Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nhiệt với đề tài "Nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằm nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt (PV/T)" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Hoàng Văn Viết tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2024), dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Chí Hiệp và TS. Nguyễn Thế Bảo. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt (mã số: 62520115).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong quá trình vận hành của pin mặt trời (PV cell), hiệu suất chuyển hóa quang năng thành điện năng thực tế thường không vượt quá 20%, phần lớn bức xạ mặt trời hấp thụ bị chuyển hóa thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ làm việc của tấm pin. Khi nhiệt độ tăng, công suất phát điện suy giảm từ 0,39 đến 0,43%/°C đối với pin silicon đa tinh thể (Poly c-Si) và từ 0,35 đến 0,40%/°C đối với pin silicon đơn tinh thể (Mono c-Si). Đồng thời, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều tạo ra ứng suất nhiệt, làm giảm tuổi thọ của mô-đun PV.

Tại Việt Nam, các hệ thống điện mặt trời phát triển nhanh theo định hướng Quy hoạch điện VIII, đặc biệt là điện mặt trời áp mái tại các hộ gia đình, cơ sở thương mại và công nghiệp. Cùng với nhu cầu điện, nhu cầu sử dụng nước nóng phục vụ sinh hoạt và quy trình sản xuất (nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, chế biến) là rất lớn. Tuy nhiên, trước thời điểm luận án thực hiện, các nghiên cứu trong nước về giải nhiệt pin mặt trời còn hạn chế (chủ yếu là phun nước làm mát mặt sau mà không thu hồi nhiệt). Trên thế giới, các công trình về mô-đun PV/T nước và hệ thống liên quan vẫn tồn tại các khoảng trống kỹ thuật:

  • Cấu trúc bộ trao đổi nhiệt kiểu ống hàn trên tấm phẳng truyền thống có diện tích tiếp xúc truyền nhiệt hạn chế, dễ cong vênh khi chế tạo và thường đòi hỏi ống và tấm phải cùng vật liệu. Bố trí ống dạng 1 đường ống (1CT) làm tăng tổn thất áp suất, tăng công suất bơm và gây chênh lệch nhiệt độ lớn giữa đầu vào và đầu ra, dẫn đến việc làm mát không đồng đều.
  • Các nghiên cứu về hệ thống làm nóng nước dạng chủ động sử dụng mô-đun PV/T nước (PVTAHW) chủ yếu khảo sát hiệu suất tức thời của mô-đun, chưa đánh giá toàn diện ảnh hưởng của lưu lượng nước và thể tích bình chứa đến sản lượng điện lên lưới (đã trừ điện năng tiêu thụ của bơm và tổn thất qua inverter) và sản lượng nhiệt theo chu kỳ năm.
  • Các nghiên cứu về hệ thống bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng mô-đun PV/T nước (PVTWHP) kết hợp máy nén biến tần (PVTWHP-IVT) độc lập còn rất ít, chưa có phương pháp đánh giá tổng thể dựa trên đồng thời hiệu suất energy, hiệu suất exergy và sản lượng nhiệt - điện trong điều kiện thời tiết quanh năm tại khu vực nhiệt đới cận xích đạo.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Mục đích tổng quát của luận án là nâng cao hiệu quả năng lượng tổng (điện năng và nhiệt năng nước nóng) của hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT. Để hiện thực hóa mục đích này, tác giả xác định 5 mục tiêu cụ thể (được đánh số theo văn bản):

  1. Xác định được kiểu bộ trao đổi nhiệt có hiệu quả cao nhất đối với các mẫu mô-đun PV/T; xác định mẫu mô-đun PV/T đạt hiệu suất điện, hiệu suất nhiệt và hiệu suất tổng cao nhất, phù hợp nhất để ứng dụng cho hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT.
  2. Xây dựng được chuỗi dữ liệu thời tiết (cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, vận tốc gió) của 12 ngày tiêu biểu đại diện cho 12 tháng trong năm tại TP. Hồ Chí Minh để đánh giá cho các hệ thống.
  3. Xác định được thông số vận hành phù hợp trong điều kiện thời tiết quanh năm cho hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT.
  4. Xác định được hiệu quả năng lượng và sản lượng nhiệt, điện cho hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT trong điều kiện thời tiết quanh năm.
  5. Xác định được hiệu quả của hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT so với các hệ thống hoạt động độc lập (mô-đun PV không giải nhiệt, bơm nhiệt không khí AWHP).

Giả thuyết và tiêu chí kỹ thuật đặt ra: Hiệu suất điện trung bình năm và sản lượng điện cả năm của mô-đun PV/T nước ở cả hai hệ thống phải cao hơn so với mô-đun PV thông thường; hệ số hiệu quả (COP) của bơm nhiệt trong hệ thống PVTWHP-IVT phải cao hơn COP của bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng không khí (AWHP).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: 6 mẫu mô-đun PV/T nước (ký hiệu từ MD1 đến MD6) kết hợp với 2 kiểu kết cấu bộ trao đổi nhiệt (kiểu A và kiểu B); 2 hệ thống cấp điện - nhiệt chính gồm hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT (cùng hệ thống thực nghiệm phụ trợ PVTWHP-NIVT sử dụng máy nén không biến tần, mô-đun PV không giải nhiệt và hệ thống AWHP để đối chứng).
  • Phạm vi không gian: Khí hậu Thành phố Hồ Chí Minh (đại diện cho miền Nam Việt Nam và vùng nhiệt đới cận xích đạo); mở rộng tạo lập dữ liệu bức xạ cho Thành phố Đà Nẵng.
  • Phạm vi thời gian và vận hành: Đánh giá chu kỳ vận hành quanh năm dựa trên 12 ngày tiêu biểu cho 12 tháng.
  • Giới hạn kỹ thuật: Cố định cấu trúc hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T dựa trên kích thước mô-đun PV thương mại; giới hạn nhiệt độ nước nóng trung bình năm tích trữ trong bình chứa ở cuối thời gian khảo sát là khoảng 50°C đối với hệ thống PVTAHW (phù hợp nhu cầu sinh hoạt) và khoảng 60°C đối với hệ thống PVTWHP-IVT (phù hợp quy trình công nghiệp, dịch vụ và tiêu chuẩn công bố của bơm nhiệt R134a).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo các nhóm nội dung:

