt nhất.
Chúng em cũng gửi lời lời cảm ơn sâu sắc đến các anh chị khóa trước (khóa k11, k12, K13,
k14) đã hỗ trợ, giúp đỡ chúng em tận tình và có những sự chỉ dẫn cần thiết để chúng em
biết cách tra cứu tài liệu phục vụ cho nghiên cứu khoa học.
Cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo khoa cơ khí
đợng lực đã tạo mọi điều kiện để chúng em kịp thời khắc phục những thiếu sót trong q
trình làm thủ tục chuẩn bị cho ngày nghiệm thu và bảo vệ đề tài của nhóm chúng em.
Với điều kiện thực hiện đồ án cũng như kinh nghiệm còn non nớt, trong quá trình làm
nghiên cứu của chúng em khơng thể tránh khỏi những thiếu sót ngớ ngẩn. Vì vậy, chúng
em kính mong nhận được những phản hồi và những đóng góp ý kiến từ q các thầy cơ để
chúng em rút ra được bài học cho mình cũng như là những trang bị cần thiết trước khi

chúng em được tiếp cận với môi trường công nghiệp chun nghiệp, tránh khỏi những thiếu
sót trong những cơng việc sau này của chúng em.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn!

II


TÓM TẮT
Thực trạng thiếu nước sạch sử dụng vẫn còn đang diễn ra ở nhiều nơi, nhiều quốc gia
trên thế giới. Đặc biệt là những nơi thường xuyên phải đối mặt với hạn hán hay những nơi
có nguồn nước bị ơ nhiễm, nhiễm mặn. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu khoa học kỹ thuật
để đưa ra các giải pháp nhằm khắc phục tình trạng thiếu nước là mợt điều hết sức cần thiết.
Trong đó, ngưng tụ nước từ không khí được xem như là mợt bước đợt phá mới để đảm bảo
cung cấp lượng nước cần thiết phục vụ cho con người. Trong nghiên cứu này, nhóm đã
đưa ra một giải pháp mới nâng cao hiệu quả của quá trình ngưng tụ nước từ khơng khí bằng
cách sử dụng bộ làm mát nhiệt điện Peltier thông qua việc tận dụng nguồn năng lượng mặt
trời làm nguồn phát. Từ việc đưa ra phương án cho đến việc thực hiện tính tốn thiết kế và
chế tạo mơ hình, cùng với đó là thu thập và xử lí các số liệu thơng qua thực nghiệm dưới
nhiều điều kiện thời tiết khác nhau (trời nắng và trời nhiều mây, mưa) đã giúp cho bài
nghiên cứu thể hiện một cách rõ ràng cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ làm mát nhiệt
điện Peltier và pin năng lượng mặt trời - hai mảnh ghép chính của mơ hình ngưng tụ nước
trong khơng khí. Mặc dù kết quả thu được từ lượng nước ngưng là rất hạn chế, song việc
tận dụng nguồn năng lượng mặt trời vơ tận thì ta có thể mong đợi mợt kết quả mang tín
hiệu tích cực hơn khi hệ thống làm việc ổn định qua từng ngày và cho ra nhiều lượng nước
ngưng hơn theo thời gian.
Ngoài ra, bài nghiên cứu cịn đề cập đến mợt số nghiên cứu trong và ngoài nước có
liên quan đến mơ hình giúp cho người đọc có mợt góc nhìn đa dạng và chi tiết hơn với
nhiều loại hệ thống ngưng tụ nước trong khơng khí sử dụng bợ làm mát nhiệt điện Peltier.
Đồng thời, bài nghiên cứu còn là cơ sở để phục vụ cho các mục đích nghiên cứu sâu và xa

hơn, nhằm hồn thiện và phát triển hơn mơ hình ngưng tụ nước để tối ưu hóa và cho ra kết
quả đáng mừng hơn.

III


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................. VII
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................. IX
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... XII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1.Đặt vấn đề ...................................................................................................................................... 1
1.1.1.

Năng lượng tái tạo và mơi trường ...................................................................1

1.1.2.

Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của thế giới ..........................................2

1.1.3.

Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta ..........................................5

1.1.4.

Nhu cầu sử dụng nước sạch ở Việt Nam .........................................................6

1.1.5.

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................8

1.1.6.

