Nghiên cứu mô phỏng số sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và kết cấu đến hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector

Đồ án mô phỏng số trao đổi nhiệt hệ thống solar collector tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Lê Ngọc Giàu
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Tình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng số sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và kết cấu đến hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô phỏng trao đổi nhiệt hệ thống solar collector SPKT

Hệ thống solar collector đóng vai trò trọng tâm trong việc khai thác năng lượng bức xạ mặt trời. Thiết bị chuyển đổi bức xạ nhiệt thành nội năng của dòng lưu chất. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu chuyên sâu về thiết bị này. Khoa Cơ khí Động lực cùng Bộ môn Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh trực tiếp định hướng chuyên môn. Mô phỏng số CFD là công cụ chủ đạo của nghiên cứu. Phương pháp này giải quyết các bài toán thủy động lực học phức tạp. Kỹ sư không cần chế tạo mô hình thực nghiệm tốn kém ở giai đoạn đầu. Mô phỏng giúp quan sát chi tiết trường nhiệt độ và vận tốc dòng chảy. Các kết quả mô phỏng phản ánh chính xác tương tác nhiệt giữa tấm hấp thụ và ống dẫn. Dòng chất lỏng vận hành chủ yếu là nước trong chế độ chảy tầng. Nghiên cứu làm rõ tác động của các thông số vận hành then chốt. Cường độ bức xạ, lưu lượng và góc nghiêng được thiết lập đồng bộ. Dữ liệu đầu vào bám sát điều kiện bức xạ thực tế lúc mười hai giờ trưa. Công trình tạo cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển các thiết bị gia nhiệt nước sạch bền vững.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động của solar collector

Bộ thu nhiệt mặt trời là thiết bị trao đổi nhiệt chuyên dụng. Thiết bị hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán. Tấm kim loại sơn phủ chọn lọc tiếp nhận photon ánh sáng. Nhiệt lượng phát sinh truyền dẫn nhanh chóng qua thành ống kim loại. Nước chảy bên trong lòng ống sẽ tiếp nhận lượng nhiệt này. Nhiệt độ của nước tăng dần từ đầu vào đến đầu ra. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra liên tục dưới tác động của bức xạ. Hiệu suất của bộ thu phụ thuộc vào vật liệu, lớp phủ và đặc tính dòng chảy. Việc giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh là yếu tố quyết định hiệu quả hệ thống.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại Đại học SPKT TP.HCM

Nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hướng đến tối ưu hóa cấu trúc bộ thu nhiệt. Mục tiêu trọng tâm là so sánh khả năng truyền nhiệt giữa hai kết cấu: ống thẳng và ống zigzag. Tác giả sử dụng phương pháp tính toán số để xác định phân bố trường nhiệt độ và áp suất. Nghiên cứu kiểm chứng dòng chảy tầng của nước dưới tác động bức xạ cố định. Các thông số hình học được hiệu chỉnh phù hợp với điều kiện chế tạo thực tế. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học cho ngành công nghệ năng lượng tái tạo. Kết quả mô phỏng đóng góp vào việc phát triển giải pháp nước nóng sinh hoạt tiết kiệm năng lượng.

II. Vấn đề giới hạn trao đổi nhiệt hệ thống solar collector tấm phẳng

Bộ thu nhiệt mặt trời tấm phẳng truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất truyền nhiệt. Dòng lưu chất chảy trong ống thẳng thường có diện tích tiếp xúc nhiệt giới hạn. Lớp biên nhiệt hình thành nhanh chóng dọc theo thành ống dẫn. Hiện tượng này cản trở sự truyền dẫn nhiệt từ bề mặt tấm hấp thụ vào tâm dòng chảy. Phân bố lưu lượng giữa các ống đứng trong giàn ống thẳng cũng thiếu đồng đều. Khu vực ống xa cổng cấp nước thường nhận lưu lượng thấp hơn. Điều đó tạo ra chênh lệch nhiệt độ cục bộ lớn trên bề mặt tấm. Vấn đề tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh làm suy giảm hiệu quả vận hành. Khi nhiệt độ bề mặt tấm tăng quá cao, phát xạ nhiệt ngược ra khí quyển gia tăng mạnh. Trở lực dòng chảy và hiện tượng tụ nhiệt không đều làm giảm độ bền cơ học của vật liệu. Cấu trúc ống dẫn thông thường khó tạo xoáy để phá vỡ lớp biên nhiệt. Nếu tăng lưu lượng cấp, máy bơm tiêu tốn nhiều điện năng không cần thiết. Do đó, việc nghiên cứu cải tiến kết cấu ống dẫn là yêu cầu cấp thiết. Kỹ thuật số CFD cho phép phân tích rõ các điểm nghẽn nhiệt động học này một cách trực quan.

2.1. Hạn chế truyền nhiệt trong kết cấu ống thẳng truyền thống

Hệ thống ống thẳng đối mặt với vấn đề phân bố lưu chất không đồng nhất. Nước có xu hướng tập trung ở các nhánh ống gần đầu vào và đầu ra. Vận tốc dòng chảy ở các ống trung tâm bị giảm đáng kể. Dòng chảy tầng duy trì liên tục tạo nên trở nhiệt màng rất lớn. Nhiệt lượng hấp thụ từ tấm đồng không kịp truyền sâu vào giữa dòng nước. Hậu quả là nhiệt độ mặt ngoài tấm hấp thụ tăng cục bộ. Tấm phát nhiệt ra môi trường qua kính bảo vệ gây thất thoát nhiệt lớn. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các khu vực cũng gây ứng suất nhiệt phá hủy mối hàn kết cấu.

2.2. Ảnh hưởng của thông số hoạt động và sự tụ nhiệt cục bộ

Thông số vận hành quyết định trực tiếp tới khả năng thu nhiệt của solar collector. Cường độ bức xạ đạt cực đại vào buổi trưa khiến nhiệt lượng tập trung rất lớn. Khi lưu lượng nước cấp quá nhỏ, nhiệt độ nước đạt ngưỡng sôi cục bộ. Hiện tượng bọt khí sinh ra cản trở tiếp xúc giữa nước và thành ống dẫn. Ngược lại, lưu lượng quá cao làm giảm độ tăng nhiệt độ hữu ích của nước ra. Tổn thất áp suất trong hệ thống cũng gia tăng theo cấp số mũ. Do vậy, việc kiểm soát chế độ dòng chảy và hình học ống là mắt xích cốt lõi để duy trì hiệu suất thu nhiệt ổn định.