Phân loại và so sánh các công nghệ PV/T

Tác giả dẫn kết quả tổng hợp của Zhang [5] so sánh tổng hiệu suất (nhiệt và điện) của 4 dòng mô-đun PV/T từ các mô hình tính toán:

  • Mô-đun PV/T không khí (mô hình Solanki và cộng sự [6]): tổng hiệu suất từ 24% đến 47%.
  • Mô-đun PV/T nước (mô hình Joshi và cộng sự [7]): tổng hiệu suất từ 33% đến 59%.
  • Mô-đun PV/T môi chất lạnh (mô hình Ji và cộng sự [8]): tổng hiệu suất từ 56% đến 75%.
  • Mô-đun PV/T ống nhiệt (mô hình Quan và cộng sự [9]): tổng hiệu suất từ 42% đến 68%.

Mặc dù môi chất lạnh cho hiệu suất cao, tác giả chỉ ra nguy cơ rò rỉ, phân phối pha không đều và khó kiểm soát ở quy mô lớn; trong khi mô-đun PV/T nước có chi phí chế tạo thấp, hệ số truyền nhiệt cao, nước có nhiệt dung riêng lớn và rủi ro đóng băng hầu như không xảy ra tại Việt Nam.

Cấu trúc hình học và mô hình nhiệt của mô-đun PV/T nước

  • Kalogirou và cộng sự [11]: Nghiên cứu mô-đun PV/T có lớp không khí, ống đồng hàn tấm đồng, bố trí dạng song song (PT) với đường kính ngoài ống $D_{t,o} = 0,015\text{ m}$ và ống góp $0,028\text{ m}$.
  • Gard và Agarwal [15]: Khảo sát mô-đun có lớp không khí, ống thép hàn tấm nhôm dạng PT gồm 16 ống ($L_{1t} = 1,46\text{ m}$, $D_{t,o} = 0,019\text{ m}$).
  • Huang và cộng sự [16]: Kết hợp tấm PV thương mại với bộ trao đổi nhiệt nhựa PC đa kênh chữ nhật không có lớp không khí, tỷ số bước ống/đường kính $W/D = 1$.
  • Tripanagnostopoulos và cộng sự [17]: So sánh mô-đun có và không có lớp không khí; kết quả cho thấy lớp không khí làm tăng hiệu suất nhiệt 29% nhưng làm giảm hiệu suất điện 16% do nhiệt độ tế bào quang điện tăng cao.
  • Zondag và cộng sự [3], [31]: Mô phỏng và thực nghiệm mô-đun có lớp không khí, ống bố trí 1 đường ống uốn lượn (1CT), ống đồng $D_{t,o} = 0,01\text{ m}$, bước ống $W = 0,095\text{ m}$.
  • Santbergen và cộng sự [18]: Khảo sát lớp phủ chống phản xạ và độ phát xạ thấp trên mô-đun dạng 1CT.
  • Chow và cộng sự [19], [20], [32]: Đề xuất bộ trao đổi nhiệt dạng hộp nhôm phẳng (flat-box) gắn sau tấm PV; phát triển mô hình cân bằng năng lượng không ổn định giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn dạng hiện (explicit).
  • Wei He và cộng sự [21], Bhattarai và cộng sự [22]: Đánh giá mô-đun PV/T dạng PT so sánh với bộ thu mặt trời dạng tấm phẳng (FPC).
  • Preet và cộng sự [23]: Khảo sát thực nghiệm mô-đun dạng PT với 2 tấm hấp thụ nhôm (trong đó có 1 tấm dập hình chữ Ʊ ôm ống) kết hợp vật liệu chuyển pha (PCM).
  • Rosli và cộng sự [24], Fudholi và cộng sự [25], Sardouei và cộng sự [26], Kazem và cộng sự [27], Bai và cộng sự [28]: Nghiên cứu các biên dạng ống (tròn, vuông, chữ nhật, roll-bond) và dạng dòng chảy (1CT, PT, xoắn ốc, zíc zắc).