Khả năng ứng dụng đề tài nghiên cứu .............................................................9

1.2.Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước .............................................................. 10
1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................10

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................................10

1.3.Mục tiêu đề tài ............................................................................................................................ 11
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................ 12
2.1.Cơ sở tính tốn ............................................................................................................................ 13
2.2.Tính tốn hệ thống ..................................................................................................................... 17
2.2.1.

Chọn các thơng số làm việc và điều kiện mơi trường ...................................17

2.2.2.

Tính toán sơ bợ cơng suất hệ thống và tính chọn Pin mặt trời ......................19

2.3.Tính tốn thiết kế hệ thống ngưng tụ nước trong khơng khí .......................................... 20
2.3.1.

Đưa ra phương án thiết kế .............................................................................20

2.3.2.

Tính tốn thiết kế hệ thống ............................................................................21
IV


2.3.3.

Tính tốn tổn thất điện và tổn thất nhiệt ........................................................27

2.4. Mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics .................................. 30
2.4.1 Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics ......................................................30
2.4.2. Môi trường Comsol Multiphysics ....................................................................31
2.4.3. Mợt số thành phần chính của Comsol Multiphysics .........................................34
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ............................................................ 36
3.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống ...................................................................... 36
3.1.1.

Sơ đồ hoạt động của hệ thống .......................................................................36

3.1.2.

Nguyên lý hoạt đợng của hệ thống ................................................................36

3.1.3.

Các thiết bị chính cấu thành nên mơ hình: ....................................................42

3.1.4.

Mạch giảm áp DC – DC XL4015 4 ÷ 38V/ 5A .............................................45

3.2.Phương pháp thí nghiệm .......................................................................................................... 46
3.3.Các thiết bị đo ............................................................................................................................. 47
3.3.1. Đo bức xạ mặt trời: ...........................................................................................47
3.3.2. Đo tốc đợ gió .....................................................................................................48
3.3.3. Đo nhiệt đợ ........................................................................................................49
3.3.4. Đo nhiệt đợ và đợ ẩm khơng khí .......................................................................50
3.3.5. Đo điện áp hoạt động của hệ thống ...................................................................51
3.4.Các phương pháp đo.................................................................................................................. 52
3.4.1. Đo nhiệt độ bộ tản nhiệt ....................................................................................52
3.4.2. Đo nhiệt đợ, đợ ẩm của dịng khơng khí trước và sau khi được làm lạnh .......52
3.4.3. Đo cường độ bức xạ mặt trời ............................................................................53
3.4.4. Đo tốc đợ dịng khơng khí cấp ..........................................................................54
3.4.5. Đo điện áp, cường đợ dịng điện .......................................................................55
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................. 56
V


4.1. Kết quả mô phỏng truyền nhiệt trên Comsol Multiphysics ........................................... 56
4.1.1. Kết quả mô phỏng .............................................................................................56
4.2. Ảnh hưởng của nhiệt đợ mơi trường đến quá trình ngưng tụ nước ............................. 58
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều
kiện ngày nắng ............................................................................................................59
4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt đợ mơi trường đến quá trình ngưng tụ nước trong điều
kiện ngày mây .............................................................................................................60
4.3. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống ......................... 61

4.3.1. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống trong điều
kiện ngày nắng ............................................................................................................61
4.3.2. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu quả làm việc của hệ thống trong điều
kiện ngày mây .............................................................................................................63
4.4. Lượng nước ngưng tụ được. .................................................................................................. 65
4.4.1. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày nắng ....................................65
4.4.2. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày mây.....................................66
4.4.3. Lượng nước ngưng tụ được trong điều kiện ngày mưa ....................................67
4.5. Hệ số làm lạnh của Peltier ...................................................................................................... 68
4.6. So sánh kết quả thí nghiệm......................................................................................74
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 76
5.1. Kết luận ....................................................................................................................................... 76
5.2. Kiến nghị ..................................................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 78

VI


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
DB (Dry – bulb):

Nhiệt đợ bầu khơ của khơng khí, oC

DP (Dew – Point):

Nhiệt độ đọng sương, oC

FCU (Fan coil units):

Quạt cấp khơng khí ống c̣n

IEA (International Energy Agency): Cơ quan Năng lượng Quốc tế
PGF (Panel Generation Factor):

Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời

PS:

Chip Set

RH (Relative Humidility):

Độ ẩm tương đối

SLC (Solar Cel):

Pin mặt trời

TBGN:

Thiết bị giải nhiệt

COP (Coefficient of performance): Hệ số hiệu suất
Pcđ:

Công suất cực đại Pin mặt trời, W

Pt:

Công suất thực Pin mặt trời, W

P:

Công suất tiêu thụ điện, W

I:

Cường đợ dịng điện, A

U:

Điện áp, VDC

δ:

Góc lệch giữa đường xích đạo theo phương ngang, Đợ

β:

Góc nghiêng Pin mặt trời, Đợ

Փ:

Góc nghiêng tối ưu theo tháng, Đợ

nr:

Hệ số ngày có bức xạ mặt trời trong năm

𝜂SLC:

Hiệu suất Pin mặt trời, %

t:

Thời gian, giờ

∆ξe:

Tổn thất điện năng

𝜑:

Độ ẩm tương đối, %
VII


pb:

Áp suất bão hịa, bar

B:

Áp suất khí trời, bar

d:

Dung ẩm, kg ẩm/kgkk

t:

Nhiệt độ, oC

VIII


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của thế giới qua các năm........................................3
Hình 1.2: Biểu đồ sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2016 4
Hình 1.3: Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tịa nhà Bợ Cơng
Thương .................................................................................................................................6
Hình 2.1: Ngun lý hoạt động của Peltier - Hiệu ứng Nhiệt - Điện ............................... 13
Hình 2.2: Đồ thị thể hiện cường đợ bức xạ mặt trời trong năm.........................................16
Hình 2.3: Góc lệch của đường xích đạo theo phương ngang ............................................22
Hình 2.4: Góc nghiêng của Pin mặt trời theo phương ngang ............................................23
Hình 2.5: Đồ thị thể hiện mối liên hệ của khối lượng riêng khơng khí với dung ẩm và
nhiệt đợ...............................................................................................................................26
Hình 2.6: Thư viện mơ phỏng Comsol Multiphysics ........................................................33
Hinh 2.7: Chọn phương pháp giải ..................................................................................... 33
Hình 2.8: Mơ hình mẫu trong phần mềm Comsol Multiphysics .......................................34
Hình 2.9: Thanh cơng cụ trong phần mềm Comsol Multiphysics .....................................34
Hình 3.1: Sơ đồ hoạt đợng của hệ thống ........................................................................... 36
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ngưng tụ nước từ khơng khí ....................................36
Hình 3.3: Đồ thị Qc – DT của Peltier .................................................................................37
Hình 3.4: Đồ thị mức đợ hoạt đợng Pin mặt trời ...............................................................38
Hình 3.5: Bản vẽ kích thước mơ hình ................................................................................38
Hình 3.6: Mơ hình hệ thống 3D .........................................................................................39
Hình 3.7: Mơ hình hệ thống thực tế ...................................................................................40
Hình 3.8: Mơ hình hệ thống nhìn từ mợt bên ....................................................................40
Hình 3.9: Thơng số hệ thống lúc bắt đầu vận hành ...........................................................41

Hình 3.10: Quá trình ngưng tụ nước trên miếng nhơm .....................................................41
IX