III. Phương pháp mô phỏng trao đổi nhiệt hệ thống solar collector CFD

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM triển khai giải pháp mô phỏng số thông qua phần mềm ANSYS Workbench. Phương pháp phần tử hữu hạn CFD giúp giải quyết hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình truyền năng lượng. Mô hình hình học được thiết kế chính xác theo các thông số kỹ thuật thực tế. Kết cấu ống thẳng sử dụng tấm hấp thụ dài 1,65 m, rộng 1 m và ống dẫn đường kính 0,0125 m. Để khắc phục các hạn chế truyền nhiệt, cấu trúc ống zigzag được đưa vào phân tích đối chiếu. Dòng chảy được thiết lập ở chế độ chảy tầng với lưu lượng nước đầu vào 0,0083 kg/s. Quá trình chia lưới được kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt tại vùng tiếp giáp giữa lưu chất và vách ống. Các điều kiện biên bức xạ mặt trời được mô phỏng tại thời điểm 12 giờ trưa để thu được tải nhiệt đỉnh. Hệ thống giải pháp này giúp dự báo chính xác trường nhiệt độ đầu ra của nước. Kỹ sư dễ dàng quan sát sự biến thiên nhiệt độ trên từng phân đoạn ống. Từ đó, các tác giả xác định được cấu hình tối ưu nhằm nâng cao hệ số trao đổi nhiệt đối lưu.

3.1. Thiết lập mô hình số CFD trên ANSYS Workbench

Quy trình mô phỏng bắt đầu từ việc dựng hình học chi tiết của solar collector. Module DesignModeler tạo lập miền chất lỏng và miền chất rắn riêng biệt. Tấm đồng hấp thụ nhiệt được khai báo độ dẫn nhiệt 386 W/m.K và khối lượng riêng 8954 kg/m3. Tiếp theo, bước chia lưới đa diện giúp tăng độ hội tụ cho các phương trình liên tục và xung lượng. Điều kiện biên đầu vào là lưu lượng khối không đổi. Bề mặt trên của tấm nhận thông lượng nhiệt bức xạ chuẩn. Thuật toán phân giải áp suất - vận tốc SIMPLE được kích hoạt để tìm nghiệm ổn định của trường dòng chảy.

3.2. Cải tiến kết cấu bộ thu nhiệt dạng ống zigzag

Kết cấu ống zigzag mang lại giải pháp đột phá trong việc tối ưu hóa diện tích truyền nhiệt. Thiết kế này kéo dài quãng đường chuyển động của lưu chất bên trong tấm hấp thụ. Khi dòng nước di chuyển qua các đoạn uốn cong liên tục, các xoáy thứ cấp tự động hình thành. Các xoáy dòng này phá vỡ lớp biên nhiệt phát triển dọc thành ống. Nhờ đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tăng lên rõ rệt so với ống thẳng. Nghiên cứu tinh gọn kích thước mô hình zigzag với chiều dài 1,2546 m và đường kính 0,0125 m. Kết quả mô phỏng ghi nhận sự gia tăng nhiệt độ vượt trội của dòng nước đầu ra.

IV. Ứng dụng mô phỏng trao đổi nhiệt hệ thống solar collector thực tế

Kết quả mô phỏng số trao đổi nhiệt hệ thống solar collector tại ĐH SPKT TP.HCM mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế phong phú. Việc chứng minh hiệu quả nhiệt vượt trội của ống zigzag so với ống thẳng tạo tiền đề để nâng cấp các sản phẩm máy nước nóng năng lượng mặt trời dân dụng. Các nhà sản xuất có thể rút ngắn chiều dài dàn ống nhưng vẫn bảo đảm nhiệt độ nước đầu ra theo mong muốn. Điều này giúp giảm chi phí vật liệu chế tạo tấm hấp thụ bằng kim loại màu. Mô phỏng CFD cũng là công cụ hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu học thuật đắc lực. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt dễ dàng phân tích trực quan các hiện tượng nhiệt động học phức tạp. Hệ thống có thể mở rộng tích hợp với bơm nhiệt hoặc hệ thống lưu trữ nhiệt hỗn hợp. Nghiên cứu khẳng định vai trò thiết yếu của phương pháp mô phỏng số trong việc giảm thiểu thời gian chế thử nghiệm. Doanh nghiệp dễ dàng tùy biến thông số kết cấu trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. Giải pháp này trực tiếp đóng góp vào chiến lược phát triển năng lượng xanh và tiết kiệm điện năng quốc gia.

4.1. Khả năng ứng dụng trong sản xuất nước nóng công nghiệp

Hệ thống solar collector tối ưu hóa bằng mô phỏng số có tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn. Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, dệt nhuộm và thủy sản đòi hỏi lượng nước nóng liên tục. Dàn ống zigzag với hiệu suất gia nhiệt tốt giúp rút ngắn thời gian làm nóng nước phục vụ sản xuất. Doanh nghiệp cắt giảm đáng kể chi phí điện và dầu đốt cho lò hơi. Ngoài ra, chi phí bảo trì hệ thống giảm nhờ việc kiểm soát ứng suất nhiệt trên tấm hấp thụ. Việc ứng dụng giải pháp xanh này cũng giúp nhà máy đạt chứng chỉ bền vững môi trường.

4.2. Hướng phát triển tích hợp hệ thống năng lượng hybrid

Nghiên cứu mở ra tiềm năng kết hợp bộ thu solar collector với các nguồn nhiệt phụ trợ. Mô hình lai ghép giữa năng lượng mặt trời và bơm nhiệt là giải pháp tối ưu cho vùng khí hậu có mùa mưa kéo dài. Khi bức xạ suy giảm, bơm nhiệt sẽ bù đắp phần nhiệt lượng thiếu hụt cho lưu chất. Việc mô phỏng số đồng thời cả chu trình thu nhiệt và bơm nhiệt giúp tối ưu hóa thuật toán điều khiển lưu lượng. Sự kết hợp này bảo đảm hệ thống cấp nước nóng vận hành liên tục 24 giờ mỗi ngày với mức tiêu thụ điện thấp nhất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên sạch, dồi dào và tái tạo liên tục, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Trong các hệ thống thu gom nhiệt năng, bộ thu năng lượng mặt trời (Solar Collector) dạng tấm phẳng được ứng dụng rộng rãi từ quy mô dân dụng đến công nghiệp như cấp nước nóng sinh hoạt, sấy nông sản và gia nhiệt cho các quy trình chế biến. Một ứng dụng tiềm năng đặc biệt là cấp nhiệt cho quá trình sản xuất khí sinh học (Biogas). Để nâng cao hiệu suất phân hủy kỵ khí trong hầm ủ, môi trường sống của các nhóm vi sinh vật cần duy trì nhiệt độ thích hợp: vi khuẩn ưa ấm phát triển ở dải nhiệt độ 30°C - 45°C (hoặc 40°C - 50°C) và vi khuẩn ưa nhiệt sinh trưởng tối ưu ở dải nhiệt độ 50°C - 60°C.

Việc chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm trực tiếp các hệ thống trao đổi nhiệt mặt trời thường đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao, quy trình chuẩn bị thiết bị đo lường phức tạp, kéo dài thời gian và chịu rủi ro lớn từ sự thay đổi thất thường của thời tiết. Nhằm giải quyết các trở ngại trên, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu mô phỏng số sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và kết cấu đến hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector" do sinh viên Nguyễn Lê Ngọc Giàu và Nguyễn Hoàng Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thanh Tình (Bộ môn Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hoàn thành tháng 07/2025) đã ứng dụng kỹ thuật mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) trên nền tảng phần mềm ANSYS Workbench 19.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án:

1. Khảo sát khả năng trao đổi nhiệt của mô hình bộ thu Solar Collector.
2. Khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi lưu lượng của dòng chất lỏng bên trong ống đồng của hệ thống Solar Collector.
3. Khảo sát và so sánh ảnh hưởng về kết cấu của ống thẳng và ống zigzag đến nhiệt độ nước đầu ra của hệ thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định theo 5 bước:

1. Phân tích hệ thống và tính toán cơ sở lý thuyết truyền nhiệt của bộ thu.
2. Thực hiện mô phỏng số dựa vào các thông số đầu vào được thiết lập.
3. So sánh và đánh giá kết quả thu được từ mô phỏng, kết quả tính toán lý thuyết và số liệu trong bài báo khoa học liên quan.
4. Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố gồm lưu lượng dòng chảy, tốc độ gió và kết cấu ống đến hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector bằng phương pháp mô phỏng số.
5. Đưa ra các đánh giá, kết luận kỹ thuật và kiến nghị phát triển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời Solar Collector dạng tấm phẳng với hai dạng kết cấu ống dẫn lưu chất là ống đứng thẳng và ống uốn cong zigzag; phương pháp mô phỏng số CFD bằng phần mềm ANSYS Workbench 19 (ANSYS Fluent).
• Phạm vi nghiên cứu: Dữ liệu hình học, thông số vận hành và điều kiện bức xạ mặt trời tham chiếu theo bài báo khoa học của Gunjo và cộng sự (Ấn Độ); lưu chất làm việc bên trong ống là nước ở chế độ chảy tầng; khảo sát phân bố nhiệt độ tại thời điểm 12 giờ trưa và biến thiên theo các khung giờ từ 8 giờ đến 16 giờ trong ngày; khảo sát vận tốc gió tác động lên mặt dưới tấm hấp thụ ở các mức 2 m/s, 4 m/s, 6 m/s, 8 m/s và 10 m/s.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu kết hợp cơ sở lý thuyết truyền nhiệt giải tích cổ điển với phương pháp động lực học chất lưu số học:

• Tài liệu lý thuyết tham khảo: Công trình "Solar Engineering of Thermal Processes, Photovoltaics and Wind" của John A. Duffie/Beckman và Nathan Blair; giáo trình "Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt" và "Ứng dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng và sản xuất nước ngọt từ nước biển" của tác giả Hoàng Đình Tín.

• Hệ thống công thức nhiệt động và truyền nhiệt áp dụng cho bộ thu:

  • Tổn thất nhiệt tổng: $U = U_t + U_b$ (bỏ qua tổn thất nhiệt bên cạnh do diện tích viền rất nhỏ).
  • Hệ số tổn thất nhiệt qua lớp kính trên ($U_t$) tính theo công thức thực nghiệm của Klein, phụ thuộc vào số lớp kính, góc nghiêng đặt bộ thu so với mặt phẳng ngang ($\beta$, với $0^\circ < \beta < 70^\circ$), nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ ($T_p$), nhiệt độ môi trường ($T_a$), hệ số phát xạ của kính ($\varepsilon_g$), hệ số phát xạ của tấm hấp thụ ($\varepsilon_p$) và cường độ tỏa nhiệt của gió trên bề mặt ngoài của kính ($h_w = 2{,}8 + 3v$, với $v$ là vận tốc gió tính bằng m/s). Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt kính ($T_g$) và nhiệt độ hiện hữu bầu trời ($T_{sky}$) được xác định qua cân bằng năng lượng bức xạ và đối lưu.
  • Hệ số tổn thất nhiệt từ mặt dưới tấm hấp thụ: $U_b = \frac{k_i}{\delta_b}$, trong đó $k_i$ là hệ số dẫn nhiệt và $\delta_b$ là chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt đặt phía sau.
  • Thông lượng bức xạ hữu ích hấp thụ: $S = \eta_o I = (\tau\alpha) I$, trong đó $I$ là cường độ bức xạ mặt trời, $\eta_o$ là hiệu suất quang học, $\tau$ là hệ số xuyên thấu của kính và $\alpha$ là hệ số hấp thụ của bề mặt tấm.
  • Cân bằng nhiệt lượng có ích thu được: $Q_u = A_p [S - U(T_p - T_a)] = \dot{m} c_p (T_o - T_i)$, với $A_p$ là diện tích hấp thụ, $\dot{m}$ là lưu lượng khối lượng nước ($\dot{m} = \rho V F$), $c_p$ là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước, $T_i$ và $T_o$ lần lượt là nhiệt độ nước đầu vào và đầu ra.
  • Chế độ dòng chảy tầng trong ống dẫn: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu được xác định qua hệ số Nusselt ($Nu_f$) thông qua tiêu chuẩn Reynolds ($Re$), Grashof ($Gr$) và Prandtl ($Pr$): $$Nu_f = 0{,}15 Re_f^{0{,}33} Pr_f^{0{,}43} Gr_f^{0{,}1} \left(\frac{Pr_f}{Pr_w}\right)^{0{,}25} \varepsilon_L$$ với $\varepsilon_L$ là hệ số hiệu chỉnh độ dài ống dẫn ($L/d$).

• Phương pháp mô phỏng CFD:

  • Phương trình điều khiển: Hệ phương trình Navier-Stokes mô tả các định luật bảo toàn trong động lực học chất lưu liên tục, bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục), ba phương trình bảo toàn động lượng theo các phương x, y, z và phương trình bảo toàn năng lượng có xét đến độ dẫn nhiệt và nội năng.
  • Phương pháp rời rạc hóa: Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM) để chuyển đổi các phương trình đạo hàm riêng phi tuyến thành hệ phương trình đại số tuyến tính trên từng ô lưới tính toán.
  • Phương pháp giải (Solver): Áp dụng phương pháp giải dựa trên áp suất (Pressure-Based Solver) kết hợp thuật toán liên kết vận tốc - áp suất SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations), mô hình dòng chảy tầng (Laminar) ở trạng thái ổn định (steady state).

• Nguồn dữ liệu kiểm chứng: Số liệu kích thước hình học, điều kiện thời tiết, lưu lượng và kết quả đo đạc thực nghiệm được trích xuất từ hai công bố khoa học quốc tế của Gunjo và cộng sự: "Exergy and energy analysis of a novel type Solar Collector under steady state condition: Experimental and CFD analysis" và "CFD and experimental investigation of flat plate solar water heating system under steady state condition".

Thiết lập mô hình và triển khai mô phỏng số

Đồ án triển khai xây dựng không gian hình học 3D trên môi trường ANSYS DesignModeler và tạo lưới trên ANSYS Meshing:

Thông số hình học và vật lý	Bộ thu ống đứng thẳng	Bộ thu ống uốn zigzag
Chiều dài tổng thể bộ thu	1,8 m	Tinh gọn theo cấu trúc uốn
Chiều rộng tổng thể bộ thu	1,2 m	Tinh gọn theo cấu trúc uốn
Chiều dài tấm hấp thụ mô hình	1,65 m	1,2546 m
Chiều rộng tấm hấp thụ mô phỏng (1 ống)	0,1 m	0,1 m
Đường kính trong ống dẫn ($d_{tr}$)	0,0125 m	0,0125 m
Bề dày thành ống	0,0007 m	0,0007 m
Chiều dày tấm hấp thụ	0,0005 m	0,0005 m
Khoảng cách tâm giữa hai ống đứng	0,1125 m	Không áp dụng (1 ống uốn)
Đường kính ống góp chính	0,025 m	Không áp dụng
Vật liệu tấm và ống dẫn	Đồng ($\lambda = 386\text{ W/m}\cdot\text{K}$, $\rho = 8954\text{ kg/m}^3$)	Đồng ($\lambda = 386\text{ W/m}\cdot\text{K}$, $\rho = 8954\text{ kg/m}^3$)
Lưu lượng chất lỏng khảo sát	0,0125 kg/s (chia cho 10 ống)	0,0083 kg/s (chia cho 10 ống)
Lưu lượng thực tế cho 1 ống mô phỏng	0,00125 kg/s	0,00083 kg/s

• Kỹ thuật mô hình hóa đối xứng (Symmetry): Để tối ưu hóa tài nguyên phần cứng và giảm thời gian giải lặp, thay vì mô phỏng toàn bộ bộ thu gồm 10 ống, tác giả thu hẹp miền tính toán về một ống đại diện (ống thẳng hoặc ống zigzag) với chiều rộng tấm phẳng 0,1 m và áp đặt điều kiện biên đối xứng (Symmetry) ở hai mặt bên. Giả định vật lý tại mặt đối xứng là thông lượng nhiệt và vận tốc vuông góc với mặt phẳng bằng 0.
• Thiết lập điều kiện biên trong ANSYS Fluent:
  • Mặt trên tấm hấp thụ: Dòng nhiệt không đổi (Heat Flux) ứng với bức xạ mặt trời hấp thụ.
  • Mặt dưới tấm hấp thụ và ống dẫn: Điều kiện biên truyền nhiệt đối lưu với hệ số tỏa nhiệt $h_{conv} = 2 \cdot v_w$ ($v_w$ là vận tốc gió đáy) và nhiệt độ môi trường $T_a$.
  • Lối vào của nước (Inlet): Điều kiện lưu lượng khối lượng (Mass Flow Rate) với nhiệt độ nước cấp $T_i$.
  • Lối ra của nước (Outlet): Điều kiện áp suất đầu ra (Pressure Outlet) với áp suất dư đặt bằng 0 Pa.
  • Gia tốc trọng trường: Đặt giá trị gia tốc trọng trường $g = 9{,}81\text{ m/s}^2$ trên trục phù hợp.
• Đánh giá chất lượng và kiểm tra tính độc lập của lưới:
  • Lưới tính toán được đánh giá dựa trên 4 tiêu chí chất lượng: Smoothness (độ mượt chuyển tiếp kích thước ô), Aspect Ratio (tỷ lệ kích thước cạnh), Skewness (độ xiên) và Orthogonal Quality (độ trực giao của ô lưới).
  • Xây dựng 5 bộ lưới với mật độ tăng dần từ M1 đến M5 cho cả hai mô hình ống thẳng và ống zigzag.
  • Tiêu chuẩn hội tụ: Hệ thống phương trình vi phân được xem là hội tụ khi phần dư (Residuals) của phương trình liên tục, động lượng và năng lượng giảm xuống dưới ngưỡng $1 \times 10^{-6}$, đảm bảo kết quả trường nhiệt độ không còn phụ thuộc vào kích thước mắt lưới.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày bối cảnh chuyển dịch năng lượng và tầm quan trọng của việc khai thác bức xạ mặt trời phục vụ sinh hoạt dân dụng và sản xuất công nghiệp, nhấn mạnh vào ứng dụng gia nhiệt duy trì môi trường nuôi cấy vi khuẩn kỵ khí ưa ấm và ưa nhiệt trong sản xuất khí sinh học (Biogas). Tác giả so sánh định tính giữa hai phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

Tiêu chí so sánh	Phương pháp mô phỏng CFD	Phương pháp thực nghiệm
Chi phí triển khai	Tương đối rẻ, không tốn vật tư chế tạo	Rất tốn kém chi phí gia công, cảm biến đo
Mức độ chi tiết thông tin	Đầy đủ trường vận tốc, áp suất, nhiệt độ	Thiếu dữ liệu cục bộ, chỉ đo tại các điểm đặt cảm biến
Thời gian thực hiện	Ngắn, dễ dàng thay đổi kịch bản	Dài, phụ thuộc vào quá trình lắp đặt và đo đạc
Mức độ an toàn	Cao, hoàn toàn kiểm soát trên máy tính	Tiềm ẩn rủi ro hỏng hóc thiết bị, rò rỉ
Yêu cầu đặc thù	Đòi hỏi máy tính cấu hình tốt, bản quyền phần mềm	Đòi hỏi phòng thí nghiệm và tay nghề chế tạo

Chương 1 cũng hệ thống hóa các dạng kết cấu bộ thu mặt trời (ống chân không, tấm phẳng FPC, máng parabol), phân tích cơ chế hấp thụ bức xạ qua lớp kính (cho phép truyền qua 80% - 90%, phản xạ 9%, hấp thụ 1%), cơ chế biến đổi nhiệt năng tại tấm hấp thụ (90% - 95%) và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả trao đổi nhiệt như tốc độ dòng chảy, cặn bẩn bám trong lòng ống và điều kiện mây mưa thời tiết.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng hợp bức tranh nghiên cứu trong nước và quốc tế. Trong nước, tác giả điểm qua nghiên cứu của Lê Minh Nhựt và Tiêu Anh Dân (mô phỏng collector không khí có cánh sóng dọc bằng COMSOL và ANSYS Fluent), Lưu Ngọc An và Lưu Thanh Bình (tối ưu hóa hệ thống hybrid mặt trời - diesel trên MATLAB) và Lương Đức Vũ cùng cộng sự (hệ thống nước nóng kết hợp bơm nhiệt tại Trường Đại học Nha Trang). Nghiên cứu quốc tế ghi nhận các đóng góp của Gunjo và cộng sự (phân tích exergy và năng lượng cho bộ thu dạng ống uốn), Le Minh Nhut và Youn Cheol Park (điều khiển lưu lượng biến thiên tiết kiệm 65,6% điện năng bơm), Façanha/Fac~ao (tối ưu hóa lưu lượng cho bộ thu cấp nhiệt hầm Biogas với 3 dải vi sinh vật: ưa kiềm $< 20^\circ\text{C}$, ưa ấm $30^\circ\text{C} - 45^\circ\text{C}$, ưa nhiệt $50^\circ\text{C} - 60^\circ\text{C}$), Bellos (bộ thu máng parabol) và Tyagi. Chương này thiết lập toàn bộ công thức giải tích xác định tổn thất đỉnh ($U_t$), tổn thất đáy ($U_b$), năng lượng hữu ích ($Q_u$), lưu lượng khối lượng và phương trình đồng dạng Nusselt - Reynolds cho dòng chất lỏng chảy tầng.

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD

Chương 3 trình bày cơ sở toán học của động lực học chất lưu tính toán, phân tích hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Navier-Stokes. So sánh ba kỹ thuật rời rạc hóa không gian: Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), qua đó luận chứng việc lựa chọn FVM nhờ tính bảo toàn vật lý chặt chẽ của các đại lượng dòng tại ranh giới thể tích kiểm soát. Tác giả hướng dẫn quy trình 8 bước mô phỏng chuẩn tắc trong ANSYS Workbench 19.2 từ xử lý hình học (Geometry), tạo lưới (Meshing), thiết lập vật liệu, điều kiện biên, giải số (Fluent) đến xuất dữ liệu (CFD-Post). Chương này cũng giải thích các khái niệm lưới có cấu trúc (lục diện), lưới không có cấu trúc (tứ diện), cùng 4 chỉ số kiểm soát chất lượng lưới (Smoothness, Aspect Ratio, Skewness, Orthogonal Quality) và cơ chế làm việc của phương pháp giải Pressure-Based.

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG

Chương 4 cụ thể hóa việc dựng mô hình 3D cho bộ thu ống thẳng và ống zigzag. Kích thước hình học của tấm phẳng và đường ống được thiết lập tương ứng với dữ liệu thử nghiệm trong bài báo của Gunjo và cộng sự. Tác giả trình bày chi tiết giao diện thiết lập các điều kiện biên trong ANSYS Fluent: khai báo vật liệu đồng cho tấm và ống ($\lambda = 386\text{ W/m}\cdot\text{K}$, $\rho = 8954\text{ kg/m}^3$), nước cho phần lưu chất (nhiệt độ tính toán tại 12h: $42{,}13^\circ\text{C}$ cho ống thẳng và $49{,}85^\circ\text{C}$ cho ống zigzag); gán điều kiện đối lưu đáy phụ thuộc tốc độ gió $h_{conv} = 2 \cdot v_w$; gán điều kiện dòng nhiệt bức xạ mặt trên; điều kiện biên lưu lượng dòng vào mass flow rate và áp suất đầu ra pressure outlet bằng 0 Pa; thiết lập điều kiện mặt đối xứng Symmetry để đơn giản hóa quy mô tính toán.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 5 là chương trọng tâm chứa các kết quả tính toán số học và đồ thị so sánh:

• Kiểm tra tính độc lập của lưới: Khảo sát 5 mức lưới (M1 đến M5) cho cả hai cấu trúc; kết quả cho thấy khi số phần tử tăng từ M1 đến M3, nhiệt độ nước đầu ra thay đổi đáng kể, nhưng giữa lưới M4 và M5 độ chênh lệch nhiệt độ không đáng kể và đường hội tụ phần dư đạt ngưỡng $< 1 \times 10^{-6}$, chứng minh kết quả giải số đạt tính độc lập lưới.
• Trường nhiệt độ tại thời điểm 12 giờ trưa:
  • Mô hình ống thẳng: Nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ phân bố cao nhất ở vùng giữa hai ống và giảm dần về phía tiếp xúc với thành ống dẫn do quá trình truyền nhiệt dẫn vào nước; nhiệt độ nước tăng dần từ đầu vào đến đầu ra dọc theo chiều dài ống 1,65 m.
  • Mô hình ống zigzag: Phân bố nhiệt độ có tính đồng đều hơn trên bề mặt uốn cong; nhiệt độ nước đầu ra đạt mức xấp xỉ $49{,}85^\circ\text{C}$, cao hơn rõ rệt so với mô hình ống thẳng ($42{,}13^\circ\text{C}$) trong cùng điều kiện bức xạ trưa.
• Khảo sát biến thiên từ 8 giờ đến 16 giờ trong ngày: Nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ và nhiệt độ nước đầu ra tăng dần từ 8 giờ sáng, đạt đỉnh cao nhất vào khoảng 12 giờ đến 13 giờ trưa (trùng khớp với thời điểm cường độ bức xạ mặt trời $I$ và nhiệt độ môi trường $T_a$ cực đại), sau đó suy giảm dần đến 16 giờ.
• Ảnh hưởng của hệ số Reynolds ($Re$) đến hệ số Nusselt ($Nu$): Cường độ tỏa nhiệt đối lưu tăng khi hệ số Reynolds tăng, tuy nhiên lưu lượng lớn làm giảm thời gian lưu của nước trong ống, dẫn đến nhiệt độ nước đầu ra bị hạ thấp.
• Ảnh hưởng của tốc độ gió đáy: Khi tốc độ gió tăng từ 2 m/s lên 10 m/s, hệ số tỏa nhiệt đối lưu đáy $h_{conv}$ tăng tuyến tính, làm gia tăng tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, khiến cả nhiệt độ trung bình tấm hấp thụ và nhiệt độ nước đầu ra đều sụt giảm liên tục.
• Đối sánh độ chính xác: Bảng số liệu so sánh giữa kết quả mô phỏng CFD, công thức giải tích và số liệu thực nghiệm từ bài báo của Gunjo và cộng sự cho thấy mức độ sai lệch nhỏ, khẳng định tính chính xác của mô hình số.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 6 tổng kết các phát hiện then chốt: khẳng định ảnh hưởng chi phối của các thông số đầu vào (bức xạ, nhiệt độ môi trường, lưu lượng, vận tốc gió đáy) và kết cấu đường ống đến hiệu quả truyền nhiệt; khẳng định tính ưu việt của kết cấu ống zigzag trong việc tối ưu kích thước lắp đặt và nâng cao nhiệt độ nước; đồng thời đề xuất các định hướng nghiên cứu hoàn thiện thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng và phát hiện khoa học chính được rút ra từ văn bản:

• Tương quan giữa thông số vận hành và hiệu quả truyền nhiệt: Hiệu quả truyền nhiệt của hệ thống tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời ($I$), nhiệt độ nước cấp đầu vào ($T_i$) và nhiệt độ môi trường xung quanh ($T_a$). Ngược lại, việc tăng lưu lượng dòng chất lỏng cấp vào ống góp và tăng tốc độ gió ở mặt đáy tấm hấp thụ (từ 2 m/s đến 10 m/s) làm gia tăng tổn thất nhiệt đối lưu và rút ngắn thời gian tiếp xúc nhiệt, dẫn đến giảm nhiệt độ nước đầu ra.
• Hiệu quả của kết cấu ống zigzag: So với ống đứng thẳng truyền thống, kết cấu ống zigzag với các đoạn uốn cong 90 độ cho phép kéo dài quãng đường chuyển động của dòng nước trên cùng một diện tích chiếm chỗ, giúp nước thu được lượng nhiệt lớn hơn. Ở thời điểm 12 giờ trưa, nhiệt độ nước đầu ra của ống zigzag đạt xấp xỉ $49{,}85^\circ\text{C}$ (chiều dài tấm 1,2546 m), cao hơn mức $42{,}13^\circ\text{C}$ của ống thẳng (chiều dài tấm 1,65 m), tiệm cận dải nhiệt độ tối ưu 50°C - 60°C cần thiết cho vi sinh vật ưa nhiệt trong hầm phân hủy Biogas.
• Đóng góp khoa học và kỹ thuật:
  • Xây dựng thành công quy trình mô phỏng số hoàn chỉnh trên phần mềm ANSYS Fluent để khảo sát bộ thu nhiệt mặt trời tấm phẳng.
  • Chứng minh tính hiệu quả của phương pháp chia lưới cục bộ kết hợp điều kiện biên đối xứng (Symmetry), giúp tiết kiệm tài nguyên máy tính mà vẫn giữ vững độ chính xác vật lý (Residuals $< 1 \times 10^{-6}$).
  • Cung cấp tập dữ liệu đối sánh chi tiết giữa ba phương pháp: mô phỏng số CFD, tính toán giải tích lý thuyết và thực nghiệm đo đạc từ tài liệu khoa học quốc tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài theo phạm vi nghiên cứu được công bố:

• Mô hình CFD được xây dựng dựa trên các giả định đơn giản hóa: lưu chất là nước không nén được, liên tục và hoàn toàn nằm trong chế độ chảy tầng; các thông số nhiệt vật lý của vật liệu đồng (tấm hấp thụ, ống) và lưu chất được coi là hằng số không thay đổi theo nhiệt độ suốt quá trình mô phỏng.
• Nghiên cứu bỏ qua tổn thất nhiệt qua các cạnh bên của bộ thu do giả định diện tích viền rất nhỏ.
• Dữ liệu đầu vào, thông số khí hậu và số liệu đối chứng hoàn toàn dựa trên bài báo khoa học của Gunjo và cộng sự tại Ấn Độ, chưa có điều kiện đo đạc thực nghiệm độc lập tại các vùng khí hậu cụ thể của Việt Nam.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

• Chế tạo mô hình thực nghiệm thực tế tại Việt Nam để kiểm chứng và hiệu chỉnh độ chính xác của mô hình số trong điều kiện bức xạ và độ ẩm thực tế ở địa phương.
• Mở rộng mô phỏng với các chế độ dòng chảy chuyển tiếp và chảy rối, khảo sát các dải lưu lượng lớn hơn hoặc sử dụng các loại lưu chất truyền nhiệt cải tiến (nanofluid).
• Tích hợp thêm hệ thống lưu trữ nhiệt sử dụng vật liệu biến tính hoặc vật liệu chuyển pha (Latent Heat Storage - LHS) để ổn định nhiệt độ cấp cho hầm Biogas vào ban đêm hoặc trong điều kiện thời tiết không có nắng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học và giảng viên các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Điện lạnh, Năng lượng Tái tạo, Cơ khí Động lực và Kỹ thuật Môi trường quan tâm đến phương pháp ứng dụng CFD trong mô phỏng trao đổi nhiệt.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị năng lượng mặt trời, đơn vị thiết kế hệ thống cấp nhiệt sinh hoạt và hầm ủ khí sinh học Biogas.
• Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu:
  • Chương 2: Toàn bộ hệ thống công thức giải tích tính toán tổn thất nhiệt đỉnh của Klein và công thức tiêu chuẩn Nusselt - Reynolds cho dòng chảy tầng trong ống.
  • Chương 3 và 4: Phương pháp thiết lập điều kiện biên đối xứng (Symmetry) trên ANSYS Fluent và quy trình kiểm soát chất lượng lưới (M1 - M5) với tiêu chuẩn hội tụ phần dư $< 1 \times 10^{-6}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Mục đích chính của việc nghiên cứu bộ thu Solar Collector có khả năng gia nhiệt đến 50°C - 60°C trong đồ án là gì? Mục đích là cung cấp nguồn nhiệt ổn định cho quá trình sản xuất khí sinh học (Biogas), cụ thể là tạo môi trường nhiệt độ tối ưu từ 50°C đến 60°C cho các vi sinh vật ưa nhiệt (thermophilic microbes) phát triển, giúp thúc đẩy các giai đoạn thủy phân, axit hóa và methan hóa diễn ra nhanh hơn so với điều kiện nhiệt độ thường.

2. Kỹ thuật biên đối xứng (Symmetry) được tác giả ứng dụng như thế nào và mang lại lợi ích gì? Thay vì chia lưới và mô phỏng toàn bộ bộ thu gồm 10 ống song song, tác giả chỉ mô hình hóa một ống đại diện với bề rộng tấm 0,1 m và thiết lập điều kiện biên Symmetry ở hai bên sườn. Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý không có dòng nhiệt hay chất lưu chuyển động xuyên qua mặt phẳng đối xứng, giúp giảm thiểu đáng kể số lượng mắt lưới, tiết kiệm dung lượng bộ nhớ RAM máy tính và rút ngắn thời gian giải thuật toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác vật lý của trường nhiệt độ.

3. Tốc độ gió ở bề mặt đáy tấm hấp thụ tác động thế nào đến hiệu suất truyền nhiệt của bộ thu? Tốc độ gió đáy ($v_w$) tỷ lệ thuận với hệ số truyền nhiệt đối lưu qua công thức $h_{conv} = 2 \cdot v_w$. Khi vận tốc gió tăng (khảo sát từ 2 m/s đến 10 m/s), cường độ tỏa nhiệt đối lưu từ đáy ra môi trường tăng lên, làm thất thoát một phần nhiệt lượng thu được từ bức xạ, trực tiếp làm sụt giảm nhiệt độ tấm hấp thụ và nhiệt độ nước đầu ra.

