Luận án TS: Nghiên cứu giải nhiệt PV/T bằng nước của Hoàng Văn Viết, ĐHBK
Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Kỹ thuật Nhiệt
Ẩn danh
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
304
Thời gian đọc
46 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
60 Point
Mục lục chi tiết
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT LUẬN ÁN
ABSTRACT
LỜI CÁM ƠN
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ Photovoltaic/Thermal (PV/T)
1.2. Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu
1.2.1. Mô-đun PV/T nước
1.2.2. Hệ thống sử dụng mô-đun PV/T nước cho mục đích cấp điện và cấp nhiệt
1.2.3. Ứng dụng của nước nóng trong thực tế
1.3. Lý do thực hiện đề tài
1.3.1. Tính mới và sự cấp thiết của đề tài
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
1.3.3. Mục đích nghiên cứu
1.3.4. Mục tiêu nghiên cứu
1.3.5. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.3.6. Nội dung nghiên cứu
1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.5. Phương pháp nghiên cứu
2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Đề xuất cấu trúc hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T nước
2.2. Hệ thống làm nóng nước dạng chủ động sử dụng mô-đun PV/T nước (PVTAHW)
2.3. Hệ thống bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng mô-đun PV/T nước (PVTWHP)
2.4. 2.2 Cơ sở lý thuyết cho mô-đun PV
2.4.1. Điều kiện biên nhiệt độ
2.4.2. Lý thuyết tính toán có liên quan
2.5. Cơ sở lý thuyết cho mô-đun PV/T
2.5.1. Điều kiện biên nhiệt độ
2.5.2. Lý thuyết tính toán có liên quan
2.6. Cơ sở lý thuyết cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
2.7. Lý thuyết tính toán cho máy nén
2.8. Lý thuyết tính toán cho bơm nước
2.8.1. Tổn thất áp suất
2.8.2. Công suất bơm nước
2.9. Lựa chọn môi chất lạnh cho bơm nhiệt
2.10. Tính toán COP cho bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí với R134a
3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ
3.1. Chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV
3.1.1. Phân tích nhiệt cho mô-đun PV
3.1.2. Phương pháp giải CT MPS cho mô-đun PV
3.1.3. Thiết lập CT MPS cho mô-đun PV
3.2. Chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV/T
3.2.1. Phân tích nhiệt cho mô-đun PV/T
3.2.2. Phương pháp giải CT MPS cho mô-đun PV/T
3.2.3. Thiết lập CT MPS cho mô-đun PV/T
3.3. Chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTAHW
3.3.1. Phân tích nhiệt cho hệ thống PVTAHW
3.3.2. Phương pháp giải CT MPS cho hệ thống PVTAHW
3.3.3. Thiết lập CT MPS cho hệ thống PVTAHW
3.4. Chương trình mô phỏng số cho cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT
3.4.1. Phân tích nhiệt cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT
3.4.2. Phương pháp giải CT MPS cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT
3.4.3. Thiết lập CT MPS cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT
3.5. Các giá trị đánh giá cho hệ thống
4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM CHỨNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ
4.1. Đánh giá chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV
4.1.1. Mô tả thực nghiệm
4.1.2. Đánh giá độ tin cậy của chương trình mô phỏng số
4.2. Đánh giá chương trình mô phỏng số cho mô-đun PV/T
4.3. Đánh giá chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTAHW
4.3.1. Thiết kế hệ thống thực nghiệm
4.3.2. Mô tả thực nghiệm hệ thống
4.3.3. Đánh giá độ tin cậy của chương trình mô phỏng số
4.4. Đánh giá chương trình mô phỏng số cho hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT
4.4.1. Thiết kế hệ thống thực nghiệm
4.4.2. Mô tả thực nghiệm hệ thống
4.4.3. Đánh giá độ tin cậy của chương trình mô phỏng số
5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của mô-đun PV/T
5.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng nước và hệ số truyền nhiệt của bộ TĐN kiểu A và kiểu B đến hiệu quả của mô-đun PV/T
5.1.2. Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nước vào mô-đun PV/T đến hiệu quả của mô- đun PV/T
5.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của vận tốc gió đến hiệu quả của mô-đun PV/T
5.2. Hệ thống PVTAHW sử dụng mô-đun PV/T MD5
5.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước vào MD5 (Gpw)
5.2.2. Ảnh hưởng của thể tích bình chứa nước nóng
5.2.3. Ảnh hưởng của chiều dài/diện tích cuộn ống trong bình chứa nước nóng
5.2.4. Đánh giá hiệu quả của hệ thống
5.3. Hệ thống PVTWHP-IVT sử dụng mô-đun PV/T MD6
5.3.1. Ảnh hưởng của chiều dài/diện tích cuộn ống trong bình chứa nước nóng
5.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng nước vào MD6 (Gpw)
5.3.3. Ảnh hưởng của thể tích bình chứa nước nóng
5.3.4. Đánh giá hiệu quả của hệ thống
5.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và tính ứng dụng vào thực tế cho hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT
5.4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật
5.4.2. Đánh giá tính ứng dụng vào thực tế
6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Những đóng góp mới của luận án
6.2. Kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tóm tắt nội dung
I.
Nâng cao hiệu suất hoạt động của pin mặt trời là mục tiêu quan trọng. Nhiệt độ cao làm giảm hiệu suất chuyển đổi điện của mô-đun PV. Giải pháp giải nhiệt bằng nước được nghiên cứu để giải quyết vấn đề này. Luận án tập trung vào hai hệ thống chính: Hệ thống làm nóng nước chủ động dùng mô-đun PV/T nước (PVTAHW) và Hệ thống bơm nhiệt làm nóng nước dùng mô-đun PV/T nước với máy nén biến tần (PVTWHP-IVT). Các hệ thống này không chỉ sản xuất điện mà còn cung cấp nhiệt, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Mục tiêu là nâng cao cả hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập tại TP. Hồ Chí Minh, cung cấp cơ sở đáng tin cậy cho đánh giá. Các nghiên cứu trước đây cũng được xem xét để xây dựng nền tảng vững chắc. Giải pháp này hứa hẹn cải thiện đáng kể tổng sản lượng năng lượng.
1.1. Mục tiêu nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời.
Nghiên cứu tìm cách giảm nhiệt độ hoạt động của pin mặt trời. Nhiệt độ thấp hơn đồng nghĩa với hiệu suất điện cao hơn. Đồng thời, nhiệt năng thu được từ quá trình giải nhiệt được tận dụng. Nước nóng là sản phẩm phụ có giá trị, góp phần tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu kép là tối ưu hóa cả sản lượng điện và nhiệt. Điều này tạo ra một hệ thống năng lượng tổng thể hiệu quả hơn.
1.2. Các hệ thống PV T nước được phân tích.
Hệ thống PVTAHW là dạng làm nóng nước trực tiếp. Nước chảy qua bộ trao đổi nhiệt hấp thụ nhiệt từ pin. Hệ thống PVTWHP-IVT phức tạp hơn, tích hợp bơm nhiệt. Bơm nhiệt sử dụng máy nén biến tần, tăng khả năng làm nóng nước. Cả hai hệ thống đều sử dụng mô-đun PV/T nước. Chúng đại diện cho các phương pháp khác nhau để khai thác năng lượng đồng thời.
II.
Luận án đề xuất 6 mẫu mô-đun PV/T (MD1 đến MD6). Các mẫu này tích hợp bộ trao đổi nhiệt kiểu A và kiểu B. Mỗi kiểu bộ trao đổi nhiệt có cấu trúc và hiệu quả truyền nhiệt riêng. Việc lựa chọn mẫu mô-đun phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất. Cơ sở lý thuyết được xây dựng chi tiết cho từng mẫu. Các nguyên lý truyền nhiệt và quang điện được áp dụng. Điều này đảm bảo hiểu rõ cơ chế hoạt động của mô-đun. Việc thiết kế mô-đun hiệu quả là nền tảng cho toàn bộ hệ thống. Các mô hình này là cơ sở để phát triển các chương trình mô phỏng số. Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào thiết kế bộ trao đổi nhiệt và sự tương tác với pin PV. Mục tiêu là tối đa hóa cả việc sản xuất điện và thu hồi nhiệt.
2.1. Phát triển mẫu mô đun PV T với bộ trao đổi nhiệt.
Sáu mẫu mô-đun được thiết kế với các đặc tính khác nhau. Bộ trao đổi nhiệt kiểu A và kiểu B thể hiện các cách bố trí kênh dẫn nước khác nhau. Kiểu A có thể là ống phẳng, kiểu B có thể là ống cuộn. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc và tốc độ dòng chảy. Mục tiêu là tìm ra thiết kế tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Chất liệu và cấu tạo cũng được xem xét kỹ lưỡng.
2.2. Xây dựng nền tảng lý thuyết cho hệ thống.
Cơ sở lý thuyết bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng. Chúng mô tả sự chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện và nhiệt. Các yếu tố như bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng nước được tính toán. Mô hình lý thuyết giúp dự đoán hiệu suất của mô-đun. Nó cũng hỗ trợ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động.
III.
Năm chương trình mô phỏng số (CT MPS) được phát triển. Chúng mô phỏng các thành phần và hệ thống tổng thể. Các CT MPS bao gồm mô-đun PV độc lập, 6 mẫu mô-đun PV/T nước với bộ trao đổi nhiệt kiểu A và B. Ngoài ra, chúng còn mô phỏng hệ thống PVTAHW, hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống bơm nhiệt làm nóng nước dùng mô-đun PV/T nước với máy nén không biến tần (PVTWHP-NIVT). Quá trình kiểm chứng được thực hiện một cách kỹ lưỡng. Dữ liệu thực nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh được sử dụng. Các kết quả mô phỏng cũng được so sánh với các nghiên cứu trước đây. Việc này khẳng định độ tin cậy và chính xác cao của các CT MPS. Các công cụ mô phỏng này là nền tảng vững chắc cho việc đánh giá hiệu suất. Chúng giúp dự đoán hành vi của hệ thống dưới nhiều điều kiện khác nhau. Độ chính xác cao của mô hình giảm thiểu rủi ro thiết kế.
3.1. Phát triển chương trình mô phỏng số chi tiết.
Các chương trình mô phỏng số được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết. Chúng tích hợp các thông số vật liệu, hình học và điều kiện vận hành. Mục tiêu là tái tạo chính xác quá trình chuyển đổi và trao đổi năng lượng. Các CT MPS cho phép phân tích sâu sắc hiệu quả của từng thành phần. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo thực tế.
3.2. Kiểm chứng độ tin cậy của mô hình thực nghiệm.
Việc kiểm chứng được tiến hành thông qua các thí nghiệm. Dữ liệu thực tế về nhiệt độ, lưu lượng, sản lượng điện và nhiệt được thu thập. Các kết quả mô phỏng được so sánh chặt chẽ với dữ liệu này. Sự trùng khớp giữa mô phỏng và thực nghiệm xác nhận tính đúng đắn của mô hình. Điều này củng cố niềm tin vào các dự đoán hiệu suất.
IV.
Sau khi kiểm chứng, các CT MPS được dùng để đánh giá hiệu suất. Quá trình phân tích chọn ra mẫu mô-đun và kiểu bộ trao đổi nhiệt tối ưu. Kết quả cho thấy mẫu MD5 với bộ trao đổi nhiệt kiểu B phù hợp nhất cho hệ thống PVTAHW. Đối với hệ thống PVTWHP-IVT, mẫu MD6 với bộ trao đổi nhiệt kiểu B là lựa chọn tối ưu. Các đánh giá được thực hiện trên cả hai hệ thống dưới điều kiện thời tiết quanh năm tại TP. Hồ Chí Minh. Các thông số vận hành được xác định để tối đa hóa hiệu quả. Hiệu suất energy, exergy cùng với sản lượng nhiệt và điện là các chỉ số chính. Các phân tích chi tiết cung cấp cái nhìn toàn diện về hoạt động của hệ thống. Dữ liệu này hỗ trợ việc đưa ra quyết định thiết kế và ứng dụng thực tế. Kết quả khẳng định khả năng hoạt động hiệu quả của cả hai hệ thống.
4.1. Hiệu quả năng lượng của hệ thống PVTAHW.
Hệ thống PVTAHW đạt hiệu suất energy trung bình năm là 76,18%. Hiệu suất exergy trung bình năm là 20,83%. Sản lượng nhiệt hàng năm đạt 1845 kWh. Sản lượng điện hàng năm là 551 kWh. Tổng sản lượng năng lượng của hệ thống là 2396 kWh/năm. Con số này cao hơn 4,36 lần so với sản lượng điện từ mô-đun PV độc lập (549 kWh/năm). Điều này chứng tỏ hiệu quả vượt trội trong việc khai thác năng lượng.
4.2. Đánh giá hiệu suất tổng thể của PVTWHP IVT.
Hệ thống PVTWHP-IVT cho thấy hiệu suất energy trung bình năm là 102,1%. Hiệu suất exergy trung bình năm là 0,75%. Hệ thống này chứng minh được hiệu quả năng lượng cao. Nó vượt trội so với các hệ thống cấp nhiệt và cấp điện hoạt động độc lập. Sản lượng điện của PVTWHP-IVT đạt 595 kWh/năm. Hiệu quả này đến từ sự tích hợp thông minh giữa PV/T và bơm nhiệt.
V.
Hệ thống PVTWHP-IVT thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội so với các giải pháp truyền thống. Nó tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện để tạo ra nhiệt. Đặc biệt, nó giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ cho bơm nhiệt. Khả năng sản xuất điện của mô-đun PV/T cũng được nâng cao. Hiệu suất hoạt động của bơm nhiệt trong hệ thống này đạt mức cao. Điều này chứng minh tiềm năng lớn trong việc cung cấp nước nóng hiệu quả. Sự kết hợp giữa PV/T và bơm nhiệt với máy nén biến tần tạo ra một giải pháp năng lượng tích hợp mạnh mẽ. Nó không chỉ tiết kiệm chi phí vận hành mà còn thân thiện hơn với môi trường. Các so sánh trực tiếp với bơm nhiệt không khí độc lập (AWHP) đã làm nổi bật những ưu điểm này. Công nghệ biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh công suất, tối ưu hóa hiệu quả.
5.1. Tiết kiệm điện năng cho việc cấp nhiệt.
Để tạo ra cùng một lượng nhiệt (3256 kWh/năm), hệ thống PVTWHP-IVT chỉ cần 738 kWh điện cho máy nén. Con số này thấp hơn 7,2% so với bơm nhiệt làm nóng nước dùng không khí (AWHP) là 795 kWh/năm. Mức tiết kiệm điện này thể hiện rõ lợi ích kinh tế. Nó cũng giảm gánh nặng lên lưới điện quốc gia.
5.2. Hiệu suất cao trong cấp điện và nước nóng.
Hệ thống PVTWHP-IVT tạo ra điện năng 595 kWh/năm. Mức này cao hơn 7,6% so với mô-đun PV độc lập (549 kWh/năm). Bơm nhiệt của PVTWHP-IVT đạt COP (Coefficient of Performance) là 5,87. Con số này cao hơn 11,2% so với AWHP (COP = 5,23). Đặc biệt, hệ thống PVTWHP-IVT cung cấp nước nóng với COP rất cao, đạt 8,79. Mức này cao hơn 40,5% so với AWHP. Điều này khẳng định hiệu suất vượt trội trong cả cấp điện và cấp nhiệt.
VI.
Luận án đã thành công trong việc nghiên cứu hai hệ thống giải nhiệt pin mặt trời bằng nước. Các kết quả chỉ ra khả năng nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt đáng kể. Việc tích hợp mô-đun PV/T với hệ thống làm nóng nước chủ động hoặc bơm nhiệt đã được chứng minh hiệu quả. Các chương trình mô phỏng số đáng tin cậy đã được phát triển và kiểm chứng. Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc đề xuất các mẫu mô-đun PV/T tối ưu và đánh giá hiệu quả toàn diện của hệ thống trong điều kiện thực tế. Các phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo. Chúng mở ra hướng ứng dụng rộng rãi hơn cho pin mặt trời. Tiềm năng giảm chi phí năng lượng và bảo vệ môi trường là rất lớn.
6.1. Những đóng góp mới của luận án nghiên cứu.
Luận án đã xác định các mẫu mô-đun PV/T tối ưu (MD5, MD6) cho từng hệ thống. Nó đã xây dựng và kiểm chứng các mô hình mô phỏng số. Các mô hình này có độ chính xác cao. Luận án cũng cung cấp phân tích chi tiết về hiệu suất energy và exergy. Nó so sánh các hệ thống PV/T với các hệ thống độc lập. Điều này cung cấp cái nhìn sâu sắc về lợi ích tích hợp.
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo cho công nghệ PV T.
Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc khảo sát các vật liệu hấp thụ nhiệt mới. Việc tối ưu hóa hình dạng và kích thước bộ trao đổi nhiệt cũng là một hướng. Nghiên cứu tích hợp các hệ thống PV/T với hệ thống lưu trữ năng lượng. Điều này nhằm tăng cường độ ổn định và khả năng cung cấp liên tục. Mở rộng ứng dụng sang các điều kiện khí hậu khác nhau cũng cần được xem xét.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (304 trang)Câu hỏi thường gặp
Luận án tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằm nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt PV.
Luận án này được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Năm bảo vệ: 2024.
Luận án "Giải nhiệt PV bằng nước nâng cao hiệu suất cấp điện & nhiệt" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt. Danh mục: Nhi Khoa.
Luận án "Giải nhiệt PV bằng nước nâng cao hiệu suất cấp điện & nhiệt" có 304 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.