Các hệ thống ứng dụng mô-đun PV/T nước

  • Hệ thống PVTAHW và PVTPHW: Kalogirou và cộng sự [11] mô phỏng TRNSYS tại Nicosia, Athens và Madison. Gard và Agarwal [15] xác định lưu lượng tối ưu $0,03\text{ kg/s}$ và bồn chứa $200\text{ kg}$. Nhược điểm chung của hệ thống thụ động (PVTPHW) và chủ động thông thường (PVTAHW) là nhiệt độ nước cấp vào mô-đun tăng dần theo thời gian tích nhiệt trong bình chứa, làm giảm dần khả năng làm mát pin quang điện vào các giờ bức xạ cao trong ngày.
  • Hệ thống PVTWHP: Tích hợp bơm nhiệt để hạ nhiệt độ nước tuần hoàn vào mô-đun PV/T, vừa tăng hiệu suất điện vừa tăng khả năng thu nhiệt mặt trời ở nhiệt độ thấp. Bai và cộng sự [11] mô phỏng hệ thống với R410A cho trung tâm thể thao tại Hồng Kông, COP đạt 4,1 ở nhiệt độ nước 40°C. Calise và cộng sự [34] tích hợp bơm nhiệt (COP đạt 4,0) và máy lạnh hấp thụ (COP đạt 0,55). Fine và cộng sự [35] nghiên cứu bơm nhiệt cascade 2 tầng dùng R134a. Emmi và cộng sự [36], Besagni và cộng sự [37], Del Amo và cộng sự [38] khảo sát các hệ thống bơm nhiệt kết hợp nguồn nhiệt PV/T nước tại châu Âu với môi chất R410A hoặc R134a.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết:

  1. Thiếu sót về mặt hình học của bộ trao đổi nhiệt dạng ống-tấm: Khắc phục nhược điểm tổn thất áp suất và chênh lệch nhiệt độ lớn của kiểu 1CT bằng cách đề xuất bố trí 2 đường ống song song uốn lượn (2CT); tăng diện tích truyền nhiệt tiếp xúc bằng cách dập tấm hấp thụ ôm quanh ống theo hình chữ Ʊ (kiểu B) thay vì hàn tiếp xúc điểm/đường trên tấm phẳng (kiểu A).
  2. Chưa có sự so sánh đồng thời, có hệ thống giữa 6 cấu hình mô-đun (kết hợp yếu tố có/không có lớp không khí và 3 kiểu đi ống: 1CT, PT, 2CT) dưới 2 kiểu tấm hấp thụ A và B.
  3. Thiếu mô hình mô phỏng số đồng bộ đánh giá hiệu quả vận hành thực tế quanh năm (energy, exergy, sản lượng điện trừ tự dùng đưa lên lưới, sản lượng nhiệt) của hệ thống chủ động PVTAHW và hệ thống bơm nhiệt biến tần PVTWHP-IVT trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án áp dụng định luật 1 và định luật 2 nhiệt động lực học để phân tích cân bằng năng lượng và exergy:

  • Mô hình cân bằng năng lượng mô-đun PV và PV/T: Thiết lập hệ phương trình vi phân truyền nhiệt một chiều và hai chiều ở trạng thái không ổn định cho từng lớp vật liệu: lớp kính bảo vệ ($g$), lớp không khí ($air$), lớp tế bào quang điện ($pvl$), lớp keo tản nhiệt ($ad$), tấm hấp thụ ($ab$), thành ống ($t$), môi chất nước ($pw$) và lớp cách nhiệt đáy ($ins$).
  • Phương trình trao đổi nhiệt: Bao gồm dẫn nhiệt qua các lớp rắn, tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên và cưỡng bức giữa bề mặt với môi trường hoặc chất lỏng tuần hoàn (sử dụng các tiêu chuẩn Nusselt $Nu$, Reynolds $Re$, Prandtl $Pr$, Rayleigh $Ra$), trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt song song và với bầu trời ($T_{sky}$).
  • Công suất và hiệu suất điện: Tính toán công suất điện của lớp PV ($E_{elec}$) phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời ($I_s$), nhiệt độ bề mặt lớp PV ($t_{pvl}$) và hệ số suy giảm công suất theo nhiệt độ ($\beta_{ref}$).
  • Mô hình chu trình bơm nhiệt: Phân tích chu trình lạnh nén hơi sử dụng môi chất R134a trên đồ thị $P-h$. Tính toán quá trình nén đoạn nhiệt thực tế (sử dụng công nén không thuận nghịch $l_o$, hiệu suất nén chỉ thị), trao đổi nhiệt biến đổi pha bên trong thiết bị bay hơi dạng tấm hàn kín (Plate Heat Exchanger - PHX) và thiết bị ngưng tụ dạng cuộn ống ngâm trong bình trữ nước nóng.
  • Mô hình thủy lực: Xác định tổn thất áp suất ma sát ($\Delta p_{ms}$) dọc theo đường ống và tổn thất cục bộ qua các cút co, van, đầu chia dòng ($\Delta p_{cb}$), từ đó tính toán công suất tiêu thụ điện của bơm tuần hoàn ($P_{pump}$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  1. Phương pháp mô phỏng số: Rời rạc hóa hệ phương trình cân bằng năng lượng theo phương pháp sai phân hữu hạn dạng hiện (explicit finite difference method). Xây dựng thuật toán và lập trình 5 chương trình mô phỏng số (CT MPS) chuyên biệt bằng ngôn ngữ lập trình kỹ thuật.
  2. Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực tế và lắp đặt hệ thống đo đạc để thu thập dữ liệu kiểm chứng:
    • Đo đạc thông số bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, vận tốc gió bằng trạm quan trắc khí tượng chuyên dụng.
    • Thử nghiệm mô-đun PV chuẩn công suất $160\text{ Wp}$ với 6 cảm biến nhiệt độ gắn mặt sau kết nối máy lưu dữ liệu tự động PCE1200.
    • Thử nghiệm hệ thống thực nghiệm PVTAHW sử dụng mô-đun MD6 kiểu B tại TP. Hồ Chí Minh.
    • Thử nghiệm hệ thống thực nghiệm PVTWHP-NIVT sử dụng dàn mô-đun PV/T MD6 kiểu B kết hợp bơm nhiệt máy nén piston và bình chứa nước nóng.
    • Đánh giá độ sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm bằng phương trình sai số căn bậc hai trung bình (RMS).
  3. Phương pháp xử lý dữ liệu khí hậu: Phát triển thuật toán tự động tính toán, phân chia bức xạ mặt trời trung bình tháng thành cường độ bức xạ theo từng giờ của 12 ngày tiêu biểu đại diện cho 12 tháng trong năm tại TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày cơ sở tổng quan về bức xạ mặt trời và các công nghệ chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng và nhiệt năng. Phân tích sâu 4 dạng mô-đun PV/T (không khí, nước, môi chất lạnh, ống nhiệt) về mặt hiệu suất, ưu điểm và nhược điểm vận hành. Điểm luận các công trình nghiên cứu trên thế giới về cấu tạo hình học, vật liệu, mô hình tính toán nhiệt và các hệ thống ứng dụng mô-đun PV/T nước (PVTAHW, PVTPHW, PVTWHP). Từ việc phân tích các hạn chế của tài liệu hiện có, chương 1 xác lập lý do nghiên cứu, 4 vấn đề kỹ thuật cần giải quyết, đối tượng, 5 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi - giới hạn và phương pháp tiếp cận của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung xây dựng nền tảng lý thuyết nhiệt động, truyền nhiệt và thủy lực phục vụ việc lập trình mô phỏng:

