Thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nghiên cứu thực nghiệm xác định lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng lựu hữu ích thu được, giảm điện năng tiêu thụ bơm nước cho vòng lặp và ứng dụng cho các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời được lắp đặt ở điều kiện khí hậu Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

28 Lê Minh Nhựt THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG NƯỚC QUA BỘ THU TẤM PHẲNG CỦA HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI EXPERIMENTAL VERIFICATION OF WATER FLOW RATE THROUGH THE FLAT PLATE COLLECTOR LOOP OF SOLAR HOT WATER SYSTEM Lê Minh Nhựt Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM; nhutlm@hcmute.edu.vn Tóm tắt - Ngày nay, các hệ thống cấp nước nóng bằng năng lượng Abstract - Nowadays, the solar domestic hot water systems are mặt trời ngày càng phát triển do đời sống người dân, ngành du lịch rapidly increasing due to the development of population, tourism, and và các ngành công nghiệp ngày càng phát triển. Do đó, việc nghiêm industries. Therefore, it is essential to improve the performance of cứu nâng cao hiệu suất của các hệ thống này là điều cần thiết. Bài these systems. This paper presents the experiemtal results of the báo trình bày kết quả thực nghiệm xác định lưu lượng nước qua verification of water flow rate through the collector loop to improve vòng lặp bộ thu nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống nước nóng the performance of the solar hot water system. This system was năng lượng mặt trời. Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu designed and installed in campus of the HCMC University of bộ thu tấm phẳng được chế tạo và lắp đặt tại Trường Đại học Sư Technology and Education. The study results have indicated that the phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Từ thực nghiệm cho thấy lưu lượng value of the water flow rate through the collector loop at 7.92 lit/min qua vòng lặp bộ thu tại 7,92 lít/phút cho giá trị năng lượng hữu ích gives the highest value of useful heat gain of 19.38 kWh cao nhất là 19.3 kWh ứng với năng lượng tiêu thụ của bơm là corresponding to the energy consumption of pump of 2.3 kWh and 2,3 kWh và nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích trữ là 30oC. the initial water temperature in the storage tank of 30oC. Từ khóa - Nước nóng; bộ thu; lưu lượng; bức xạ mặt trời; bình tích trữ Key words - Hot water; collector; flow rate; solar radiation; storage tank 1. Đặt vấn đề ngày nắng, có mây và ngày mưa đến năng lượng hữu ích Ngày nay, các hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời của hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời. Ở trong nước tuần hoàn cưỡng bức được sử dụng ngày càng nhiều, do sử hiện nay cũng có nhiều công ty thiết kế và chế tạo các bộ dụng nguồn nhiệt năng lượng mặt trời miễn phí và thân thu tấm phẳng và chân không tuần hoàn tự nhiên và cưỡng thiện với môi trường. Nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu bức để lắp đặt cho dân dụng và công nghiệp. suất của các hệ thống này là lưu lượng qua vòng lặp bộ thu. Mặc dù, có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về các Do đó, đã có nhiều nghiên cứu tập trung về vấn đề này. hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu tuần hoàn tự Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết tập trung bài toán nhiên và cưỡng bức kiểu bộ thu tấm phẳng, chân không và ảnh hưởng lưu lượng đến năng lượng hữu ích, sự hoạt động ống nhiệt, điều khiển lưu lượng qua vòng lặp bộ thu theo và công tiêu tốn của bơm, hiệu suất thoát của vòng lặp bộ phương pháp on-off, tỉ lệ … Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên thu, điều khiển on-off cho hoạt động của bơm nước vòng cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định lưu lượng qua các bộ lặp, ảnh hưởng hiệu suất thoát [1-5]. Nhựt và Park [6], đã thu tấm phẳng ở trong nước. Do vậy, bài báo này nghiên cứu sử dụng phương pháp số để xác định ảnh hưởng của lưu thực nghiệm xác định lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng của hệ lượng dao động qua vòng lặp bộ thu ở điều kiện khí hậu thống nước nóng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng đảo Jeju, Hàn Quốc và kết luận rằng, nhiệt hữu ích của bộ lựu hữu ích thu được, giảm điện năng tiêu thụ bơm nước cho thu tăng 1,54% trong khi công cấp cho bơm giảm 65,61%. vòng lặp và ứng dụng cho các hệ thống nước nóng năng Sara và cộng sự [7], đề xuất mô hình điều khiển lưu lượng lượng mặt trời được lắp đặt ở điều kiện khí hậu Việt Nam. n nước nóng bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời. Khảo sát đánh giá lưu lượng qua vòng lặp kín của hệ thống nước 2. Mô hình hóa lý thuyết nóng năng lượng mặt trời với bốn điều kiện thời tiết khác Các thông số tính toán cho hệ thống được đưa bởi nhau như vùng Nam Châu Âu, các mùa trong năm, ngày [15,16] như sau: nhiều mây và ngày bức xạ mặt trời dao đông mạnh cũng Năng lượng hữu ích nhận được khi nước đi qua bộ thu: được thực hiện bởi Badescu và cộng sự [8]. Phân tích lý thuyết và thực nghiệm hiệu quả kinh tế và hiệu suất năng Qu  Ac FR ( )It  k L (Tci  Ta )  mcp (Tco  Tci ) (1) lượng do ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp kín bộ thu Trong đó, Ac là diện tích bộ thu, (τα) là hệ số hấp thụ nước nóng năng lượng mặt trời cũng được thực hiện bởi tích hợp của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ, It là cường Mohamed và cộng sự [9]. Pang, Dembeck-Kerekes và cộng độ bức xạ chiếu tới bề mặt bộ thu, Tco và Tci là nhiệt độ sự [10-11], công bố nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nước ra và nhiệt độ nước vào bộ thu, Ta là nhiệt độ môi ảnh hưởng của lưu lượng qua bộ thu tấm phẳng kiểu T để trường, m và cp là lưu lượng nước qua bộ thu và nhiệt dung giải nhiệt cho tấm Pin năng lượng mặt trời nhằm nâng cao riêng của nước. hiệu suất của tấm Pin và sản xuất nước nóng. Ngoài ra, Hiệu suất thoát (hệ số dịch chuyển nhiệt) FR được tính nghiên cứu điều khiển lưu lượng qua bộ thu dựa trên bức như sau: xạ năng lượng mặt trời đến bộ thu, điều khiển bơm vòng mcp Ac kL F′ lặp theo phương pháp on-off, tỉ lệ theo nhiệt độ cũng được FR = [1 − exp (− )] (2) Ac kL mcp đề cập [12-13]. Nhựt và Du [14], đã công bố nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời tiết của F’ hiệu suất hiệu dụng của bộ thu được tính:
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 8, 2020 29 1 và 0,013m. Thể tích bình tích trữ nước nóng được chọn kL F′ = 1 1 1 (3) theo tỉ lệ 𝑉𝑠 /𝐴𝑐 ≈ 33,3 lít/m2 [17], đường kính và chiều cao L[ + + kL [Dng+(L−Dng)F] Cb πDtr αtr ] bình tích trữ là 820 mm và 1080 mm, bên ngoài được bọc lớp cách nhiệt bằng polyurethane dày 15 mm, do đường Trong đó: Dtr, Dng là đường kính trong và đường kính ngoài ống kết nối giữa bình tích trữ và bộ thu có chiều dài ngắn của ống đồng, Cb là hệ số dẫn nhiệt của mối hàn, αtr là hệ nên trong nghiên cứu này bỏ qua tổn thất nhiệt của đường số tỏa nhiệt từ ống vào chất tải nhiệt, L là khoảng cách giữa ống. Nguyên lý hoạt động hệ được mô tả như sau: Khi sự hai ống (xem Hình 1). chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu T co Hiệu suất cánh F được tính: và nhiệt độ nước bình tích trữ Ts lớn hơn giá trị cài đặt ΔTon tanh[m(L−Dng )/2] (∆𝑇𝑜𝑛 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 ≥ 10℃) bơm nước hoạt động và sẽ dừng F= (4) khi sự chênh lệch này nhỏ hơn ΔT off (∆𝑇𝑜𝑓𝑓 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 ≤ m(L−Dng )/2 Hệ số truyền nhiệt tổng của bộ thu kL được tính theo: 2℃), trong thí nghiệm này giá trị ΔTon và ΔToff được chọn theo [1, 18-19]. 𝑘𝐿 = 𝑘𝑡 + 𝑘𝑏 + 𝑘𝑒 (5) Trong đó, kt, kb, ke là hệ số truyền nhiệt qua mặt trên, đáy và mặt bên của bộ thu. Sự biến đổi nội năng của nước trong bình tích trữ được xác định dựa vào sự cân bằng năng lượng như phương trình 6. 𝑑𝑇𝑠 𝐶𝑡 𝑑𝑡 = 𝑄𝑢 + 𝑄𝐴 − 𝑄𝑊 − ∆𝑄𝑠𝑡 (6) Trong đó, 𝐶𝑡 = 𝑀𝑐𝑝 ; M, cp là thể tích nước và nhiệt dung riêng của nước trong bình tích trữ, Ts là nhiệt độ nước trong bình tích trữ, QA là nguồn nhiệt phụ bổ sung khi nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ không đạt nhiệt độ yêu cầu (ở đây QA=0 vì hệ thống này không có nguồn nhiệt phụ), QW là dòng nhiệt cấp cho người sử dụng. Tổn thất nhiệt của bình tích trữ được tính: ∆𝑄𝑠𝑡 = 𝑘𝑠 𝐴𝑠 (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎 ) (7) Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kiểu bộ thu tấm phẳng Trong đó, As là diện tích bề mặt ngoài bình tích trữ, ks là hệ số truyền nhiệt của bình tích trữ. Công cấp cho bơm vòng lặp bộ thu được tính [4] : 𝐸𝑝 = 𝐾𝑝 𝑚3 (8) Trong đó, Kp là hệ số của bơm. Hình 3. Hệ thống thí nghiệm nước nóng năng lương mặt trời kiểu bộ thu tấm phẳng Hình 1. Bố trí ống của bộ thu tấm phẳng [15, 16] 3. Thiết lập hệ thống thí nghiệm 3.1. Mô tả hệ thống thí nghiệm Trong nghiên cứu này, hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời được lắp đặt tại sân trường Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Phố Hồ Chí Minh như ở Hình 2 và 3. Các bộ phận chính của hệ thống gồm bồn tích trữ nước nóng, bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng, bơm nước tuần hoàn, bộ điều khiển và thu thập dữ liệu. Bộ thu năng lượng mặt trời có tổng diện tích là 8 m2 gồm 04 tấm collector kiểu phẳng được kết nối song song và đặt nghiêng một góc 450 so với mặt phẳng nằm ngang hướng về phía Hình 4. Bộ điều khiển của hệ thống nước nóng năng lương mặt Nam, mỗi tấm có chiều dài và rộng là 2mx1m, bên trong trời kiểu bộ thu tấm phẳng bố trí 11 ống đồng có đường kính trong và ngoài là 0,08m
