Đồ án: Chế tạo mô hình thu nước từ không khí dùng pin mặt trời - ĐH SPKT

Tài liệu đồ án tốt nghiệp về mô hình thu nước từ không khí. Phân tích nguyên lý và ứng dụng bộ làm mát Peltier kết hợp năng lượng mặt trời.

• Tác giả: Trần Công Danh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Nhựt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Chế tạo mô hình thu nước từ không khí ứng dụng bộ làm mát nhiệt điện, sử dụng nguồn trực tiếp từ pin Mặt Trời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Công nghệ Peltier trong thu nước từ không khí

Bộ làm mát nhiệt điện Peltier là một giải pháp tiên tiến trong việc tạo nước từ không khí. Công nghệ này hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện, cho phép làm lạnh bề mặt để ngưng tụ hơi nước hiệu quả. Nguyên lý hoạt động của Peltier sử dụng dòng điện để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt, mặt lạnh và mặt nóng. Khi hơi nước trong không khí tiếp xúc với bề mặt lạnh, nó sẽ ngưng tụ thành những giọt nước tinh khiết. Ưu điểm nổi bật của hệ thống Peltier là không sử dụng chất làm lạnh hóa học, thân thiện với môi trường và có thể hoạt động liên tục. Mặc dù lượng nước thu được ban đầu còn hạn chế, nhưng với sự cải tiến kỹ thuật, hiệu suất ngưng tụ sẽ tăng đáng kể. Công nghệ làm mát nhiệt điện đang trở thành xu hướng phát triển bền vững trong tương lai.

1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ Peltier

Bộ làm mát Peltier tận dụng hiệu ứng Seebeck ngược chiều để tạo nhiệt. Khi dòng điện chạy qua hai chất bán dẫn khác loại, nó sẽ hút nhiệt từ một mặt sang mặt kia. Mặt hút nhiệt sẽ trở nên lạnh (có thể xuống dưới 0°C), trong khi mặt kia tỏa nhiệt. Nguyên lý này cho phép ngưng tụ nước từ không khí một cách hiệu quả mà không cần sử dụng các hóa chất độc hại. Tốc độ làm lạnh phụ thuộc vào cường độ dòng điện và chất lượng bộ Peltier sử dụng.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống thu nước

Trong hệ thống thu nước từ không khí, bộ Peltier được sử dụng để tạo mặt lạnh cho quá trình ngưng tụ. Không khí ẩm được hướng qua bề mặt lạnh này, hơi nước sẽ tụ lại thành giọt nước tinh khiết. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả ở những vùng khí hậu ẩm, giải quyết vấn đề thiếu nước sạch. Kết hợp với năng lượng mặt trời, hệ thống trở nên hoàn toàn bền vững và không tốn chi phí điện năng.

II. Năng lượng mặt trời Giải pháp động lực bền vững

Pin mặt trời cung cấp năng lượng sạch, vô tận cho hệ thống tạo nước từ không khí. Sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ giảm chi phí vận hành mà còn bảo vệ môi trường. Tấm pin quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, cung cấp trực tiếp cho bộ Peltier hoạt động. Ưu điểm lớn nhất là hệ thống hoàn toàn độc lập với lưới điện, phù hợp cho các vùng sâu, vùng đảo không có điện. Công nghệ pin năng lượng mặt trời ngày càng phát triển, hiệu suất chuyển đổi tăng lên, chi phí giảm xuống. Việc kết hợp Peltier với năng lượng mặt trời tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh, bền vững cho vấn đề thiếu nước trên thế giới.

2.1. Cấu tạo và hiệu suất pin mặt trời

Pin quang điện mặt trời bao gồm các tế bào silicon ghép nối với nhau, mỗi tế bào tạo ra dòng điện khi tiếp xúc ánh sáng. Hiệu suất chuyển đổi của pin năng lượng mặt trời hiện đạt 18-22%, tiếp tục cải thiện. Công suất pin được tính bằng Watt-peak (Wp), xác định năng lượng tối đa có thể cung cấp. Để tạo nước từ không khí hiệu quả, cần chọn công suất pin phù hợp với bộ Peltier sử dụng.

2.2. Tích hợp pin mặt trời trong hệ thống ngưng tụ

Pin năng lượng mặt trời kết nối trực tiếp với bộ Peltier thông qua bộ điều chỉnh điện áp. Hệ thống hoạt động tối ưu vào thời điểm có nhiều ánh sáng mặt trời. Năng lượng mặt trời sử dụng không chỉ cho quá trình ngưng tụ mà còn có thể cung cấp cho các thiết bị phụ trợ khác. Giải pháp này bền vững, tiết kiệm và không tính chi phí điện năng.

III. Quy trình chế tạo mô hình ngưng tụ nước

Mô hình thu nước từ không khí bằng Peltier được chế tạo dựa trên nguyên lý vật lý kỹ thuật nhiệt cơ bản. Quá trình thiết kế bắt đầu từ việc lựa chọn bộ làm mát Peltier có công suất phù hợp, thường là 50-100W. Sau đó, xây dựng khung gầm từ vật liệu cách nhiệt tốt như polystyrene hoặc fibreglass. Bề mặt ngưng tụ được thiết kế với kích thước lớn để tăng diện tích tiếp xúc của không khí ẩm. Hệ thống ống dẫn nước được lắp đặt dưới bề mặt lạnh để thu thập những giọt nước ngưng tụ. Pin năng lượng mặt trời với công suất 50-100Wp được gắn trên nóc hộp. Toàn bộ hệ thống được lắp ráp theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo an toàn điện và hiệu quả hoạt động tối đa.

3.1. Lựa chọn vật liệu và thiết kế bề mặt

Để tạo nước từ không khí hiệu quả, bề mặt ngưng tụ phải là kim loại (đồng hoặc nhôm) có độ dẫn nhiệt cao. Lớp cách nhiệt xung quanh hộp phải đủ dày (5-10cm) để giảm tổn thất nhiệt. Hộp ngưng tụ được thiết kế sao cho không khí ẩm có thể lưu thông dễ dàng qua bề mặt lạnh. Ống thoát nước được gắn ở điểm thấp nhất để tập nước ngưng tụ.

3.2. Lắp ráp và kiểm thử hệ thống

Sau khi hoàn thành chế tạo, hệ thống thu nước được kiểm thử dưới các điều kiện thời tiết khác nhau. Thử nghiệm bao gồm đo lường lượng nước ngưng tụ, mức tiêu thụ điện năng từ pin mặt trời, và hiệu suất năng lượng. Dữ liệu thu thập giúp xác định hiệu quả của mô hình và những cải tiến cần thiết cho phiên bản tiếp theo.

IV. Kết quả thực nghiệm và triển vọng phát triển

Mô hình tạo nước từ không khí trong đồ án tốt nghiệp đã mang lại những kết quả khả quan về mặt kỹ thuật. Lượng nước ngưng tụ trong điều kiện thí nghiệm thay đổi từ 50-200ml mỗi giờ tùy theo độ ẩm và nhiệt độ không khí. Khi trời nắng, pin mặt trời cung cấp đủ năng lượng để bộ Peltier hoạt động với công suất tối đa. Những ngày nhiều mây, lượng nước ngưng tụ giảm do điện áp output từ pin năng lượng mặt trời thấp hơn. Công nghệ này thể hiện tiềm năng to lớn khi được ứng dụng quy mô lớn. Với sự phát triển của vật liệu Peltier mới, hiệu suất pin mặt trời cao hơn, hệ thống có thể cho ra lượng nước đáng kể hơn. Tương lai, thu nước từ không khí sẽ trở thành giải pháp quan trọng giải quyết khủng hoảng nước sạch trên toàn cầu.

4.1. Dữ liệu thực nghiệm từ mô hình

Thực nghiệm được tiến hành trong 3 tháng liên tục ở thành phố Hồ Chí Minh. Lượng nước ngưng tụ trung bình đạt 100ml/giờ vào các ngày nắng, tương đương 2,4 lít/ngày. Mức tiêu thụ điện từ pin năng lượng mặt trời ổn định ở 40-60W. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ mặt trời thành nước ngưng tụ được xác định là 0,8-1,2%. Những kết quả này cho thấy khả năng thực tế của công nghệ.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến tương lai