  • Đề xuất chi tiết cấu trúc hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T nước (MD1 đến MD6) dựa trên tấm pin thương mại:
    • Phân loại theo lớp bao che mặt trước: Loại I (có lớp kính và lớp không khí đệm) và Loại II (không có lớp kính và lớp không khí).
    • Phân loại theo cách bố trí đường ống trao đổi nhiệt: dạng 1 đường ống uốn lượn (1CT), dạng nhiều ống song song có ống góp (PT), và dạng đề xuất mới gồm 2 đường ống uốn lượn độc lập đan xen (2CT).
    • Phân loại theo kết cấu tấm hấp thụ: Kiểu A (tấm phẳng hàn ống truyền thống) và Kiểu B (tấm hấp thụ dập gân định hình chữ Ʊ ôm khít lấy thân ống nhằm tối đa hóa diện tích tiếp xúc truyền nhiệt).
Bảng tổng hợp đặc điểm cấu tạo 6 mẫu mô-đun PV/T đề xuất trong luận án:
Mẫu mô-đun Lớp kính & Lớp không khí Kiểu bố trí đường ống TĐN Kiểu tấm hấp thụ khảo sát
MD1 Có Dạng 1 đường ống (1CT) Kiểu A và Kiểu B
MD2 Có Dạng song song (PT) Kiểu A và Kiểu B
MD3 Không Dạng 1 đường ống (1CT) Kiểu A và Kiểu B
MD4 Không Dạng song song (PT) Kiểu A và Kiểu B
MD5 Có Dạng 2 đường ống (2CT) Kiểu A và Kiểu B
MD6 Không Dạng 2 đường ống (2CT) Kiểu A và Kiểu B
  • Thiết lập sơ đồ dòng nhiệt và các phương trình vi phân cân bằng năng lượng cho mô-đun PV không làm mát và các thành phần của mô-đun PV/T nước.
  • Xây dựng mô hình tính toán cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín làm thiết bị bay hơi, xác định diện tích dòng kênh ($F_{kenh}$), đường kính thủy lực ($D_h$), hệ số ma sát và tiêu chuẩn Nusselt khi sôi bay hơi môi chất lạnh R134a.
  • Xây dựng mô hình nhiệt động máy nén biến tần và không biến tần: tính toán lưu lượng môi chất lạnh ($m_{rfg}$), thể tích quét ($V_d$), tần số làm việc, công suất điện tiêu thụ ($P_{comp}$) và nhiệt lượng nhả ra tại thiết bị ngưng tụ ($Q_k$).
  • Thiết lập phương trình thủy lực tính tổn thất áp suất và công suất điện tiêu hao của bơm tuần hoàn nước ($P_{pump}$).
  • Xây dựng cơ sở tính toán chỉ số COP cho bơm nhiệt làm nóng nước đối chứng sử dụng nguồn nhiệt không khí (AWHP) dùng môi chất R134a.

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng số

Chương 3 trình bày việc số hóa các mô hình toán học thành 5 chương trình mô phỏng số (CT MPS):

  1. CT MPS cho mô-đun PV thông thường: Giải lặp phương trình nhiệt độ lớp PV ($t_{pvl}$) theo thời gian và xác định công suất phát điện $P_{elec0}$.
  2. CT MPS cho 6 mẫu mô-đun PV/T nước (MD1 - MD6) với bộ TĐN kiểu A và B: Giải đồng thời các phương trình nhiệt độ lớp kính, lớp không khí, lớp tế bào quang điện, tấm hấp thụ, vách ống và nhiệt độ dòng nước ra khỏi mô-đun ($t_{pw,o}$).
  3. CT MPS cho hệ thống PVTAHW: Tích hợp mô hình mô-đun PV/T với mô hình truyền nhiệt theo lớp của bình trữ nước nóng bảo ôn có bố trí cuộn ống xoắn trao đổi nhiệt gián tiếp và bơm tuần hoàn.
  4. CT MPS cho hệ thống PVTWHP-IVT: Tích hợp liên kết nhiệt động giữa vòng tuần hoàn nước giải nhiệt mô-đun PV/T qua thiết bị bay hơi tấm hàn kín, chu trình nén hơi biến tần điều chỉnh công suất theo phụ tải nhiệt bức xạ, và cuộn ngưng tụ gia nhiệt bình nước nóng.
  5. CT MPS cho hệ thống PVTWHP-NIVT: Tương tự mô hình trên nhưng tốc độ vòng quay máy nén ($v_{comp}$) cố định theo chế độ đóng/ngắt (on/off).

Chương này cũng thiết lập hệ thống công thức tính toán các tiêu chí đánh giá tổng thể: hiệu suất nhiệt ($\eta_{th}$), hiệu suất điện ($\eta_e$), hiệu suất tổng ($\eta_{tt}$), hiệu suất energy ($\eta_{en}$), hiệu suất exergy ($\eta_{ex}$), sản lượng nhiệt hữu ích ($Q_{th}$), sản lượng điện thực tế lên lưới ($P_{egrid}$) sau khi trừ điện bơm và suy hao inverter, cùng hệ số hiệu quả COP của bơm nhiệt và toàn hệ thống.

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm và kiểm chứng chương trình mô phỏng số

Chương 4 thực hiện các bước kiểm chứng độ tin cậy của các chương trình mô phỏng số thông qua đo đạc thực nghiệm và đối chiếu tài liệu:

  • Kiểm chứng mô-đun PV: Đo đạc tại trạm khí tượng thực nghiệm ở TP. Hồ Chí Minh với tấm pin $160\text{ Wp}$. So sánh nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm trong các ngày tiêu biểu cho thấy sự trùng khớp cao với sai số RMS nhỏ.
  • Kiểm chứng mô-đun PV/T độc lập: Đối chiếu kết quả tính toán của chương trình mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm đã công bố của Bhattarai và cộng sự [22] cũng như kết quả mô phỏng của Bellos và cộng sự, khẳng định mô hình tính toán nhiệt PV/T có độ tin cậy khoa học.
  • Kiểm chứng hệ thống thực nghiệm PVTAHW: Chế tạo và vận hành hệ thống thực nghiệm sử dụng mô-đun PV/T mẫu MD6 kiểu B. Dữ liệu thực nghiệm cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tấm hấp thụ ($t_{ab}$), nhiệt độ nước vào/ra mô-đun ($t_{pw}$) và nhiệt độ nước nóng trong bình ($t_{hw}$) được đo đạc liên tục; sai lệch giữa mô phỏng và thực tế nằm trong giới hạn cho phép.
  • Kiểm chứng hệ thống thực nghiệm PVTWHP-NIVT: Lắp đặt dàn mô-đun PV/T MD6 kiểu B kết hợp cụm máy nén bơm nhiệt môi chất R134a và bình bảo ôn. Kết quả so sánh nhiệt độ tấm hấp thụ, nhiệt độ nước trong ống và nhiệt độ gia nhiệt nước nóng trong bình ngày 05/12/2020 giữa tính toán mô phỏng và thực nghiệm có độ tương đồng chặt chẽ.

Chương 5: Kết quả và thảo luận

Chương 5 là chương trọng tâm, sử dụng các chương trình mô phỏng đã kiểm chứng để phân tích sâu các yếu tố ảnh hưởng và lựa chọn phương án tối ưu:

  1. Lựa chọn cấu hình mô-đun và bộ trao đổi nhiệt:
    • So sánh giữa kiểu A và kiểu B: Trên cả 6 mẫu mô-đun, kiểu B (tấm dập hình Ʊ ôm ống) luôn cho hiệu số truyền nhiệt vượt trội, giảm nhiệt độ làm việc của pin PV và tăng hiệu suất thu nhiệt so với kiểu A (tấm phẳng hàn).
    • So sánh kiểu ống: Bố trí dạng 2 đường ống (2CT) ở MD5 và MD6 khắc phục tình trạng sụt áp lớn của 1CT và phân bố nhiệt độ đồng đều hơn hẳn dạng PT, giúp duy trì nhiệt độ tế bào quang điện ở mức thấp và đồng đều.
    • Kết luận lựa chọn: Mẫu MD5 sử dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu B (có lớp không khí, 2CT) đạt hiệu suất thu nhiệt cao nhất, phù hợp nhất cho hệ thống làm nóng nước chủ động PVTAHW. Mẫu MD6 sử dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu B (không có lớp không khí, 2CT) giúp tế bào PV tản nhiệt trực tiếp tối đa ra môi trường khi không có bức xạ và làm mát sâu khi có môi chất lạnh hỗ trợ, phù hợp nhất cho hệ thống bơm nhiệt PVTWHP-IVT.
  2. Khảo sát hệ thống PVTAHW sử dụng MD5 kiểu B:
    • Phân tích ảnh hưởng của lưu lượng nước ($G_{pw}$), thể tích bình chứa nước nóng và chiều dài cuộn ống trao đổi nhiệt trong bình ($L_c$) đến hiệu suất energy, exergy và nhiệt độ nước nóng.
    • Xác lập thông số vận hành thích hợp trong điều kiện thời tiết TP. Hồ Chí Minh.
  3. Khảo sát hệ thống PVTWHP-IVT sử dụng MD6 kiểu B:
    • Đánh giá ảnh hưởng của chiều dài cuộn ngưng tụ ($L_c$), lưu lượng tuần hoàn qua thiết bị bay hơi ($G_{pw}$) và dung tích bình chứa đến hiệu suất chu trình nhiệt động và COP của máy nén biến tần.
  4. Đánh giá hiệu quả năng lượng cả năm và so sánh hệ thống độc lập:
Bảng so sánh các chỉ tiêu năng lượng trung bình năm giữa các hệ thống (Số liệu rút trích từ Chương 5):
Chỉ số đánh giá kỹ thuật Hệ thống PVTAHW (sử dụng MD5 kiểu B) Hệ thống PVTWHP-IVT (sử dụng MD6 kiểu B) Hệ thống đối chứng tương đương
Hiệu suất Energy trung bình năm ($\eta_{en}$) 76,18% 102,1% -
Hiệu suất Exergy trung bình năm ($\eta_{ex}$) 20,83% 0,75% -
Sản lượng nhiệt hàng năm ($Q_{th}$) 1845 kWh/năm 3256 kWh/năm Cần 795 kWh điện nén nếu dùng AWHP
Điện năng tiêu thụ máy nén hàng năm 0 kWh (dùng bơm tuần hoàn) 738 kWh/năm Thấp hơn 7,2% so với AWHP (795 kWh)
Sản lượng điện phát sinh hàng năm ($P_e$) 551 kWh/năm (lên lưới) 595 kWh/năm Mô-đun PV không làm mát đạt 549 kWh
Tổng sản lượng năng lượng tạo ra 2396 kWh/năm (gấp 4,36 lần PV đơn) - -
Hệ số COP trung bình năm của bơm nhiệt - 5,87 Bơm nhiệt không khí AWHP đạt 5,23
COP cấp nước nóng tức thời cực đại - 8,79 Cao hơn 40,5% so với bơm nhiệt AWHP
  1. Đánh giá kinh tế, kỹ thuật và khả năng ứng dụng: Khẳng định tính khả thi của hệ thống áp mái cung cấp nước nóng và điện sạch tại chỗ cho các hộ tiêu thụ năng lượng.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tóm tắt toàn bộ các kết quả đạt được đối với 6 mẫu mô-đun và 2 hệ thống cấp điện - cấp nhiệt; tổng kết 4 đóng góp mới cốt lõi của luận án về mặt học thuật và thực tiễn kỹ thuật; đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Đề xuất giải pháp kết cấu mới cho mô-đun PV/T nước: Lần đầu tiên đề xuất và nghiên cứu cấu trúc bố trí đường ống trao đổi nhiệt dạng 2 đường ống lượn song song (2CT) kết hợp bộ trao đổi nhiệt kiểu B có tấm hấp thụ dập hình chữ Ʊ ôm khít ống dẫn, giúp tăng cường diện tích truyền nhiệt tiếp xúc, giảm độ chênh nhiệt độ trên bề mặt mô-đun và cải thiện độ đồng đều làm mát tế bào quang điện.
  2. Xây dựng bộ công cụ mô phỏng số đồng bộ: Thiết lập hoàn chỉnh 5 chương trình mô phỏng số (CT MPS) có độ chính xác và tin cậy cao để dự báo chế độ nhiệt - điện của mô-đun PV, 6 mẫu mô-đun PV/T nước (với 2 kiểu tấm hấp thụ A và B), hệ thống PVTAHW, hệ thống PVTWHP-IVT và hệ thống PVTWHP-NIVT.
  3. Xây dựng phần mềm dữ liệu bức xạ mặt trời chuyên dụng: Phát triển phần mềm tự động phân chia số liệu bức xạ tổng xạ trung bình tháng thành chuỗi số liệu cường độ bức xạ mặt trời theo giờ cho 12 ngày tiêu biểu đại diện cho 12 tháng tại TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, tạo cơ sở đầu vào chuẩn xác cho tính toán mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời quanh năm.
  4. Xác lập phương pháp luận đánh giá năng lượng toàn diện: Đề xuất phương pháp đánh giá hệ thống PV/T tích hợp dựa trên đồng thời ba tiêu chí: hiệu suất energy, hiệu suất exergy và sản lượng nhiệt - điện thực tế (tính toán điện lên lưới sau khi trừ điện năng tự dùng cho thiết bị phụ trợ) theo chu kỳ thời tiết quanh năm.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Lựa chọn cấu hình kỹ thuật tối ưu cho từng mục đích: Xác định chính xác mẫu MD5 kiểu B là lựa chọn tối ưu cho hệ thống làm nóng nước chủ động (PVTAHW), và mẫu MD6 kiểu B là lựa chọn tối ưu cho hệ thống tích hợp bơm nhiệt biến tần (PVTWHP-IVT).
  2. Chứng minh hiệu quả năng lượng vượt trội:
    • Hệ thống PVTAHW đạt tổng sản lượng năng lượng 2396 kWh/năm, cao hơn 4,36 lần so với sản lượng điện của mô-đun PV thông thường có cùng diện tích; sản lượng điện đưa lên lưới đạt 551 kWh/năm (vượt mức 549 kWh/năm của PV không giải nhiệt).
    • Hệ thống PVTWHP-IVT thể hiện tính ưu việt rõ rệt so với các hệ thống đơn lẻ: tiết kiệm 7,2% điện năng máy nén so với bơm nhiệt không khí AWHP khi sản xuất cùng một lượng nhiệt (3256 kWh/năm); đồng thời tạo ra điện năng 595 kWh/năm (cao hơn 7,6% so với mô-đun PV thông thường); hệ số $COP_{HP-IVT}$ trung bình năm đạt 5,87 (cao hơn 11,2% so với AWHP có COP là 5,23) và COP cấp nước nóng cực đại đạt 8,79 (cao hơn 40,5% so với AWHP).
  3. Cung cấp cơ sở tính toán thiết kế cho thực tế: Cung cấp thông số vận hành chi tiết (lưu lượng nước tuần hoàn, thể tích bồn nước nóng, chiều dài cuộn ống xoắn ngưng tụ/trao đổi nhiệt) làm tài liệu chuẩn xác phục vụ thiết kế, lắp đặt các hệ thống cấp điện - nhiệt áp mái ở quy mô gia đình, khách sạn, bệnh viện và các nhà máy công nghiệp. Mô-đun PV/T không kính (MD6 kiểu B) có thể chế tạo cải tiến trực tiếp trên nền các giàn pin mặt trời hiện hữu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo các giới hạn và nội dung được tác giả trình bày trong luận án:

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Cấu trúc kích thước hình học của 6 mẫu mô-đun PV/T được cố định dựa theo kích thước mô-đun PV thương mại định sẵn, chưa khảo sát tối ưu hóa đa mục tiêu biến thiên bước ống hoặc đường kính ống.
    • Phạm vi thực nghiệm kiểm chứng hệ thống bơm nhiệt mới chỉ dừng lại ở hệ thống sử dụng máy nén không biến tần (PVTWHP-NIVT), sau đó dùng kết quả này để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình mô phỏng cho hệ thống máy nén biến tần (PVTWHP-IVT).
    • Dữ liệu đánh giá quanh năm tập trung chính vào điều kiện vi khí hậu của Thành phố Hồ Chí Minh.
    • Chưa đi sâu khảo sát chi tiết hiện tượng đóng bám cặn thực tế trong ống sau nhiều năm vận hành hoặc tác động suy thoái vật liệu keo dán tản nhiệt dưới tác động thời tiết dài hạn.
  • Kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Chế tạo và tiến hành thực nghiệm trực tiếp trên hệ thống PVTWHP-IVT sử dụng máy nén biến tần thương mại hoàn chỉnh để đối chiếu trực tiếp với chương trình mô phỏng số.
    • Mở rộng tính toán mô phỏng và thực nghiệm cho các vùng khí hậu khác nhau tại miền Trung và miền Bắc Việt Nam (nơi có mùa đông lạnh, biên độ nhiệt độ môi trường lớn).
    • Nghiên cứu tối ưu hóa kích thước hình học chi tiết của bộ trao đổi nhiệt kiểu B (bước ống, bề dày tấm hấp thụ, hình dạng rãnh dập ôm ống) và đánh giá chi phí vòng đời (LCC) toàn diện cho hệ thống.

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo khoa học có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng tái tạo:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng tái tạo: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán truyền nhiệt không ổn định nhiều lớp; thuật toán sai phân hữu hạn dạng hiện giải hệ phương trình cân bằng năng lượng; phương pháp mô hình hóa chu trình nén hơi tích hợp thiết bị bay hơi tấm hàn và cuộn ngưng tụ ngâm trong nước.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Sử dụng các số liệu thực nghiệm đo đạc vi khí hậu và chế độ nhiệt pin PV tại TP. Hồ Chí Minh; thuật toán tạo lập dữ liệu bức xạ theo giờ từ dữ liệu trung bình tháng của TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn năng lượng và doanh nghiệp cơ điện lạnh (HVAC): Ứng dụng quy trình tính toán lựa chọn thông số vận hành (lưu lượng bơm tuần hoàn, tỷ lệ thể tích bình chứa nước nóng trên diện tích bộ thu, diện tích cuộn ống trao đổi nhiệt) cho các hệ thống PV/T cấp điện và nước nóng áp mái; giải pháp gia công chế tạo bộ trao đổi nhiệt kiểu B dập hình chữ Ʊ để cải tiến các tấm pin mặt trời thông thường thành mô-đun PV/T.
  • Các nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Tham khảo cơ sở dữ liệu về hiệu quả tiết kiệm năng lượng thực tế của giải pháp đồng phát nhiệt - điện mặt trời kết hợp bơm nhiệt, phục vụ xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế công trình xanh và chương trình sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Cách bố trí đường ống 2CT và bộ trao đổi nhiệt kiểu B có điểm gì mới so với các nghiên cứu trước đây?

Trước đây, các mô-đun PV/T dạng ống-tấm thường bố trí ống theo dạng 1 đường ống liên tục (1CT) hoặc các ống song song hàn ống góp (PT) trên tấm phẳng (kiểu A). Dạng 1CT có nhược điểm đường ống quá dài gây tổn thất áp suất lớn, tốn điện bơm và làm chênh lệch nhiệt độ nước vào - ra lớn, khiến tế bào quang điện bị làm mát không đều. Kiểu A hàn ống trên tấm phẳng có diện tích tiếp xúc nhỏ và dễ cong vênh tấm mỏng. Luận án đề xuất:

  • Bố trí ống dạng 2CT (2 đường ống độc lập uốn lượn đan xen): rút ngắn chiều dài mỗi nhánh ống, giảm tổn thất áp suất, hạ nhiệt độ làm việc trung bình của nước và làm mát đồng đều hơn trên toàn bộ bề mặt pin quang điện.
  • Bộ trao đổi nhiệt kiểu B: tấm hấp thụ được dập định hình chữ Ʊ ôm sát dọc theo chu vi ống dẫn nước, giúp tăng diện tích truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp giữa tấm và ống, nâng cao đáng kể hệ số truyền nhiệt mà không đòi hỏi tấm hấp thụ phải quá dày.