30 Lê Minh Nhựt 3.2. Phương pháp thí nghiệm với các giá trị lưu lượng khác nhau. Kết quả cho thấy rằng, Trong thí nghiệm này, giá trị lưu lượng nước qua vòng với giá trị nhiệt độ nước ban đầu là 30oC thì nhiệt độ nước lặp bộ thu nằm trong khoảng 0,01-0,02 kg/m2s [15]. Giá trị vào Tci và ra Tco của bộ thu dao động trong khoảng từ 30oC chọn thí nghiệm cho hệ thống này là 0,015 kg/m2s tương đến 65oC, chênh lệch nhiệt độ giữa Tci và Tco dao động đương 7,2 lít/phút. Các giá trị lưu lượng thí nghiệm là trong khoảng 3oC đến 7oC tùy thời điểm trong ngày khi 5,04 lít/phút, 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, 7,2 lít/phút, bơm nước tuần hoàn hoạt động. Nhiệt độ nước T ci và Tco 7,92 lít/phút, 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút. Các giá trị lưu của bộ thu tăng dần từ buổi sáng đến buổi chiều do sự tăng lượng này xoay quanh giá trị 7,2 lít/phút và tăng hoặc giảm nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ. Nhìn chung, giá ±10%. Thời gian thực hiện thí nghiệm trong các ngày nắng trị lưu lượng nước qua bộ thu càng lớn thì sự giảm nhiệt độ từ 7h30 đến 16h30, nhiệt độ nước ban đầu trong bình tích nước ra khỏi bộ thu Tco càng nhanh do sự giảm nhanh nhiệt trữ chọn là 30oC. Ở thí nghiệm này, cường độ bức xạ mặt độ của tấm hấp thụ. trời It được đo bằng Tenmars TM-207 (sai số ± 1,5%), các Hình 7 và Bảng 1 cho thấy, sự ảnh hưởng của lưu lượng giá trị nhiệt độ được đo bằng cảm biến DS18B20 (sai số đến nhiệt lượng hữu ích Qu và năng lượng tiêu thụ của bơm ± 0,5%) và các giá trị nhiệt độ hiển thị ở màn hình LCD nước tuần hoàn Ep tương ứng với giá trị nhiệt độ môi như Hình 4. Lưu lượng nước được đo bằng đồng hồ lưu trường trung bình Ta và cường độ bức xạ năng lượng mặt lượng nước nóng đa tia SENSUS kiểu cánh quạt (sai số trời đến bề mặt bộ thu trung bình It của ngày thí nghiệm. ± 2%), điện năng cho bơm nước được đo bằng được đo Từ Hình 7 và Bảng 1 cho thấy, khi các giá trị lưu lượng bằng đồng hồ điện một pha EMIC (độ chính xác ±0,5). Các qua bộ thu tăng từ 5,04 lít/phút đến 7,92 lít/phút và từ số liệu thí nghiệm được ghi 10 phút/lần và được lưu vào 7,92 lít/phút đến 9,36 lít/phút thì năng lượng hữu ích Qu thu file excel trong máy tính để sử dụng tính toán. được tăng tương ứng từ 11,22 kWh đến 19,3 kWh và sau đó giảm dần đến 18,35 kWh trong khi năng lượng tiêu tốn 4. Kết quả nghiên cứu và đánh giá của bơm nước tuần hoàn Ep tăng liên tục từ 0,73 kWh đến Trong nghiên cứu này, giá trị năng lượng hữu ích Qu và 3,8 kWh. Qua Bảng 1 ta cũng thấy, tại giá trị lưu lượng năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần hoàn Ep là tính tổng cho 7,92 lít/phút qua bộ thu thì năng lượng hữu ích thu được là một ngày thí nghiệm trong khoảng thời gian từ 7h30 đến lớn nhất 19,3 kWh tương ứng với năng lượng tiêu tốn của 16h30 khi bơm hoạt động. bơm nước tuần hoàn là 2,3 kWh. Có thể giải thích điều này Hình 5 là kết quả biên dạng lưu lượng qua bộ thu trong rằng, khi tăng lưu lượng thì năng lượng hữu ích Q u và ngày nắng thí nghiệm. Các thí nghiệm cho các giá trị lưu Ep đều tăng (tốc độ tăng Qu nhanh hơn tốc độ tăng Ep) theo lượng 5,04 lít/phút, 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, 7,2 lít/phút, công thức 1 nhưng khi tăng quá mức, cụ thể là lớn hơn 7,92 lít/phút, 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút được thực hiện 7,92 lít/phút thì năng lượng hữu ích Qu giảm trong khi Ep trong các ngày nắng và có giá trị trung bình ngày thí tiếp tục tăng, điều này do khi tăng lưu lượng dẫn đến giảm nghiệm nhiệt độ môi trường T a và cường độ bức bạ mặt hiêu suất thoát FR giảm (công thức 2). Tóm lại, giá trị lưu trời It là gần như nhau. Như biên dạng lưu lượng của