Hình 3.11: Pin năng lượng mặt trời thí nghiệm mơ hình thực tế .......................................42
Hình 3.12: Peltier thí nghiệm mơ hình thực tế ..................................................................43
Hình 3.13: Bợ giải nhiệt khí SE - 207 thí nghiệm mơ hình thực tế ...................................43
Hình 3.14: Mạch điều áp dịng điện cho Peltier thí nghiệm mơ hình thực tế ....................44
Hình 3.15: Quạt tạo dịng khơng khí thực tế thí nghiệm trên mơ hình ..............................44
Hình 3.16: Mạch giảm áp XL4016E1 - 8A .......................................................................45
Hình 3.17: Mạch giảm áp DC - DC XL4015 4 ÷ 38V/ 5A ...............................................45
Hình 3.18: Thiết bị đo Cường đợ bức xạ mặt trời .............................................................47
Hình 3.19: Thiết bị đo tốc đợ gió .......................................................................................48
Hình 3.20: Đồng hồ đo nhiệt đợ ........................................................................................49
Hình 3.21: Đồng hồ đo nhiệt đợ - đợ ẩm ...........................................................................50
Hình 3.22: Đồ hồ đo điện áp hoạt đợng của hệ thống .......................................................51
Hình 3.23: Lắp sensor đo nhiệt đợ tại bợ tản nhiệt khí SE - 207 .......................................52
Hình 3.24: Đặt đồng hồ đo nhiệt đợ mơi trường gần ngõ vào của buồng lạnh .................53
Hình 3.25: Đặt đồng hồ đo cường độ bức xạ mặt trời vuông góc với pin mặt trời ...........54
Hình 3.26: Đặt đồng hồ đo tốc đợ gió tại vị trí ngõ vào của buồng lạnh...........................55
Hình 3.27: Sơ đồ lắp đặt đồng hồ đo cường đợ dịng điện và điệp áp ...............................55
Hình 4.1: Kết quả mô phỏng truyền nhiệt giữa Kim loại Nhôm và không khí ................ 56
Hình 4.2: Chiều chuyển đợng và nhiệt đợ của khơng khí ra khỏi hệ thống ......................56
Hình 4.3: Đồ thị thể hiện nhiệt đợ đầu ra của khơng khí từ kết quả mơ phỏng số trên
Comsol Multiphyscis .........................................................................................................57
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thể hiện sự giảm độ khô của khơng khí ..............................57
Hình 4.5: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt đợ mơi trường đến quá trình ngưng tụ
nước vào ngày nắng ...........................................................................................................59

X

Hình 4.6: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt đợ mơi trường đến quá trình ngưng tụ
nước vào ngày mây ............................................................................................................60
Hình 4.7: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp của toàn hệ thống
vào ngày nắng ....................................................................................................................61
Hình 4.8: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến cường đợ dịng điện của
tồn hệ thống vào ngày nắng .............................................................................................62
Hình 4.9: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến điện áp toàn hệ thống vào
ngày mây ............................................................................................................................63
Hình 4.10: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến cường đợ dịng điện
tồn hệ thống vào ngày mây ..............................................................................................64
Hình 4.11: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước
vào ngày nắng. ...................................................................................................................65
Hình 4.12: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước
vào ngày mây .....................................................................................................................66
Hình 4.13: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến quá trình ngưng tụ nước
vào ngày mưa .....................................................................................................................67
Hình 4.14: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hệ số làm lạnh COP của
hệ thống vào ngày nắng. ....................................................................................................68
Hình 4.15: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hệ số làm lạnh COP của
hệ thống vào ngày mây ......................................................................................................69
Hình 4.16: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch hệ số làm lạnh của toàn hệ thống trong 3 trường
hợp thực nghiệm ................................................................................................................70
Hình 4.17: Đồ thị thể hiện sự chênh lệch nhiệt đợ khơng khí đầu ra khỏi hệ thống giữa dữ
liệu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng ..........................................................................71
Hình 4.18: Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến nhiệt đợ khơng khí ra
khỏi hệ thống giữa tính tốn, thực nghiệm và mơ phỏng ..................................................72
Hình 4.19: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của nhiệt đợ khơng khí đầu ra khi nhiệt đợ khơng
khí mơi trường thay đổi giữa tính tốn, thực nghiệm và mô phỏng ..................................73

XII


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

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2: Giá trị góc lệch theo tháng. ..................................................................................23

XII


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỢNG LỰC
THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện để ngưng tụ hơi nước trong khơng khí, sử
dụng nguồn điện trực tiếp từ Pin mặt trời
- SV thực hiện: Phan Thanh Huy Mã số SV: 15147074
- Lớp: 159470A
Khoa: Cơ Khí Đợng Lực
- Năm thứ: 4
Số năm đào tạo: 4,5 năm
- Người hướng dẫn: T.S Lê Minh Nhựt
2. Mục tiêu đề tài:
Tính toán và thực hiện xây dựng mơ hình thực tế hệ thống thu hồi nước sử dụng bộ làm
mát nhiệt điện. Trình bày các đặc tính thơng số trạng thái và hiệu suất của toàn hệ thống
và đánh giá tổng quan hiệu suất của hệ thống để từ đó điều chỉnh phù hợp và mang lại hiệu
quả kinh tế cao, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí.
3. Tính mới và sáng tạo:

Sử dụng sử dụng nguồn năng lượng sạch (năng lượng mặt trời) để sản sinh ra dịng điện
mợt chiều, vận hành tế bào nhiệt điện Peltier thực hiện quá trình ngưng tụ hơi nước từ
khơng khí. Mang lại nguồn nước sạch để sử dụng mà không có sự tốn kém về chi phí tiền
điện.
4. Kết quả nghiên cứu:
Đánh giá sự ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên đến quá trình ngưng tụ hơi nước từ
khơng khí, lượng nước ngưng tụ được trong 6h vận hành hệ thống liên tục (từ 9h – 15h) và
đối chiếu kết quả thí nghiệm với các kết quả của các bài báo liên quan.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, q́c phịng và khả
năng áp dụng của đề tài:
Dùng làm nguồn tham khảo cho sinh viên trong trường, cho các công ty muốn triển
khai hệ thống. Ứng dụng vào các hợ gia đình, cơ sở kinh doanh, trường học, xí nghiệp…
để tiết kiệm hiệu quả việc sử dụng điện năng trong các hộ gia đình.
6. Cơng bớ khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày
tháng
năm
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

XIII


Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
(phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày tháng 9 năm 2019

Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

Xác nhận của Trường
(kí tên và đóng dấu)

XIV


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Năng lượng tái tạo và mơi trường
Năng lượng hóa thạch là năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch sau đó chuyển
thành nhiệt rồi chuyển thành điện năng cung cấp cho các hoạt đợng con người. Việc
đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 hàng năm, theo ước tính rằng
các q trình tự nhiên có thể hấp thu phân nửa lượng khí thải trên, vì vậy hàm lượng
CO2 sẽ tăng rất lớn 10,65 tỉ tấn mỗi năm trong khí quyển. Việc sử dụng năng lượng
hóa thạch gây tác đợng rất lớn đến môi trường mà vấn đề biến đổi khí hậu được quan
tâm, hiện nay các nước trên thế giới đang đưa ra các chiến lược đối phó trong đó có
Việt Nam… Theo số liệu mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (tên tiếng Anh:
International Energy Agency, tiết tắt là IEA), lượng tiêu thụ hóa thạch năm 2015 chiếm
81,5 %, số còn lại là năng lượng tái tạo. Do đó, lượng khí thải CO2 cũng đang tăng lên
với con số gấp đôi, gấp ba... điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến ô nhiễm môi trường
và biến đổi khí hậu tồn cầu.
Chính vì thế việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa
thạch là vấn đề cấp thiết hiện nay... Thế giới hiện nay đang nghiên cứu sử dụng các
nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng sóng, năng lượng thuỷ
triều… Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên
tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa,
thủy triều, sóng và địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là

tách mợt phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa
vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ
Mặt Trời. Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh
vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập. Theo
bách khoa toàn thư: Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ
sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy điện,
gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học. Chúng là một nguồn năng lượng sạch, không gây
ô nhiễm khơng khí, và khơng đóng góp vào sự nóng lên của khí hậu tồn cầu, hiệu ứng
nhà kính. Vì các nguồn năng lượng này là tự nhiên nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng
1


thấp. 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, mợt quốc gia sử dụng nhiên liệu hóa thạch để phục vụ nhu cầu năng
lượng trong nước. Trong những năm gần đây, nhà nước kêu gọi tiết kiệm năng lượng
và chấm dứt xây dựng thêm các nhà máy thủy điện, nhiệt điện… Thu hút đầu tư vào
lĩnh vực năng lượng gió, năng lượng mặt trời tại các tỉnh miền Trung và Nam Bợ. Cụ
thể, hiện nay có hàng loạt dự án đầu tư tại tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận của Việt
Nam. Ở Việt Nam tuy chúng ta đang chỉ ứng dụng thử nghiệm cách đây vài năm nhưng
theo các báo cáo cho thấy thì tiềm năng về lĩnh vực năng lượng mặt trời rất lớn. Chúng
ta được vị trí đia lí ưu đãi mợt nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn. Cụ thể năng
lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày. Mật độ năng lượng mặt
trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2/ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm
trong khoảng 1.800 đến 2.100 giờ, đặc biệt là khu vực phía Nam từ Đà Nẵng trở vào
có số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.000 đến 2.600 giờ. Đây là khu vực
được đánh giá là ứng dụng năng lượng mặt trời rất hiệu quả. Do đó, việc sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời để làm nóng nước… thay cho các phương thức cũ như điện trở, lò
hơi… có ý nghĩa hết sức to lớn.
1.1.2. Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của thế giới

