Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ dần cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo số liệu của IEA năm 2015, năng lượng hóa thạch chiếm tới 81,5% tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu, dẫn đến lượng khí thải CO2 tăng gấp đôi, góp phần làm biến đổi khí hậu. Trong khi đó, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, được xem là nguồn năng lượng sạch, vô tận và có chi phí bảo dưỡng thấp, đang được nhiều quốc gia ưu tiên phát triển. Tại Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn với bức xạ trung bình đạt 4-5 kWh/m²/ngày và số giờ nắng trung bình khoảng 1.100 giờ mỗi năm, đặc biệt khu vực phía Nam có thể lên tới 2.000 giờ nắng. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong nước vẫn còn hạn chế do ý thức sử dụng năng lượng tái tạo chưa cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng hoạt động của bộ thu nhiệt không khí có cánh kiểu sóng dọc (collector) sử dụng năng lượng mặt trời, nhằm đánh giá hiệu suất và các thông số trạng thái của hệ thống. Mục tiêu cụ thể là mô phỏng dòng chảy không khí trong bộ thu, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như vận tốc đầu vào, bề dày lớp kính và lớp không khí đến hiệu suất thu nhiệt, từ đó đề xuất các cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2018 tại thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics và ANSYS Fluent. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống thu nhiệt năng lượng mặt trời, góp phần giảm thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về bức xạ năng lượng mặt trời và nguyên lý hoạt động của bộ thu nhiệt (collector). Năng lượng mặt trời được truyền đến bề mặt trái đất dưới dạng bức xạ điện từ với phổ bước sóng rộng, trong đó vùng nhìn thấy chiếm khoảng 0,38-0,78 μm. Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất có thể đạt tới 1000 W/m² trong điều kiện quang đãng. Các góc hình học như góc tới, góc nghiêng bộ thu, góc phương vị được tính toán để xác định lượng bức xạ hấp thụ hiệu quả.

Bộ thu nhiệt không khí kiểu sóng dọc gồm các thành phần chính: lớp kính trong suốt phía trên, tấm hấp thụ nhiệt phủ crom đen với hệ số hấp thụ khoảng 0,95, lớp cách nhiệt và vỏ nhôm bao quanh. Bộ thu hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt qua bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt. Hiệu suất bộ thu được xác định qua các hệ số truyền nhiệt, tổn thất nhiệt toàn phần và các thông số vật liệu. Các mô hình hiệu suất như hiệu suất cánh, hiệu suất hiệu dụng collector và hiệu suất lưu thông được áp dụng để đánh giá hiệu quả thu nhiệt.

Ngoài ra, luận văn sử dụng mô hình dòng chảy rối k-ε để mô phỏng dòng không khí trong bộ thu, kết hợp với mô hình phân tích nhiệt S2S để mô tả quá trình truyền nhiệt bức xạ giữa các thành phần trong bộ thu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm COMSOL Multiphysics và ANSYS Fluent. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình bộ thu không khí có cánh kiểu sóng dọc với kích thước tổng thể 2000x1000x160 mm, được xây dựng và nhập vào phần mềm dưới dạng mô hình 3D. Phương pháp chọn mẫu là mô hình hóa chi tiết cấu trúc bộ thu và điều kiện vận hành thực tế.

Phân tích được thực hiện theo timeline nghiên cứu trong năm 2018, bắt đầu từ việc thu thập dữ liệu lý thuyết, xây dựng mô hình hình học, cài đặt vật liệu và điều kiện biên, tạo lưới tính toán, lựa chọn lời giải phương trình và chạy mô phỏng. Các thông số đầu vào như vận tốc không khí, nhiệt độ môi trường, bề dày kính và lớp không khí được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu suất bộ thu.

Phương pháp phân tích bao gồm mô hình dòng chảy rối k-ε để mô phỏng động lực học chất lưu, mô hình truyền nhiệt bức xạ S2S để mô phỏng trao đổi nhiệt bức xạ, và các công thức tính toán hiệu suất dựa trên cân bằng năng lượng. Kết quả mô phỏng được xử lý và hiển thị dưới dạng biểu đồ nhiệt độ, áp suất, tổn thất áp suất và hiệu suất thu nhiệt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc đầu vào không khí: Kết quả mô phỏng cho thấy khi vận tốc đầu vào tăng từ 1 m/s lên 5 m/s, hiệu suất bộ thu tăng khoảng 15%, đồng thời tổn thất áp suất cũng tăng lên 20%. Điều này cho thấy vận tốc không khí là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất thu nhiệt và cần được điều chỉnh hợp lý để cân bằng giữa hiệu suất và tổn thất áp suất.

  2. Ảnh hưởng của bề dày lớp kính: Khi tăng bề dày kính từ 3 mm lên 6 mm, hiệu suất bộ thu giảm khoảng 8% do tăng tổn thất nhiệt qua kính. Tuy nhiên, lớp kính dày hơn giúp giảm thất thoát nhiệt ra môi trường, cải thiện độ bền và khả năng cách nhiệt tổng thể.

  3. Ảnh hưởng của bề dày lớp không khí: Bề dày lớp không khí trong bộ thu ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền nhiệt. Mô phỏng cho thấy khi bề dày không khí tăng từ 10 mm lên 20 mm, hiệu suất bộ thu giảm khoảng 10% do giảm khả năng trao đổi nhiệt giữa tấm hấp thụ và không khí lưu thông.

  4. Phân bố nhiệt độ và dòng chảy: Mô hình dòng chảy rối k-ε cho thấy không khí trong bộ thu có sự phân bố nhiệt độ không đồng đều, với vùng xoáy tại các cánh sóng dọc giúp tăng thời gian lưu không khí và cải thiện hiệu suất thu nhiệt. Nhiệt độ không khí đầu ra trung bình đạt khoảng 60°C trong điều kiện vận tốc 3 m/s và bức xạ mặt trời 800 W/m².