Hình lượng 7,92 lít/phút qua bộ thu được xem là giá trị cho năng 5, tại các giá trị lưu lượng từ 5,76 lít/phút, 6,48 lít/phút, lượng hữu ích Qu lớn nhất. 7,2 lít/phút thì bơm nước tuần hoàn qua vòng lặp bộ thu Bảng 1. Ảnh hưởng của lưu lượng qua vòng lặp bộ thu đến có số lần chạy và thời gian chạy dài hơn, số lần nghỉ và Qu và và Ep tương ứng với giá trị nhiệt độ môi trường Ta và thời gian nghỉ ngắn hơn. Tại giá trị lưu lượng 7,92 lít/phút cường độ bức xạ It trung bình của ngày thí nghiệm thì biên dạng tương đối đều, điều này có nghĩa thời gian m(lít/phút) 5,04 5,76 6,48 7,2 7,92 8,64 9,36 bơm chạy và dừng lặp lại tương đối giống nhau. Tuy Ta(oC) 35,01 34,84 34,3 34,46 34,51 34,2 34,32 nhiên, tại các giá trị lưu lượng 8,64 lít/phút, 9,36 lít/phút, It(W/m2) 666,03 664,5 665,6 663 661,3 667 665,5 thì số lần chạy và thời gian chạy ngắn hơn, số lần bơm dừng và thời gian dừng tăng lên. Điều này có thể giải thích Qu(kWh) 11,22 12,17 14,34 15,7 19,3 18,95 18,35 rằng, khi giá trị nhiệt độ qua vòng lặp bộ thu nhỏ hơn Ep(kWh) 0,73 0,89 1,26 1,73 2,3 3 3,8 7,92 lít/phút, khi bơm nước tuần hoàn chạy dẫn đến nhiệt Hình 8 thể hiện nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích độ nước ra khỏi bộ thu Tco giảm chậm nên sự duy trì sự trữ ứng với các giá trị lưu lượng qua bộ thu khác nhau trong hoạt động của bơm dài hơn do ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 tiến đến các ngày thí nghiệm. Từ đồ thị cho thấy, nhiệt độ nước ΔToff chậm, trong khi ở các giá trị lượng 8,64 lít/phút, nóng Ts trong bình tích trữ tăng nhanh vào buổi sáng cho 9,36 lít/phút khi bơm tuần hoàn hoạt động nhiệt độ nước đến 14h00 sau đó tăng chậm dần đến cuối ngày. Nhiệt độ ra khỏi bộ thu Tco giảm nhanh nên thời gian hoạt động của nước nóng cuối ngày nằm trong khoảng 60 oC đến 65oC. bơm tuần hoàn ngắn do chênh lệch nhiệt độ ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑠 Trong đó nhiệt độ nước nóng Ts cuối ngày ứng với giá trị tiến đến nhiệt độ ΔT off nhanh hơn. Tại giá trị lưu lượng lưu 7,92 (lít/phút) là cao nhất. Có thể giải thích rằng, sự 7,92 lít/phút do nhiệt độ Tco không giảm quá nhanh hay tăng nhanh của nhiệt độ nước nóng Ts vào buổi sáng là do quá chậm khi bơm hoạt động nên thời gian hoạt động và nhiệt độ nước ban đầu Ts nhỏ, sự chênh lệch ∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜 − nghỉ của bơm lặp lại tương đối đồng đều. 𝑇𝑠 lớn, trong khi sau 14h30 độ chênh nhiệt độ này nhỏ do Hình 6 thể hiện nhiệt độ nước đầu vào Tci và nhiệt độ cường độ bức xạ mặt trời giảm nên năng lượng hữu ích nước đầu ra Tco của bộ thu trong các ngày nắng thí nghiệm bình tích trữ nhận được giảm.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 8, 2020 31 10 10 lưu lượng(5.04 lít/phút) lưu lượng(5.76 lít/phút) 9 9 8 8 Lưu lượng (lít/phút) Lưu lượng (lít/phút) 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Thời gian(h) Thời gian(h) 10 10 lưu lượng(6.48 lít/phút) lưu lượng (7.2 lít/phút) 9 9 8 8 Lưu lượng (lít/phút) Lưu lượng(lít/phút) 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Thời gian(h) Thời gian(h) 10 10 lưu lượng (7.92 lít/phút) lưu lượng(8.64 lít/phút) 9 9 8 8 Lưu lượng (lít/phút) Lưu lượng (lít/phút) 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Thời gian(h) Thời gian(h) 10 lưu lượng(9.36 lít/phút) 9 8 Lưu lượng(lít/phút) 7 6 5 4 3 2 1 0 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Thời gian(h) Hình 5. Biên dạng lưu lượng qua vòng lặp bộ thu
32 Lê Minh Nhựt 75 Hình 9 cho thấy, sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban Tci(5.04) Tci(5.76) đầu trong bình tích trữ đến năng lượng hữu ích Qu và năng 70 Tci(6.48) lượng tiêu tốn của bơm tuần hoàn Ep. Kết quả cho thấy, khi 65 Tci(7.2) Tci(7.92) nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ tăng từ 25 oC đến 60 Tci(8.64) 45oC thì năng lượng hữu ích giảm từ 21,8 kWh đến 17,1 kWh trong khi năng lượng tiêu tốn cho bơm nước tuần Nhiệt độ Tci, Tco (oC) Tci(9.36) 55 hoàn giảm từ 3 kWh đến 1,55 kWh. Điều này có thể giải 50 thích, do sự tăng nhiệt độ nước ban đầu của bình tích trữ dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước bào bộ thu Tci nên dẫn 45 đến tăng tổn thất nhiệt ra môi trường (công thức (1)) và 40 Tco(5.04) giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ thu và nước qua bộ thu, bên Tco(5.76) cạnh đó thời gian hoạt động của bơm nước tuần hoàn cũng 35 Tco(6.48) ngắn hơn. Do vậy, đối với các hệ thống nước nóng năng Tco(7.2) 30 Tco(7.92) lượng mặt trời kiểu cưỡng bức cần thiết phải tăng cường sử Tco(8.64) dụng vào ban ngày để tăng năng lượng hữu ích Qu của bộ 25 Tco(9.36) thu và giảm sử dụng vào ban đêm. 20 24 4.0 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Thời gian(h) 22 3.5 Hình 6. Nhiệt độ Tco, Tci trong các ngày nắng thí nghiệm với các giá trị lưu lượng khác nhau 20 3.0 20 6 Qu(kWh) Ep(kWh) Qu 18 18 2.5 Ep 5 16 16 2.0 14 4 14 Qu Qu(kWh) Ep(kWh) 12 Ep 1.5 3 12 10 10 1.0 8 2 25 30 35 40 45 Nhiệt độ nước ban đầu bình tích trữ( C) o 6 1 Hình 9. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước ban đầu trong 4 bình tích trữ đến năng lượng hữu ích Qu và năng lượng tiêu tốn 2 0 của bơm tuần hoàn Ep 5.04 5.76 6.48 7.20 7.92 8.64 9.36 Lưu lượng (lít/phút) 5. Kết luận Hình 7. Ảnh hưởng của lưu lượng đến nhiệt lượng hữu ích Qu Dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định lưu và năng lượng tiêu thụ của bơm nước tuần hoàn Ep lượng nước qua bộ thu tấm phẳng của hệ thống nước nóng 75 năng lượng mặt trời kiểu cưỡng bức có thể thấy: 70 - Lưu lượng nước qua vòng lặp bộ thu tấm phẳng được 65 xác định tại giá trị 7,92 lít/phút tương ứng với nhiệt lượng hữu ích là 19,3 kWh và năng lượng tiêu tốn cho bơm tuần 60 hoàn là 2,3 kWh. Nhiệt độ Ts(oC) 55 - Nhiệt độ nước nóng trong bình tích trữ cuối ngày dao 50 động trong phạm vi 60oC đến 65oC. 45 Ts(5.04) - Khi nhiệt độ nước ban đầu tăng thì nhiệt lượng hữu Ts(5.67) ích thu được sẽ giảm, do đó cần tăng cường xử dụng nước 40 Ts(6.48) nóng vào ban ngày để tăng hiệu quả của hệ thống nước Ts(7.2) 35 nóng năng lượng mặt trời. Ts(7.92) 30 Ts(8.64) Kết quả nghiên cứu này có thể được cung cấp cho các 25 Ts(9.36) công ty tư vấn thiết kế, nhà sản xuất sử dụng tham khảo khi thiết kế và lắp đặt các hệ thống nước nóng năng lượng mặt 20 trời kiểu tấm phẳng ở Việt Nam. 7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 Thời gian(h) Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Hình 8. Nhiệt độ nước nóng Ts trong bình tích trữ ứng với các học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ kinh phí giá trị lưu lượng qua bộ thu khác nhau trong các ngày thí nghiệm cho nghiên cứu này (T2017-30TĐ).
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 8, 2020 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [11] Dembeck-Kerekes, T and et al, “Performance of variable flow rates for photovoltaic-thermal collectors and the determination of optimal [1] Csordas, G.F., Brunger, A.P., et al, “Plume entrainment effects in flow rates”, Solar Energy, 182, 2019, 148-160. solar domestic hot water systems employing variable-flow-rate [12] Antonio, A and et al, “Solar thermal modeling for rapid estimation of control strategies”, Solar Energy, 49(6), 1992, 497-505. auxiliary energy requirements in domestic hot water production: on- [2] Kovarik, M., Lesse, P.F, “Optimal control of flow in low temperature off versus proportional flow rate control”, Solar Energy 177(1), 2019, 68-79. solar heat collector”, Solar Energy, 18(5), 1976, 431-435. [13] Sara, H and et al, “Simultaneous optimization of configuration and [3] Orbach, A., Rorres, C., et al, “Optimal control of a solar collector loop controller parameters in an integrated solar thermal hydronic using a distributed-lumped model” Automatica, 17(3), 1981, 535-539. system”, 2017, 2931-2936. [4] Saltiel, C., Sokolov, M, “Optimal control of a multicomponent solar [14] Nguyễn Du, Lê Minh Nhựt, “Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện thời collector system”, Solar Energy, 34(6), 1985, 529-534. tiết đến năng lượng hữu ích của hệ thống nước nóng năng lượng mặt [5] Winn, C.B., Hull lll, D.E, “Optimal controllers of the second kind”, trời”, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 39, 2016, 78-84. Solar Energy, 23(6), 1979, 529-534. [15] Duffie, J.A., Beckman, W.A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, 3rd ed, John Wiley & Sons, New York, 2006. [6] Nhut, L.M., Park, Y.C, “A study on automatic optimal operation of a pump for solar domestic hot water system”, Solar Energy, 98, [16] Nguyễn Thế Bảo, Giáo trình năng lượng tái tạo và sự phát triển bền 2013, 448–457. vững, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2017. [7] Sara, H and et al, “An optimal control strategy for a heat pump in an [17] Badescu, V, “Optimal control of flow in solar collector systems with integrated solar thermal system”, Journal of Process Control, 84, fully mixed water storage tanks”, Energy Conversion and 2019, 35-45. Management, 49(2), 2008, 169-184. [8] Badescu and et al, “Empirical versus optimal control of flow in solar [18] Knudsen, S, “Consumers influence on the thermal performance of domestic hot water system”, Journal of Energy Engineering 142(3), small SDHW systems - Theoretical investigations” Solar Energy, 2016. 73(1), 2002, 33-42. [9] Mohamed, A.Z and et al, “Energic performance and economic [19] Reindl, D and et al, “Experimental verification of a solar hot water analysis of a solar water heating system for different flow rates heating system with a spiral-jacketed storage tank”, Journal of values: A case stude”, Solar Energy, 147(1), 2017, 164-180. Mechanical Science and Technology, 22, 2008, 2228-2235. [10] Pang, W and et al, “Experimental effect of high mass flow rate and [20] Nhut, L.M., Park, Y.C, “A Study on Developing an Automatic volume cooling on performance of a water-type PV/T collector”, Controller with an Inverter Collector Pump for Solar-Assisted Solar Energy, 188, 2019, 1360-1368. Heating System”, Energies, 13(9), 2020, 2128. (BBT nhận bài: 06/4/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/8/2020)