Thế kỉ XXI chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành công
nghiệp thế giới, cụ thể là năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng sạch và không bao
giờ cạn kiệt. Các quốc gia đang có những chương trình hành đợng để giảm thiểu biến
đổi khí hậu, do đó chúng ta có thể thấy rõ sản lượng điện từ năng lượng của các quốc
gia tăng theo hàng năm với những con số ấn tượng.

2


Hình 1.1: Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của thế giới qua các năm. Nguồn [36]
Các dạng năng lượng chính:
- Năng lượng không tái tạo: Năng lượng nguyên tử, Năng lượng hóa thạch.
- Năng lượng tái tạo: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Năng lượng thủy
triều, Năng lượng thủy điện, Năng lượng sóng biển, Năng lượng địa nhiệt, Năng
lượng sinh khối
Với nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu khai thác từ các mỏ nhiên liệu thô như than,
dầu, khí tự nhiên ở mức thái quá và gần như phụ thuộc vào chúng trong suốt 30 năm qua.
Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng sạch và có sẵn trong tự nhiên như nguồn năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, sóng... các nguồn năng lượng thuộc nhóm năng lượng tái tạo, tận
dụng phản ứng phân hạch của nguyên tố Uranium để tạo ra nguồn nhiệt có cường độ bức
xạ lớn, ứng dụng trong các ngành cơng nghệ nhiệt điện cịn rất hạn chế và chưa được tạn
dụng nhiều trong suốt khoảng thời gian từ năm 1990 đến 2020.
Tầm nhìn trong 20 năm tới – từ năm 2020 đến năm 2040, mức độ sử dụng các nguồn
nhiên liệu lỏng như xăng, dầu hay các loại nhiên liệu lỏng khác vẫn có xu hướng tăng cao.
Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo được con người khai thác và phát triển rất mạnh
trong 20 năm tới, giai đoạn chuyển giao mức độ khai thác mạnh mẽ nguồn năng lượng tái
tạo là trong năm 2020 trở đi. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng hạt nhân có không có dấu
hiệu phát triển mạnh nhưng lại có dấu hiệu đứng lại thậm chí có xu hướng hạn chế.
3

Hình 1.2: Biểu đồ sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2016.
Nguồn [37]
Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là một yếu
tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng. Dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5
tỷ người trong năm 1993 lên tới gần 7 tỷ người vào năm 2010.
EU (Europe) là khu vực phát triển năng lượng mặt trời rất sớm với những cam kết
về các hiệp định giảm thiểu ô nhiễm nhà kính, do đó pin mặt trời được áp dụng rất
nhiều ở những quốc gia này. Sự hỗ trợ mạnh mẽ của chính phủ trong các dự án như:
pin mặt trời ở trên nóc tàu cao tốc hay dự án kết hợp tuabin gió kết hợp với pin mặt
trời để chiếu sáng, xe sử dụng năng lượng mặt trời di chuyển với tốc độ cao… nhằm
giải quyết vấn đề chất lượng khơng khí, đảm bảo nhu cầu năng lượng thể hiện sự quyết
tâm nghiêm túc của các quốc gia.
Chi phí đầu tư cho mợt số cơng nghệ năng lượng mặt Trời đang giảm nhanh. Ở
nhiều quốc gia, giá của năng lượng tái tạo hiện nay rất cạnh tranh so với năng lượng
hóa thạch và năng lượng hạt nhân. Bên cạnh đó, việc triển khai năng lượng Mặt Trời
đã và đang tạo ra nhiều giá trị và việc làm tại địa phương. Đối với các nước có nền
kinh tế tăng trưởng thấp và các nước đang phát triển trên thế giới, nó sẽ cung cấp một