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên liên quan đến cơ chế truyền nhiệt và động lực học chất lưu trong bộ thu. Vận tốc không khí cao giúp tăng cường trao đổi nhiệt đối lưu nhưng đồng thời làm tăng tổn thất áp suất, gây tiêu hao năng lượng bơm. Bề dày kính và lớp không khí ảnh hưởng đến tổn thất nhiệt qua bức xạ và dẫn nhiệt, do đó cần cân nhắc thiết kế để tối ưu hiệu suất.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu suất bộ thu không khí kiểu sóng dọc, đồng thời bổ sung thêm phân tích chi tiết về ảnh hưởng của các thông số thiết kế. Việc sử dụng đồng thời COMSOL Multiphysics và ANSYS Fluent giúp mô phỏng đa vật lý chính xác hơn, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc cải tiến thiết kế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc đầu vào và hiệu suất, bề dày kính với tổn thất nhiệt, cũng như bản đồ nhiệt phân bố nhiệt độ trong bộ thu, giúp trực quan hóa các hiện tượng vật lý và hỗ trợ quyết định thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vận tốc không khí đầu vào: Điều chỉnh vận tốc không khí trong khoảng 3-4 m/s để cân bằng giữa hiệu suất thu nhiệt và tổn thất áp suất, giảm chi phí vận hành bơm và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Thiết kế lớp kính phù hợp: Sử dụng kính có bề dày khoảng 4-5 mm với hệ số truyền nhiệt thấp để giảm tổn thất nhiệt đồng thời đảm bảo độ bền và khả năng cách nhiệt, áp dụng trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Điều chỉnh bề dày lớp không khí: Giữ bề dày lớp không khí trong bộ thu ở mức 10-15 mm để tối ưu trao đổi nhiệt, tránh giảm hiệu suất do lớp không khí quá dày, thực hiện trong giai đoạn thiết kế và sản xuất.

  4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng tích hợp BIM: Kết hợp mô hình mô phỏng COMSOL Multiphysics và ANSYS Fluent với phần mềm REVIT MEP để xây dựng mô hình BIM, giúp tăng tính cụ thể hóa và khả năng ứng dụng trong thiết kế công trình, triển khai trong 3 năm tới bởi các công ty kỹ thuật và kiến trúc.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho sinh viên và kỹ sư về mô phỏng đa vật lý và thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời, đồng thời chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất bộ thu, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng trong nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô phỏng bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

  2. Các công ty sản xuất và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời: Thông tin về hiệu suất và các yếu tố ảnh hưởng giúp cải tiến thiết kế, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm chi phí sản xuất.

  3. Chuyên gia và nhà quản lý trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Cung cấp dữ liệu và phân tích hỗ trợ hoạch định chính sách, phát triển dự án năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  4. Các hộ gia đình, cơ sở kinh doanh và trường học: Tham khảo để lựa chọn và ứng dụng các hệ thống bộ thu không khí hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí điện năng trong sinh hoạt và sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ thu không khí kiểu sóng dọc là gì?
    Bộ thu không khí kiểu sóng dọc là thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời để làm nóng không khí lưu thông qua các cánh sóng dọc, tăng thời gian tiếp xúc và hiệu suất truyền nhiệt, không cần sử dụng điện hay gas.

  2. Phần mềm COMSOL Multiphysics và ANSYS Fluent có vai trò gì trong nghiên cứu?
    COMSOL Multiphysics mô phỏng đa vật lý dòng chảy và truyền nhiệt, trong khi ANSYS Fluent chuyên về mô phỏng dòng chảy rối và phân tích nhiệt, kết hợp giúp mô phỏng chính xác hoạt động của bộ thu.

  3. Ảnh hưởng của vận tốc không khí đến hiệu suất bộ thu như thế nào?
    Vận tốc không khí cao giúp tăng hiệu suất thu nhiệt do tăng trao đổi nhiệt đối lưu, nhưng cũng làm tăng tổn thất áp suất, gây tiêu hao năng lượng bơm và giảm hiệu quả kinh tế.

  4. Tại sao cần kết hợp mô hình BIM trong nghiên cứu?
    Kết hợp BIM giúp xây dựng mô hình 3D chi tiết, phối hợp giữa các bộ phận thiết kế và thi công, nâng cao tính đồng bộ và chính xác trong triển khai hệ thống năng lượng mặt trời.

  5. Ứng dụng thực tế của bộ thu không khí kiểu sóng dọc là gì?
    Bộ thu được ứng dụng trong làm nóng nước sinh hoạt, sấy khô nông sản, cung cấp nhiệt cho các cơ sở kinh doanh và công nghiệp, giúp tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô phỏng thành công hoạt động của bộ thu không khí có cánh kiểu sóng dọc, đánh giá được ảnh hưởng của vận tốc không khí, bề dày kính và lớp không khí đến hiệu suất thu nhiệt.
  • Sử dụng đồng thời phần mềm COMSOL Multiphysics và ANSYS Fluent giúp mô phỏng đa vật lý chính xác, hỗ trợ cải tiến thiết kế bộ thu.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế, sản xuất và đào tạo, góp phần phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Đề xuất tối ưu vận tốc không khí, thiết kế lớp kính và lớp không khí phù hợp nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí vận hành.
  • Khuyến khích tích hợp mô hình BIM để tăng tính ứng dụng thực tế và phối hợp trong các dự án xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng mô hình mô phỏng tích hợp BIM và thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả vận hành trong điều kiện thực tế. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp triển khai ứng dụng để thúc đẩy phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam.