Mô hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018 Journal of Science and Technology 29
MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHUN SƯƠNG LÀM MÁT TỰ ĐỘNG
SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Lê Thị Thu Hương1, Trịnh Xuân Thắng2, Lê Quyết Thắng1
1 Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Yên Thọ, Đông Triều, Quảng Ninh
2 Trung tâm GDNN-GDTX Đông Triều, Mạo Khê, Đông Triều, Quảng Ninh
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 03/07/2018
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 06/08/2018
Ngày bài báo được duyệt đăng: 15/08/2018
Tóm tắt:
Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống phun sương làm mát tự động cho trang trại quy mô lớn sử 
dụng nguồn năng lượng mặt trời được xây dựng và kiểm chứng. Hệ thống tạo ra nguồn điện từ các tấm pin 
mặt trời và cấp nguồn cho động cơ bơm nước ba pha thông qua biến tần, đồng thời điện năng cũng được 
lưu trữ trong ắc quy để sử dụng khi không có ánh sáng mặt trời. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình hệ 
thống có thể giảm được nhiệt độ tối đa khoảng 7.2oC trong thời gian khoảng 32 giây.
Từ khóa: Hệ thống phun sương; Năng lượng mặt trời; Biến tần; Ổn định áp suất.
1. Giới thiệu
Từ khi Quốc hội ban hành Pháp lệnh Giống 
vật nuôi năm 2004 đến ngành chăn nuôi Việt Nam 
đã và đang có sự thay đổi một cách nhanh chóng, 
từ một nền sản xuất chủ yếu tự cung, tự cấp sang 
nền sản xuất hàng hóa theo hướng công nghiệp, 
hiện đại. Sản lượng sản phẩm đã tăng trưởng gấp 
đôi trong thời gian từ năm 2005 đến năm 2016. Sản 
lượng thịt tăng từ 2,5-2,7 triệu tấn lên 5,4 triệu tấn. 
Sữa tăng từ 100.000 tấn lên đến 800.000 tấn. Tuy 
nhiên, ngành chăn nuôi Việt Nam nhìn chung còn 
nhỏ lẻ, chăn nuôi quy mô gia đình chiếm tỷ lệ cao 
từ 60-70% [1]. Việt Nam có điều kiện khí hậu tương 
đối khắc nghiệt với mùa đông lạnh giá và mùa hè 
oi bức. Nhiệt độ cao vào mùa hè có ảnh hưởng lớn 
đến sức khỏe của vật nuôi đồng thời cũng gây nên 
ô nhiễm môi trường. Để giải quyết vấn đề đó, các 
hệ thống làm mát, khử mùi thường được sử dụng và 
hệ thống phun sương làm mát là một trong những 
hệ thống có ưu điểm nổi bật. Tuy nhiên, nguồn điện 
sử dụng thống thường là điện lưới và chủ yếu sử 
dụng điện xoay chiều một pha, bộ điều khiển đơn 
giản, phù hợp với các trang trại nhỏ. Đối với các 
trang trại có nhu cầu công suất sử dụng lớn, việc 
điều khiển lượng phun sương, mở rộng giám sát, 
linh hoạt thay đổi các yêu cầu làm mát (nhiệt độ đặt, 
độ ẩm) theo thời điểm trong ngày và trong năm là 
khó thực hiện được. Đặc biệt các trang trại vừa và 
lớn thông thường được đặt ở các khu vực xa dân cư, 
một vài nơi chưa có điện lưới hoặc chi phí cho việc 
xây dựng hệ thống điện lớn. 
Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm 
năng rất lớn về năng lượng mặt trời số giờ nắng 
trung bình khoảng 2.000 – 2.500 giờ/năm, tổng 
năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150 
kcal/cm2/năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết 
khoảng 43,9 tỷ TOE (tấn dầu tương đương/năm). 
Cùng với các chính sách khuyến khích việc sử dụng 
nguồn năng lượng mặt trời của chính phủ, rất nhiều 
dự án điện mặt trời đã và đang được triển khai rộng 
khắp cả nước với tốc độ phát triển nhanh. Do đó 
việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cung cấp 
điện năng cho hệ thống phun sương làm mát có ý 
nghĩa thực tiễn cao.
Hệ thống phun sương làm mát được thiết kế 
để mang tới sự thoải mái trong thời tiết nắng nóng 
lợi dụng đặc tính vật lý ưu việt của nước. Nước có 
khả năng hấp thụ nhiệt đặc biệt cao và nhiệt ẩn bốc 
hơi. Khi nước được phun dưới áp suất cao thông 
qua các vòi đặc biệt vào trong không khí, các hạt 
nước có kích thước 5-10 μm được giải phóng xuất 
hiện giống như sương mù. Sương mù phát ra vào 
khí quyển hấp thụ năng lượng xung quanh (nhiệt) 
và bốc hơi loại bỏ nhiệt từ môi trường, do đó làm 
giảm nhiệt độ. Quá trình này được gọi là làm mát 
bay hơi [2]. 
A. Atieh và S. A. Shariff [2] đã thiết kế, chế 
tạo và phân tích hệ thống phun sương làm mát sử 
dụng nguồn năng lượng mặt trời trị giá 1500 USD 
với thời gian thu hồi vốn là khoảng 30 tháng, trong 
khi thời gian sử dụng của hệ thống có thể lên đến 
hàng chục năm với nguồn năng lượng mặt trời vô 
tận. H. Esen và O. Tuna [3] cũng đưa ra đánh giá 
hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn năng 
lượng mặt trời cho quán giải khát có diện tích 24 m2 
tại Elazig, Thổ Nhĩ Kỳ trị giá 2480 USD với thời 
gian thu hồi vốn của hệ thống là 43 tháng.
Các hệ thống phun sương làm mát cho các 
trang trại lớn và vừa có yêu cầu về công suất bơm 
tương đối lớn. Do đó động cơ bơm ba pha thường 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology30 Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018
được ưu tiên hơn là động cơ bơm một pha. Để tiết 
kiệm điện năng đồng thời linh hoạt trong việc điều 
khiển hệ thống, các biến tần công nghiệp được ưu 
tiên sử dụng. Nhóm tác giả đề xuất thiết kế, chế tạo 
bộ chuyển đổi DC-AC làm trung gian để có thể đưa 
điện áp từ ắc quy (được sạc từ dàn pin mặt trời) đến 
biến tần công nghiệp mà không cần sử dụng nguồn 
điện xoay chiều từ điện lưới. Nguồn điện xoay 
chiều này cũng có thể được sử dụng để cấp nguồn 
cho các tải xoay chiều một pha. Những kết quả đạt 
được của bài báogóp phần tích cực trong việc cung 
cấp các kiến thức tổng quan một cách chi tiết trong 
việc tạo ra một nguồn điện độc lập sử dụng năng 
lượng mặt trời ứng dụng trong việc phun sương làm 
mát cho trang trại nuôi trồng với quy mô lớn và vừa. 
Đồng thời các kiến thức được đưa ra trong bài báo 
cũng có thể áp dụng trong các lĩnh vực khác có liên 
quan đến nguồn năng lượng mới và ứng dụng tự 
động hóa trong nông nghiệp, chăn nuôi.
2. Xây dựng mô hình hệ thống phun sương làm 
mát tự động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
2.1. Chế tạo mô hình, yêu cầu và giải pháp
Do sản phẩm của bài báo là mô hình, chỉ 
nhằm mục đích kiểm nghiệm tính đúng đắn của 
phương án đề xuất nên để đơn giản, các thiết bị của 
bộ phun sương được lựa chọn theo các bộ tích hợp 
sẵn của công ty cung cấp thiết bị phun sương làm 
mát. Cụ thể: lựa chọn hệ thống phun sương gồm béc 
phun mã 3010, dây phun sương 8mm. Ở đây mặc dù 
diện tích phun sương cho mô hình nhỏ, nhưng động 
cơ bơm vẫn sử dụng động cơ ba pha để không mất 
đi ý nghĩa của phương thức điều khiển sử dụng cho 
các trang trại lớn và vừa. Động cơ ba pha công suất 
nhỏ sử dụng trong mô hình bài báo được quấn lại từ 
động cơ bơm một pha. 
Hình 1. Mô hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
Mô hình hệ thống phun sương làm mát sử 
dụng nguồn năng lượng mặt trời được thiết kế trong 
bài báo phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
- Nguồn điện cung cấp cho hệ thống sử dụng 
nguồn năng lượng mặt trời.
- Hệ thống có thể điều khiển phun sương tự 
động theo nhiệt độ đặt trước. Nhiệt độ này có thể 
thay đổi dễ dàng bằng cách can thiệp vào chương 
trình điều khiển.
- Hệ thống có thể ổn định được áp suất trong 
đường ống theo áp suất đặt trước. Khi thay đổi quy 
mô, diện tích phun sương hoặc thay đổi hệ thống 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018 Journal of Science and Technology 31
phun, béc phun có thể thay đổi được áp suất đặt 
bằng cách can thiệp và chương trình điều khiển.
- Hệ thống sử dụng động cơ bơm ba pha để 
tạo ra áp lực đưa nước tới các béc phun.
- Hệ thống có thể tạo ra nguồn điện xoay 
chiều một pha độc lập để phục vụ cho một số yêu 
cầu khác.
Để có thể đáp ứng được các yêu cầu về mô 
hình hệ thống phun sương làm mát tự động sử dụng 
nguồn năng lượng mặt trời, giải pháp được nhóm 
bài báo đề xuất như sau:
- Sử dụng 2 tấm pin mặt trời mỗi tấm 100Wp 
để chuyển nguồn năng lượng mặt trời thành điện 
năng.
- Sử dụng 2 bình ắc quy 100Ah kết hợp với 
bộ điều khiển sạc để lưu trữ điện năng từ tấm pin 
mặt trời.
- Sử dụng bộ chuyển đổi DC-AC để chuyển 
điện áp 12VDC từ ắc quy lên thành điện áp 220VAC 
cung cấp cho các thiết bị điện. Đồng thời điện áp 
220VAC từ bộ chuyển đổi DC-AC được cấp vào 
biến tần MM440 để điều khiển động cơ bơm ba pha.
- Sử dụng cảm biến PT100 kết hợp với bộ 
chuyển đổi để có thể đo được giá trị nhiệt độ môi 
trường.
- Sử dụng cảm biến áp suất có dải đo từ 0-10 
bar, kết hợp với biến tần để có thể điều khiển ổn 
định áp suất theo thuật toán PID.
- Bộ điều khiển sử dụng CPU 226 AC/DC/
RLY.
2.2. Chương trình điều khiển
Từ yêu cầu và giải pháp được trình bày trong 
phần 2.1, sơ đồ nguyên lý của phần điều khiển cho 
hệ thống phun sương và làm mát tự động sử dụng 
nguồn năng lượng mặt trời được đề xuất Hình 2.
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch phần điều khiển hệ thống phun sương làm mát sử dụng nguồn năng lượng 
mặt trời
Lưu đồ thuật toán cho chương trình điều 
khiển cho PLC CPU 226/AC/DC/RLY được thể 
hiện như trong Hình 3 và 4.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology32 Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018
Hình 3. Lưu đồ thuật toán chương trình chính
Hình 4. Lưu đồ thuật toán chương trình con đo 
nhiệt độ (đã hiệu chỉnh theo hệ thống thực)
3. Kết quả và thảo luận
Mô hình hệ thống phun sương làm mát tự 
động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời được thể 
hiện ở Hình 5. Mô hình được đưa ra thử nghiệm với 
một số điều kiện về thời tiết. Kết quả được thực hiện 
trong thời điểm nắng nóng vào tháng 4-5/2018 với 
điều kiện không sử dụng quạt làm mát được đưa ra 
ở Bảng 1.
Hình 5. Mô hình thực tế hệ thống phun sương làm 
mát tự động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
Bảng 1. Kết quả kiểm tra trên mô hình phun sương 
làm mát tự động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
Thời gian Nhiệt độ ban 
đầu (oC)
Thời gian đạt được 
nhiệt độ < 30oC (s)
9h00 32.1 15s
10h00 34.2 20s
11h00 35.5 27s
12h00 38.4 Đạt 31.2oC sau 32s
13h00 37.8 Đạt 30.5oC sau 32s
14h00 35.3 27s
15h00 34.2 20s
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018 Journal of Science and Technology 33
Từ Bảng 1, ta thấy nhiệt độ được giảm 
xuống dưới 30oC trong khoảng thời gian từ 15-20 
giây. Một vài trường hợp nhiều độ cao tầm 37.8oC 
hay 38.4oC thì sau khoảng thời gian tương đối dài 
nhiệt độ không đạt dưới mức 30oC như yêu cầu, tuy 
nhiên nhiệt độ cũng giảm xuống so với nhiệt độ ban 
đầu khoảng 7.2oC sau khoảng 32 giây.
4. Kết luận
Nhóm tác giả đã thành công trong việc xây 
dựng và kiểm nghiệm mô hình hệ thống phun sương 
làm mát tự động cho các trang trại quy mô lớn và 
vừa sử dụng nguồn năng lượng mặt trời với các tính 
năng: tự động phun sương làm mát theo nhiệt độ đặt 
trước; ổn định áp suất trong đường ống theo giá trị 
đặt trước; động cơ bơm sử dụng bơm ba pha được 
điều khiển bằng biến tần. Nhiệt độ giảm được lớn 
nhất là 7.2oC, thời gian để nhiệt độ đạt mức dưới 
30oC tương đối ngắn chỉ khoảng 15-30s. Với những 
kết quả như vậy, phương án đề xuất trong việc kết 
hợp nguồn năng lượng mặt trời với hệ thống phun 
sương làm mát tự động phục vụ cho các trang trại 
lớn có tính khả thi cao.
Tài liệu tham khảo
[1].
nghiep-541474
[2]. A. Atieh, S. A. Shariff, Solar energy powering up aerial misting systems for cooling surround-
ings in Saudi Arabia. Energy Conversion and Management 2013, 65, pp. 670–674.
[3]. H. Esen and O. Tuna, Investigation of Photovoltaic Assisted Misting System Application for 
Arbor refreshment. International Journal of Photoenergy, Volume 2015, Article ID 748219.
MODEL OF AUTOMATIC SOLAR ASSISTED COOLER WITH MISTING SYSTEM
Abstract:
In this study, a model of automatic solar assisted cooler with misting system for the big farms, is 
established and verified. The system generates required electricity with the solar photovoltaic modules to 
power pressurized water three phase pump through an inverter and stores it in a battery for use when there 
is no sunlight. The experimental results show that the temperature can be reduced up to 7.2oC after about 
32 seconds.
Keywords: Misting system; Solar; Inverter; Stable pressure.