4


giải pháp để tăng thu nhập, cải thiện cán cân thương mại, đóng góp cho phát triển công
nghiệp và tạo ra việc làm.
Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn
đề ô nhiễm mơi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu. Đây là vấn đề mà cả thế
giới đang rất quan tâm. Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn
năng lượng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách.
1.1.3. Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta
Ở Việt nam, các ứng dụng năng lượng mặt trời đã phát triển nhanh chóng kể từ

những năm 90, tuy nhiên đa số chỉ ở quy mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc khai
thác nhiệt năng từ năng lượng mặt trời, được thực hiện ở các hợ gia đình, đơn vị có
điều kiện kinh tế khá (do vốn đầu tư bấy giờ còn lớn) có nhu cầu về nước nóng, tranh
thủ khơng gian trên cao đón nắng như tầng thượng nhà cao tầng. Hiện nay, với điều
kiện kinh tế đã tốt hơn, nhu cầu của con người cũng tăng, hệ thống các bộ thu năng
lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến hơn, khơng chỉ ở thành thị mà cịn ở các vùng nông
thôn, những nơi có điều kiện nắng tự nhiên tốt. Các hợ gia đình và doanh nghiệp sẵn
lịng đầu tư vào bợ thu khơng khí sử dụng năng lượng mặt trời vì có thể tiết kiệm hố
đơn tiền điện. Cho đến nay, công nghệ sản xuất thiết bị collector tấm phẳng bằng năng
lượng mặt trời có thể dễ dàng huy động vốn đầu tư từ thành phần kinh tế tư nhân. Tuy
nhiên, nhìn chung việc ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam vẫn chưa
cao, do ý thức của người dân về sử dụng năng lượng tái tạo còn hạn chế.

5


Hình 1.3: Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tịa nhà Bộ Cơng
Thương. Nguồn [38]
Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời
gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới cịn 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 đợng tiêu cực đến mơi trường sinh thái. Điện hạt nhân cịn đang trong quá
trình chuẩn bị phương án…
1.1.4. Nhu cầu sử dụng nước sạch ở Việt Nam

Nước là nguồn tài nguyên quý giá và được xem là vô tận, nhưng không phải ai
cũng được hưởng như nhau. Theo thống kê của hiệp hội tài nguyên nước quốc tế
(IWRA), Việt Nam được xem như là một quốc gia đang thiếu nước khi mà lượng nước
6


bình qn đâu người chỉ đạt được 3600m3/người/năm, ít hơn 400m3 so với bình qn
toàn câu. Đáng báo đợng hơn, Bộ Tài nguyên và Môi trường dự đoán con số bình qn
trên sẽ giảm mợt nửa vào năm 2025. Hiểu được tầm quan trọng của sự thiếu hụt tài
nguyên nước, bên cạnh việc sử dụng một cách hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên nước
thì các nghiên cứu khoa học hướng đến việc sản xuất nước sạch được xem như là mợt
bước tiến lớn để giải quyết bài tốn thiếu hụt nước sạch cho thế giới nói chung và Việt
Nam nói riêng.
Vấn đề về nước, đặc biệt là nước sạch hiện nay đang trở thành vấn đề bức thiết,
nhận được sự quan tâm không chỉ ở phạm vi một quốc gia, một khu vực mà đang là
vấn đề được quan tâm trên phạm vi toàn cầu. Nhận thức được tầm quan trọng của nước
sạch, cũng như những thách thức đang phải đối mặt, Đảng và Nhà nước ta đã và đang
có nhiều cố gắng, nỗ lực. Theo báo cáo của các Bộ, ngành, địa phương và đoàn thể
tham gia thực hiện Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường
nông thôn, đến hết năm 2015 số dân ở nông thôn được sử dụng nước hợp vệ sinh (HVS)
đạt khoảng 85%. Tuy nhiên, trong đó số dân được sử dụng nước sinh hoạt đạt QCVN
02:2009/BYT chỉ đạt 44%. Nhiều vùng nông thôn, miền núi, hải đảo vẫn cịn rất khó
khăn về nước uống và nước sinh hoạt. Cùng với đó là tình trạng lãng phí nguồn nước
sạch, có các hành vi xấu làm ảnh hưởng đến chất lượng nước đã đặt ra vấn đề: Làm
thế nào để sử dụng bền vững tài nguyên nước? Mặc dù ¾ bề mặt trái đất là nước, nhưng
nước không là phải là tài nguyên vô hạn. Không chỉ ở Việt Nam mới phải đối mặt với
tình trạng nguồn nước ngày càng khan hiếm mà ở rất nhiều nơi trên thế giới cũng đang
gặp phải điều này. Thiếu nước làm cho sự sống của con người và các sinh vật khác lâm
vào tình trạng nguy hiểm bởi nước là mợt trong những yếu tố khơng thể thiếu để duy
trì sự sống trên trái đất. Vậy, nguyên nhân do đâu mà nguồn nước ngày càng khan

hiếm?
Một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến tình trạng khan hiếm nước là hiện
tượng trái đất càng ngày càng nóng lên khiến cho các đợt khô hạn xảy ra thường xuyên
và ở nhiều nơi hơn. Nhiều nơi, sông suối cạn khô, con người và các loại động thực vật
không có nước để sinh hoạt, các hoạt động sản xuất ở các khu vực hạn hán cũng tạm
ngừng hoạt đợng. Hiện tượng biến đổi khí hậu làm đảo lộn việc phân bổ mưa ở nhiều
nơi trên thế giới. Ở một số nơi có mây dày, mưa lũ diễn ra thường xuyên hơn nhưng ở
7


mợt số nơi nhất là ở các khu vực xích đạo thì mây lại mỏng, mưa ít và lượng mưa cũng
không nhiều nên khô hạn, cằn cỗi.
Lượng nước trong các mạch nước ngầm bị sụt giảm cũng là lí do khiến cho nguồn
nước khan hiếm. Vốn dĩ, trữ lượng nước ngầm chiếm 30% lượng nước dự trữ của trái
đất. Tuy nhiên theo thực tế, lượng nước được lấy đi vượt quá lượng nước được bổ sung
nên theo dự báo của các chuyên gia, chỉ khoảng vài chục năm nữa nhiều mạch nước
ngầm trên trái đất sẽ rơi vào tình trạng cạn kiệt. Bên cạnh đó, dân số thế giới ngày càng
tăng nhanh dẫn đến nhu cầu sử dụng nước cũng tăng theo một cách “chóng mặt” khiến
lượng nước dự trữ cũng sụt giảm đáng kể. Ngoài ra, việc nước bị nhiễm mặn, nhiễm
phèn, bị ơ nhiễm bởi nhiều lí do khác nhau cũng là mợt lí do khiến cho nước ngày càng
khan hiếm.
1.1.5. Phương pháp nghiên cứu
Hiện nay, có mợt số giải pháp được đưa ra nhằm khắc phục được tình trạng thiếu
nước. Đó là:
- Nâng cao ý thức của người dân về việc sử dụng nước tiết kiệm cũng như bảo vệ
mơi trường, bảo vệ rừng để có thể hạn chế được việc nước bị ô nhiễm, từ đó giữ
được nguồn nước ổn định.
- Sử dụng máy lọc nước để có được nguồn nước sạch trong sinh hoạt hàng ngày.
- Một lượng rất lớn hơn nước có trong không khí, đặc biệt là những vùng có đợ ẩm
cao như Việt Nam, nếu chúng ta có thể ngưng tụ được lượng hơi nước này thì đây

là mợt nguồn nước khổng lồ cho nhu cầu sinh hoạt của con người
- Ngoài ra, chính phủ các nước trên thế giới cần phối hợp với nhau và đưa ra những
kế hoạch, chiến lược chung để bảo vệ và duy trì nguồn nước.
Mỗi năm, hàng loạt các thiết bị, sáng kiến được ra đời nhằm làm cho quá trình tạo
ra nước sạch dễ dàng hơn, rẻ hơn và dễ di chuyển đến những vùng thiếu nước sạch.
Các giải pháp này đều xuất phát từ việc ngưng tụ nước từ sương, biến nước biển thành
nước ngọt, sử dụng chip lọc UV nhỏ, tế bào nhiệt điện Peltier… Đặc biệt là về tế bào
nhiệt điện điện Peltier (hay cịn được biết đến với mợt số tên thơng dụng như chip
Peltier hay sị nóng lạnh) với cấu tạo là mợt loại linh kiện điện tử có các mối tiếp xúc
8