Để nâng cao hiệu suất, nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tối ưu hóa bộ Peltier mới có hệ số hiệu suất tốt hơn. Pin năng lượng mặt trời loại mới với hiệu suất 25-30% sẽ được thử nghiệm. Thiết kế bề mặt ngưng tụ sử dụng vật liệu có độ thấm ẩm cao sẽ cải thiện tốc độ ngưng tụ. Hệ thống lưu trữ nước có thể được bổ sung để cung cấp nước liên tục. Cuối cùng, mô hình sẽ được mở rộng quy mô để sử dụng thực tế ở các vùng khô hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Năng lượng tái tạo và môi trường Năng lượng hóa thạch là năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch sau đó chuyển thành nhiệt rồi chuyển thành điện năng cung cấp cho các hoạt động con người. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 hàng năm, theo ước tính rằng các quá trình tự nhiên có thể hấp thu phân nửa lượng khí thải trên, vì vậy hàm lượng CO2 sẽ tăng rất lớn 10,65 tỉ tấn mỗi năm trong khí quyển. Việc sử dụng năng lượng hóa thạch gây tác động rất lớn đến môi trường mà vấn đề biến đổi khí hậu được quan tâm, hiện nay các nước trên thế giới đang đưa ra các chiến lược đối phó trong đó có Việt Nam… Theo số liệu mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (tên tiếng Anh: International Energy Agency, tiết tắt là IEA), lượng tiêu thụ hóa thạch năm 2015 chiếm 81,5 %, số còn lại là năng lượng tái tạo.

Do đó, lượng khí thải CO2 cũng đang tăng lên với con số gấp đôi, gấp ba. điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Chính vì thế việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa thạch là vấn đề cấp thiết hiện nay. Thế giới hiện nay đang nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng sóng, năng lượng thuỷ triều… Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt.

Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời. Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập. Theo bách khoa toàn thư: Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học.

Chúng là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm không khí, và không đóng góp vào sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính. Vì các nguồn năng lượng này là tự nhiên nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng 1 thấp. Trong các nguồn năng lượng tái tạo có thể nói nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, có thể sản xuất điện năng hay nước nóng. Việt Nam, một quốc gia sử dụng nhiên liệu hóa thạch để phục vụ nhu cầu năng lượng trong nước.

Trong những năm gần đây, nhà nước kêu gọi tiết kiệm năng lượng và chấm dứt xây dựng thêm các nhà máy thủy điện, nhiệt điện… Thu hút đầu tư vào lĩnh vực năng lượng gió, năng lượng mặt trời tại các tỉnh miền Trung và Nam Bộ. Cụ thể, hiện nay có hàng loạt dự án đầu tư tại tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận của Việt Nam. Ở Việt Nam tuy chúng ta đang chỉ ứng dụng thử nghiệm cách đây vài năm nhưng theo các báo cáo cho thấy thì tiềm năng về lĩnh vực năng lượng mặt trời rất lớn. Chúng ta được vị trí đia lí ưu đãi một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn.

Cụ thể năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày. Mật độ năng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2/ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1.100 giờ, đặc biệt là khu vực phía Nam từ Đà Nẵng trở vào có số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2. Đây là khu vực được đánh giá là ứng dụng năng lượng mặt trời rất hiệu quả.

Do đó, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để làm nóng nước… thay cho các phương thức cũ như điện trở, lò hơi… có ý nghĩa hết sức to lớn. Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của thế giới Thế kỉ XXI chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp thế giới, cụ thể là năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng sạch và không bao giờ cạn kiệt. Các quốc gia đang có những chương trình hành động để giảm thiểu biến đổi khí hậu, do đó chúng ta có thể thấy rõ sản lượng điện từ năng lượng của các quốc gia tăng theo hàng năm với những con số ấn tượng.1: Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của thế giới qua các năm. Nguồn [36] Các dạng năng lượng chính: - Năng lượng không tái tạo: Năng lượng nguyên tử, Năng lượng hóa thạch.

- Năng lượng tái tạo: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Năng lượng thủy triều, Năng lượng thủy điện, Năng lượng sóng biển, Năng lượng địa nhiệt, Năng lượng sinh khối Với nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu khai thác từ các mỏ nhiên liệu thô như than, dầu, khí tự nhiên ở mức thái quá và gần như phụ thuộc vào chúng trong suốt 30 năm qua. Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng sạch và có sẵn trong tự nhiên như nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, sóng. các nguồn năng lượng thuộc nhóm năng lượng tái tạo, tận dụng phản ứng phân hạch của nguyên tố Uranium để tạo ra nguồn nhiệt có cường độ bức xạ lớn, ứng dụng trong các ngành công nghệ nhiệt điện còn rất hạn chế và chưa được tạn dụng nhiều trong suốt khoảng thời gian từ năm 1990 đến 2020. Tầm nhìn trong 20 năm tới – từ năm 2020 đến năm 2040, mức độ sử dụng các nguồn nhiên liệu lỏng như xăng, dầu hay các loại nhiên liệu lỏng khác vẫn có xu hướng tăng cao.

Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo được con người khai thác và phát triển rất mạnh trong 20 năm tới, giai đoạn chuyển giao mức độ khai thác mạnh mẽ nguồn năng lượng tái tạo là trong năm 2020 trở đi. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng hạt nhân có không có dấu hiệu phát triển mạnh nhưng lại có dấu hiệu đứng lại thậm chí có xu hướng hạn chế.2: Biểu đồ sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2016. Nguồn [37] Dân số tăng nhanh và tốc độ đô thị hóa chóng mặt trên toàn cầu cũng là một yếu tố ảnh hưởng mạnh đến nhu cầu về năng lượng. Dân số thế giới đã tăng từ khoảng 5,5 tỷ người trong năm 1993 lên tới gần 7 tỷ người vào năm 2010.

EU (Europe) là khu vực phát triển năng lượng mặt trời rất sớm với những cam kết về các hiệp định giảm thiểu ô nhiễm nhà kính, do đó pin mặt trời được áp dụng rất nhiều ở những quốc gia này. Sự hỗ trợ mạnh mẽ của chính phủ trong các dự án như: pin mặt trời ở trên nóc tàu cao tốc hay dự án kết hợp tuabin gió kết hợp với pin mặt trời để chiếu sáng, xe sử dụng năng lượng mặt trời di chuyển với tốc độ cao… nhằm giải quyết vấn đề chất lượng không khí, đảm bảo nhu cầu năng lượng thể hiện sự quyết tâm nghiêm túc của các quốc gia. Chi phí đầu tư cho một số công nghệ năng lượng mặt Trời đang giảm nhanh. Ở nhiều quốc gia, giá của năng lượng tái tạo hiện nay rất cạnh tranh so với năng lượng hóa thạch và năng lượng hạt nhân.

Bên cạnh đó, việc triển khai năng lượng Mặt Trời đã và đang tạo ra nhiều giá trị và việc làm tại địa phương. Đối với các nước có nền kinh tế tăng trưởng thấp và các nước đang phát triển trên thế giới, nó sẽ cung cấp một 4 giải pháp để tăng thu nhập, cải thiện cán cân thương mại, đóng góp cho phát triển công nghiệp và tạo ra việc làm. Nhu cầu sử dụng năng lượng của các quốc gia ngày càng tăng mạnh kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trường gây nên tình trạng biến đổi khí hậu. Đây là vấn đề mà cả thế giới đang rất quan tâm.

Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch làm vấn đề hết sức cấp bách. Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta Ở Việt nam, các ứng dụng năng lượng mặt trời đã phát triển nhanh chóng kể từ những năm 90, tuy nhiên đa số chỉ ở quy mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc khai thác nhiệt năng từ năng lượng mặt trời, được thực hiện ở các hộ gia đình, đơn vị có điều kiện kinh tế khá (do vốn đầu tư bấy giờ còn lớn) có nhu cầu về nước nóng, tranh thủ không gian trên cao đón nắng như tầng thượng nhà cao tầng. Hiện nay, với điều kiện kinh tế đã tốt hơn, nhu cầu của con người cũng tăng, hệ thống các bộ thu năng lượng Mặt Trời đã trở nên phổ biến hơn, không chỉ ở thành thị mà còn ở các vùng nông thôn, những nơi có điều kiện nắng tự nhiên tốt. Các hộ gia đình và doanh nghiệp sẵn lòng đầu tư vào bộ thu không khí sử dụng năng lượng mặt trời vì có thể tiết kiệm hoá đơn tiền điện.

Cho đến nay, công nghệ sản xuất thiết bị collector tấm phẳng bằng năng lượng mặt trời có thể dễ dàng huy động vốn đầu tư từ thành phần kinh tế tư nhân. Tuy nhiên, nhìn chung việc ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam vẫn chưa cao, do ý thức của người dân về sử dụng năng lượng tái tạo còn hạn chế.3: Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương. Nguồn [38] Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150 - 200 năm. Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể còn hết trước thế giới một vài chục năm.

Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12% - 20% năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50% - 60%, chưa kể điện hạt nhân. Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện. Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển nhưng lại phụ thuộc vào thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Điện hạt nhân còn đang trong quá trình chuẩn bị phương án… 1.