4. Tiêu chí nào được sử dụng để chứng minh tính độc lập của lưới tính toán trong đồ án? Tác giả thiết lập 5 mức mật độ lưới tăng dần từ M1 đến M5 cho cả hai mô hình ống thẳng và ống zigzag. Tính độc lập của lưới được xác lập khi mức chênh lệch kết quả nhiệt độ giữa các cấp lưới mịn (M4 và M5) đạt mức không đáng kể, đồng thời đồ thị phần dư (Residuals) của các phương trình liên tục, động lượng và năng lượng đều giảm sâu xuống dưới ngưỡng sai số $1 \times 10^{-6}$.

5. Kết cấu ống zigzag có ưu thế gì nổi bật so với ống đứng thẳng thông thường? Mô hình ống zigzag uốn cong liên tục giúp tăng quãng đường tiếp xúc trao đổi nhiệt của chất lưu trên một diện tích lắp đặt tinh gọn (chiều dài tấm hấp thụ chỉ 1,2546 m so với 1,65 m của ống thẳng). Tại thời điểm 12 giờ trưa, kết cấu zigzag giúp nâng nhiệt độ nước đầu ra đạt xấp xỉ 49,85°C, cao hơn mức 42,13°C của mô hình ống thẳng, hỗ trợ tối ưu việc tạo nguồn nước nóng nhiệt độ cao cho các ứng dụng công nghệ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thực hiện thành công việc ứng dụng phương pháp mô phỏng số CFD trên nền tảng ANSYS Workbench 19 để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của thông số hoạt động và kết cấu ống đến hiệu quả truyền nhiệt của hệ thống Solar Collector tấm phẳng. Các phân tích trường nhiệt độ và dòng chảy cho thấy bức xạ mặt trời, lưu lượng nước và tốc độ gió đáy là những thông số chi phối trực tiếp đến hiệu quả hấp thụ nhiệt của thiết bị. Đặc biệt, kết cấu ống zigzag đã chứng minh khả năng gia nhiệt vượt trội và tính nhỏ gọn so với ống thẳng truyền thống, cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp mô hình hóa tin cậy cho việc thiết kế, tối ưu hóa các hệ thống thu nhiệt mặt trời cấp nhiệt cho hầm ủ Biogas trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về đề tài 1. Tính cấp thiết của đề tài và lý do thực hiện mô phỏng CFD Solar Collectors ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng tận dụng nguồn năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên sạch, dồi dào và miễn phí. Với đặc tính thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế dài hạn, các hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi từ cấp nước nóng cho sinh hoạt gia đình, hỗ trợ sấy nông sản, đến cung cấp nhiệt cho các quy trình công nghiệp.

Một trong những ứng dụng tiềm năng đáng chú ý là sử dụng Collector để cung cấp nhiệt cho quá trình sản xuất khí sinh học (Biogas), đặc biệt là trong giai đoạn nuôi vi sinh vật ưa nhiệt. Đây cũng chính là hướng nghiên cứu trong bài báo "Exergy and energy analysis of a novel type Solar Collector under steady state condition: Experimental and CFD analysis" của Gunjo và cộng sự. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thiết kế một loại collector dạng ống uốn cong đặc biệt, có thể gia nhiệt nước lên đến 60 °C — mức nhiệt phù hợp cho vi sinh vật ưa nhiệt phát triển (thermophilic microbes). Nhờ đó, hệ thống không chỉ cải thiện hiệu quả quá trình phân hủy kỵ khí trong hầm ủ mà còn góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống sản xuất biogas.

Vì những tiềm năng ưu việt đó nên nhóm chúng em đã làm nghiên cứu về máy nước nóng năng lượng mặt trời, cụ thể là đề tài “Khảo sát sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và kết cấu đến hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector”. Tiến hành mô phỏng xác định nhiệt độ nước đầu ra và phân tích trường nhiệt độ bên trong hệ thống Solar Collector bằng phần mềm Ansys Workbench nhằm mục tiêu xác định nhiệt độ trước khi đem hệ thống ra thực tế, đạt được mục tiêu vận hành an toàn và ổn định của thiết bị. So sánh ưu điểm và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm Phần mền CFD (Computational Fluid Dynamics) là một phương pháp hiện đại với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các thí nghiệm thực tế. Việc mô phỏng bằng CFD cho kết quả nhanh, độ chính xác tương đối cao và cho phép người dùng thoải mái sáng tạo mà không gặp phải những giới hạn về chi phí hay các rủi ro khi làm việc trực tiếp với thiết bị thực nghiệm.

*Đối với phương pháp mô phỏng CFD:  Ưu điểm: - Tốc độ tính toán nhanh và ngày càng được nâng cấp mạnh mẽ. - Giúp rút gọn thời gian giải quyết vấn đề thông qua việc xác định nguyên nhân bằng mô phỏng. - Giảm chi phí vì không cần nhiều đến thí nghiệm thực tế, thiết bị đo lường hay phân tích. - Tăng cường độ an toàn trong nghiên cứu và thiết kế.

 Nhược điểm: - Đòi hỏi các công cụ mô phỏng chuyên dụng với chi phí cao. Ví dụ: Máy tính hay bản quyền các phần mềm chuyên dụng. *Đối với phương pháp thực nghiệm:  Ưu điểm: - Có thể chủ động tạo ra các điều kiện thí nghiệm theo mong muốn, đồng thời có thể quan sát được các tác động mà những điều kiện đó gây ra lên đối tượng nghiên cứu. - Cho phép lặp lại nhiều lần quá trình thí nghiệm với các kết quả tương tự nhau, từ đó chứng minh được mối quan hệ có tính quy luật và đảm bảo độ tin cậy cho đề tài.

- Có thể thay đổi bản chất cấu trúc và cơ chế hoạt động của đối tượng bằng cách điều chỉnh các điều kiện hoặc yếu tố môi trường tác động bên ngoài. Nhờ đó, ta có thể nghiên cứu sâu vào bản chất vấn đề, xác định được quy luật, cơ chế hoạt động cũng như phát hiện rõ các thành phần liên quan.  Nhược điểm: - Cần sự chuẩn bị kỹ lưỡng cả về lý thuyết lẫn thiết bị và công cụ hỗ trợ thực hiện. - Chi phí thực hiện cao, đặc biệt là chi phí đầu tư ban đầu.

- Tốc độ thực hiện chậm và có nguy cơ không thực hiện được trong một số trường hợp. - Tiềm ẩn nhiều rủi ro và không đảm bảo an toàn trong suốt quá trình thí nghiệm. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm Tiêu chí đánh giá Mô phỏng CFD Thực nghiệm Chí phí Tương đối rẻ Đắt Thông tin Đầy đủ Thiếu 2 Thời gian Ngắn Dài An toàn Cao Tiềm ẩn rủi ro 1. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.

Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng trao đổi nhiệt của mô hình, khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi lưu lượng của dòng chất lỏng bên trong ống đồng của hệ thống Solar Collector, khảo sát và so sánh ảnh hưởng về kết cấu của ống thẳng và ống zigzag đến nhiệt độ nước đầu ra của hệ thống. Các mô hình được thực hiện mô phỏng trên phần mềm ANSYS WORKBENCH 19. Kết quả cho thấy việc thay đổi lưu lượng có sự thay đổi đáng kể đến nhiệt độ nước đầu ra của ống. Nhiệm vụ đề tài Qua đồ án tốt nghiệp này thì những mục tiêu sinh viên đạt được là: - Phân tích hệ thống và tính toán cơ sở lý thuyết.

- Thực hiện mô phỏng số dựa vào các thông số đầu vào. - So sánh và đánh giá kết quả thu được từ mô phỏng, kết quả tính toán lý thuyết và kết quả có trong bài báo liên quan. - Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố như lưu lượng, tốc độ gió, kết cấu ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector bằng phương pháp mô phỏng số. - Đưa ra các đánh giá và kết luận.

Đối tượng và giới hạn của đề tài. Đối tượng đề tài Trong đồ án này đối tượng mà chúng em cần quan tâm đến là hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời Solar Collector, phương pháp mô phỏng số CFD bằng phần mềm mô phỏng ANSYS WORKBENCH 19. Giới hạn đề tài Đề tài giới hạn trong việc tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của hệ thống bộ thu năng lượng mặt trời Solar Collector, tìm hiểu lý thuyết về phương pháp mô phỏng CFD. Tính toán lý thuyết và mô phỏng số hệ thống Solar Collector dựa theo bài báo khoa học.

Giới thiệu tổng quan về Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời 1. Khái niệm về hệ thống Solar Collector Bộ Thu Năng Lượng Mặt Trời (BTNLMT) là thiết bị thực hiện hấp thụ bức xạ mặt trời sau đó biến nó thành nhiệt năng. BTNLMT không chỉ đóng vai trò quan trọng cho phục vụ sinh hoạt đời sống mà còn cho việc tạo ra nguồn nhiên liệu sạch từ việc nuôi cấy các vi khuẩn ưa ấm, ưa nhiệt,… Cho quá trình sản xuất Biogas. Hiện trạng của hệ thống Solar Collector Quá trình hấp thụ năng lượng bức xạ của mặt trời chuyển biến thành nhiệt năng trực tiếp nung nóng chất lỏng công tác.

Tùy theo các vùng khí hậu khác nhau mà BTNLMT ra đời với nhiều loại khác nhau. Hiện nay BTNLMT đang có những bước cải tiến với những ứng dụng đa dạng, với nhiều hình dạng khác nhau tùy từng loại nhu cầu sử dụng: BTNLMT dạng tấm phẳng, BTNLMT dạng ống nhiệt, BTNLMT dạng parabol,….Các loại BTNLMT được ứng dụng phổ biến nhất cho quy mô ở dân dụng cung cấp nước nóng cho sinh hoạt và cả công nghiệp. Đặc biệt trong lĩnh vực nuôi cấy các vi khuẩn ưa ấm, ưa nhiệt phân hủy các chất hữu cơ để sản xuất khí Biogas có vai trò cung cấp nhiên liệu sạch dùng để phát điện, nhiên liệu cho động cơ…. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt của hệ thống Solar Collector Không chỉ các tác nhân bên ngoài BTNLMT mà còn một số yếu tố bên trong cũng ảnh hưởng đến hiệu suất làm của BTNLMT gồm như hiện trạng điển hình như sau: Tốc độ dòng chảy và lưu lượng chất lỏng: Khi có tốc độ dòng chảy nhanh hoặc lưu lượng lớn hoặc nhỏ điều này làm cho sự trao đổi nhiệt bên trong đường ống độ kém hơn.

Cáu cặn trong đường ống: Việc xuất hiện cặn bẩn trong đường ống là điều không thể tránh khỏi. Chúng làm cho diện tích trao đổi nhiệt hẹp lại, cản trở dòng lưu chất duy chuyển bên trong ống ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt. Trời ấm âm u hay trời mưa: Làm giảm cường độ bức xạ chiếu vào BTNLMT (chuyển biến thành nhiệt năng) thấp, nhiệt truyền vô ống thấp làm cho nhiệt độ đầu ra chất công tác có nhiệt độ thấp. Các loại bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng 4 Bộ thu năng lượng mặt trời (BTNLMT) có thể chia thành 2 dạng chính: *Bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống chân không Bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống chân không là: hệ thống này gồm hai ống thủy tinh được lồng vào nhau đồng trục, trong đó ống thủy tinh bên ngoài có chức năng như tấm kính phủ, ống thủy tinh còn lại đóng vai trò như tấm hấp thụ, bề ngoài ống được phủ lớp vật liệu hấp thụ được thể hiện ở Hình 1.

Bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống chân không [1] *Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng Bộ thu năng lượng mặt dạng tấm phẳng là: hệ thống này gồm có bộ hấp thụ phủ lớp vật liệu hấp thụ ở bề mặt trên, với bề mặt dưới có các ống gắn liền, tấm kính phủ ở phía bên trên có vai trò cho bức xạ xuyên qua để chiếu xuyên qua bộ hấp thụ và có vỏ bọc bên ngoài cùng, mục đích này có tác dụng giữ lại bức xạ như hiệu ứng nhà kính thu nhỏ nhằm tăng khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ Hình 1. Bộ thu năng lượng mặt trời dạng tấm phẳng [2] *Nguyên lý hoạt động khi dòng bức xạ chiếu vào bộ thu dạng tấm: Khi dòng bức xạ mặt trời Is chiếu lên bề mặt tấm kính trắng trong, cho phép dòng này xuyên qua tấm kính 80% ⁓ 90% dòng bức xạ sẽ được (hấp thụ 1% và phản xạ lại 9%). Tiếp theo, dòng bức xạ tiếp tục xuyên qua lớp tấm kính rồi chiếu tới bề mặt của tấm hấp thụ, bề mặt hấp thụ sẽ thực hiện quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời đồng thời biến đổi dòng này thành nhiệt năng khoảng 90% ⁓ 95%. Sau đó, dòng nhiệt sẽ được dẫn truyền đến phần ống được gắn kết ở bề mặt phía dưới tấm hấp thụ, một phần nhiệt lớn sẽ được giai nhiệt cho chất lỏng công tác bên trong ống, phần nhiệt nhỏ còn lại bị phản xạ lại hướng ban đầu và trao đổi nhiệt đối lưu trong phần khe hẹp giữa tấm hấp thụ với tấm kính rồi truyền ra môi trường xung quanh.