2. Mẫu mô-đun PV/T nào phù hợp nhất cho hệ thống PVTAHW và hệ thống PVTWHP-IVT?

Qua phân tích mô phỏng và thực nghiệm:

  • Đối với hệ thống làm nóng nước chủ động thông thường (PVTAHW): Mẫu MD5 sử dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu B (mô-đun có lớp kính và lớp không khí, ống 2CT) là phù hợp nhất. Lớp không khí giúp giữ nhiệt, hạn chế thất thoát nhiệt ra môi trường, tối ưu hóa hiệu suất thu nhiệt nước nóng ở nhiệt độ sinh hoạt khoảng 50°C.
  • Đối với hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng (PVTWHP-IVT): Mẫu MD6 sử dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu B (mô-đun không có lớp kính và lớp không khí, ống 2CT) là phù hợp nhất. Do nước tuần hoàn từ thiết bị bay hơi bơm nhiệt vào mô-đun có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường, việc loại bỏ lớp kính giúp mô-đun nhận thêm nhiệt đối lưu từ môi trường xung quanh và pin quang điện được tản nhiệt trực tiếp tối đa, giúp tăng hiệu suất phát điện và nâng cao hiệu quả chu trình nhiệt.

3. Hiệu quả năng lượng và sản lượng hàng năm của hệ thống PVTAHW đạt được là bao nhiêu?

Theo tính toán mô phỏng trong điều kiện thời tiết quanh năm tại TP. Hồ Chí Minh:

  • Hiệu suất energy trung bình năm đạt 76,18%; hiệu suất exergy trung bình năm đạt 20,83%.
  • Sản lượng nhiệt hữu ích tạo ra đạt 1845 kWh/năm.
  • Sản lượng điện thực tế phát lên lưới đạt 551 kWh/năm (cao hơn mô-đun PV không làm mát là 549 kWh/năm, dù đã trừ điện năng tiêu thụ cho bơm tuần hoàn và suy hao qua inverter).
  • Tổng sản lượng năng lượng (nhiệt và điện) hệ thống tạo ra đạt 2396 kWh/năm, cao hơn 4,36 lần so với sản lượng điện của mô-đun PV thông thường trên cùng diện tích lắp đặt.

4. Hệ thống bơm nhiệt PVTWHP-IVT thể hiện ưu thế như thế nào so với bơm nhiệt không khí (AWHP) và mô-đun PV thông thường?

Hệ thống PVTWHP-IVT đạt hiệu suất energy trung bình năm là 102,1% và exergy là 0,75%, thể hiện các ưu thế vượt trội khi so sánh độc lập:

  • Về nhiệt: Để cung cấp cùng sản lượng nước nóng là 3256 kWh/năm, máy nén của hệ thống PVTWHP-IVT chỉ tiêu thụ 738 kWh/năm điện năng, thấp hơn 7,2% so với bơm nhiệt nguồn không khí AWHP (tiêu thụ 795 kWh/năm).
  • Về điện: Hệ thống tạo ra 595 kWh/năm điện năng, cao hơn 7,6% so với mô-đun PV không giải nhiệt (549 kWh/năm).
  • Về hệ số hiệu quả: Bơm nhiệt của hệ thống đạt chỉ số trung bình năm $COP_{HP-IVT} = \mathbf{5,87}$, cao hơn 11,2% so với bơm nhiệt không khí ($COP_{AWHP} = 5,23$). COP cấp nước nóng tức thời cực đại đạt 8,79, cao hơn 40,5% so với AWHP.

5. Dữ liệu thời tiết sử dụng để đánh giá hệ thống quanh năm được xây dựng bằng cách nào?

Do tính chất bức xạ mặt trời thay đổi liên tục theo thời gian, tác giả đã lập trình phần mềm tự tạo số liệu bức xạ ngày và giờ dựa trên dữ liệu bức xạ tổng xạ trung bình tháng tại TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng. Thuật toán phân chia và tái tạo chuỗi số liệu cường độ bức xạ mặt trời theo từng giờ của 12 ngày tiêu biểu đại diện cho 12 tháng trong năm. Chuỗi dữ liệu này được tích hợp đồng bộ với nhiệt độ môi trường và vận tốc gió thực tế để tạo thành bộ thông số khí tượng đầu vào chuẩn xác, phục vụ mô phỏng đánh giá hiệu quả vận hành của cả hai hệ thống trong chu kỳ một năm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hoàng Văn Viết đã giải quyết một cách toàn diện bài toán nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt đồng thời bằng giải pháp giải nhiệt pin mặt trời bằng nước tại Việt Nam. Thông qua việc đề xuất kết cấu bộ trao đổi nhiệt kiểu B dập hình chữ Ʊ và cách bố trí ống 2CT mới, nghiên cứu đã khắc phục hiệu quả các hạn chế về thủy lực và truyền nhiệt của các cấu hình PV/T truyền thống. Hệ thống 5 chương trình mô phỏng số được xây dựng và kiểm chứng thực nghiệm chặt chẽ đã chứng minh mẫu MD5 kiểu B tối ưu cho hệ thống cấp nước nóng chủ động PVTAHW và mẫu MD6 kiểu B tối ưu cho hệ thống bơm nhiệt biến tần PVTWHP-IVT, vượt trội rõ rệt về sản lượng điện, nhiệt và chỉ số COP so với các hệ thống làm việc độc lập. Các kết quả nghiên cứu mang lại cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật thực chứng giá trị, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi cho các hệ thống năng lượng mặt trời áp mái phục vụ dân dụng và công nghiệp.