Luận án tiến sĩ về giải nhiệt pin mặt trời bằng nước nhằm nâng cao hiệu quả cấp điện và nhiệt

• Tác giả: Hoàng Văn Viết
• Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Hiệp
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Nhiệt Pin Mặt Trời Bằng Nước Để Nâng Cao Hiệu Quả Cấp Điện Và Nhiệt
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• ABSTRACT
• LỜI CÁM ƠN
• MỤC LỤC
• 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
• 1.3.7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.3.8. 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)
• 2.3.1. Cơ sở lý thuyết cho mô-đun PV
• 2.3.1.1. Điều kiện biên nhiệt độ
• 2.3.1.2. Lý thuyết tính toán có liên quan
• 2.3.2. Cơ sở lý thuyết cho mô-đun PV/T
• 2.3.2.1. Điều kiện biên nhiệt độ
• 2.3.2.2. Lý thuyết tính toán có liên quan
• 2.3.3. Cơ sở lý thuyết cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
• 2.3.4. Lý thuyết tính toán cho máy nén
• 2.3.5. Lý thuyết tính toán cho bơm nước
• 2.3.5.1. Tổn thất áp suất
• 2.3.5.2. Công suất bơm nước
• 2.3.6. Lựa chọn môi chất lạnh cho bơm nhiệt
• 2.3.7. 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

I. Giới thiệu về nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời

Nghiên cứu giải nhiệt pin mặt trời bằng nước là một lĩnh vực quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt. Hệ thống pin mặt trời thường gặp vấn đề về nhiệt độ cao, dẫn đến giảm hiệu suất hoạt động. Việc áp dụng công nghệ giải nhiệt pin mặt trời bằng nước không chỉ giúp duy trì nhiệt độ tối ưu cho mô-đun mà còn tăng cường khả năng sản xuất điện và nhiệt. Luận án này tập trung vào việc phát triển hai hệ thống giải nhiệt: (1) Hệ thống làm nóng nước dạng chủ động sử dụng mô-đun PV/T nước (PVTAHW) và (2) Hệ thống bơm nhiệt làm nóng nước sử dụng mô-đun PV/T nước với máy nén biến tần (PVTWHP-IVT).

1.1. Tầm quan trọng của việc giải nhiệt pin mặt trời

Việc giải nhiệt cho pin mặt trời là cần thiết để duy trì hiệu suất tối ưu. Nhiệt độ cao có thể làm giảm hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo. Hệ thống PVTAHW và PVTWHP-IVT được thiết kế để tối ưu hóa việc sử dụng nước làm mát, từ đó nâng cao hiệu suất và sản lượng điện. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong việc phát triển các hệ thống năng lượng bền vững.

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình nghiên cứu

Luận án đã xây dựng cơ sở lý thuyết cho các mô-đun PV/T nước và hệ thống giải nhiệt. Các mô-đun PV/T được phân loại thành 6 mẫu khác nhau, với các bộ trao đổi nhiệt kiểu A và B. Việc lựa chọn cấu trúc hình học và các thông số kỹ thuật cho các mô-đun này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt. Các chương trình mô phỏng số được xây dựng để phân tích hiệu suất của từng hệ thống, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc giải nhiệt pin mặt trời.

2.1. Các mô đun PV T và bộ trao đổi nhiệt

Mô-đun PV/T nước được thiết kế với mục tiêu tối ưu hóa việc thu thập năng lượng mặt trời và giảm thiểu nhiệt độ pin mặt trời. Các bộ trao đổi nhiệt kiểu A và B được nghiên cứu để xác định hiệu suất truyền nhiệt và khả năng làm mát. Kết quả cho thấy rằng việc lựa chọn đúng kiểu bộ trao đổi nhiệt có thể nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu tổn thất nhiệt, từ đó cải thiện tổng thể hiệu suất của hệ thống.

III. Phân tích và đánh giá hiệu suất hệ thống

Các hệ thống PVTAHW và PVTWHP-IVT đã được kiểm chứng qua nhiều thực nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh. Kết quả cho thấy hệ thống PVTAHW có hiệu suất energy trung bình năm đạt 76,18%, trong khi hệ thống PVTWHP-IVT đạt 102,1%. Những con số này chứng minh rằng việc áp dụng công nghệ giải nhiệt pin mặt trời bằng nước không chỉ cải thiện hiệu quả cấp điện mà còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo. Hệ thống PVTWHP-IVT đặc biệt nổi bật với khả năng cung cấp nước nóng hiệu quả, với COP đạt 8,79.

3.1. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống PVTAHW tạo ra sản lượng nhiệt và điện cao hơn nhiều so với mô-đun PV đơn lẻ. Cụ thể, tổng sản lượng của hệ thống PVTAHW đạt 2396 kWh/năm, cao hơn 4,36 lần so với sản lượng điện của mô-đun PV. Hệ thống PVTWHP-IVT cũng cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc cung cấp điện và nhiệt, với sản lượng điện đạt 595 kWh/năm, cao hơn 7,6% so với mô-đun PV. Những kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc phát triển các hệ thống năng lượng bền vững.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Luận án đã chỉ ra rằng việc giải nhiệt pin mặt trời bằng nước là một giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu quả cấp điện và cấp nhiệt. Các hệ thống PVTAHW và PVTWHP-IVT không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Những đóng góp mới của nghiên cứu bao gồm việc phát triển các mô-đun PV/T nước và bộ trao đổi nhiệt tối ưu. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến công nghệ và mở rộng ứng dụng của các hệ thống này trong các điều kiện khí hậu khác nhau.

4.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu có thể mở rộng sang việc áp dụng các công nghệ mới trong việc giải nhiệt pin mặt trời, như sử dụng các vật liệu mới cho bộ trao đổi nhiệt hoặc cải tiến thiết kế mô-đun PV/T. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các hệ thống tích hợp năng lượng mặt trời với các nguồn năng lượng khác cũng là một hướng đi tiềm năng để nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu tác động môi trường.