Tóm tắt Tiểu luận Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng được quan tâm nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng cũng như vấn đề cấp bách về ô nhiễm môi trường hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng trong tương lai vì là nguồn năng lượng sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới vào nhiều quy trình sản xuất công nghiệp. Tuy vậy ở Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời còn đang được triển khai hạn hẹp chưa được rộng rãi dù rằng được đánh giá là một đất nược có nguồn năng lượng dồi dạo. Góp phần vào sự phát triển của đất nước trên phương diện năng lượng mặt trời em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời”. Bài toán đặt ra sẽ phải điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ cho trước. Đề tài phải đảm bảo các yêu cầu nhiệt độ lò sấy phải đạt nhiệt độ yêu cầu mà công nghệ đề ra thời gian sấy phải phù hợp. Nội dung đề tài bao gồm: Chương 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời Chương 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy Chương 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa quả Chương 4 : Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa quả Chương 5 : Kết quả thu được và hướng mở rộng Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của các thầy, cô giáo trong bộ môn Điều khiển tự động, đặc biệt là cô trực tiếp hướng dẫn em, cô giáo ThS. Đinh Thị Lan Anh đã nhiệt tình chỉ bảo và hỗ trợ bọn em. Tuy Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời nhiên do thời gian và kiến thức có hạn, nên đồ án này không tránh khỏi những sai sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để chúng em có thể hoàn thiện hơn về kiến thức của mình. Hà Nội, tháng 6 năm 2018 Nhóm sinh viên Vũ Hải Hoàng Nguyễn Kim Bảo Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 6 DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................................. 6 CHƯƠNG 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời .................. 1 1.1. Năng lượng mặt trời .............................................................................................. 1 1.1.1. Tổng quan ....................................................................................................... 1 1.1.2. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời .......................................................... 2 1.2. Ứng dụng sấy sử dụng NLMT .............................................................................. 3 1.2.1. Những lợi ích của việc sấy hoa quả ................................................................ 3 1.2.2. Tiềm năng của công nghệ sấy sử dụng NLMT .............................................. 4 1.3. Mô tả về công nghệ sấy sử dụng NLMT .............................................................. 5 1.3.1. Yêu cầu công nghệ .......................................................................................... 5 1.3.2. Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT ........................................................ 6 CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy ........................................................... 8 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy ............................................................... 8 2.2. Công nghệ sấy ..................................................................................................... 10 2.3. Các tham số điều khiển trong quá trình sấy ........................................................ 13 CHƯƠNG 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa quả ........................ 15 3.1. Tính toán công suất ............................................................................................. 16 3.2. Lựa chọn thiết bị ................................................................................................. 17 3.3. Thiết kế không gian sấy ...................................................................................... 17 3.4. Thiết kế mạch điện bộ điều khiển ....................................................................... 19 3.5. Thiết kế mạch sạc pin mặt trời ............................................................................ 22 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời 3.6. Giao tiếp với máy tính ......................................................................................... 24 CHƯƠNG 4: Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa quả.................. 27 4.1. Nhận dạng mô hình bằng phương pháp thực nghiệm ......................................... 27 4.2. Thiết kế bộ điều khiển ......................................................................................... 32 4.2.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ ......................................................................... 32 4.3. Tiến hành điều khiển mô hình lò sấy thực tế thông qua VĐK ........................... 37 4.4. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển ........................................................... 41 4.4.1. Phần mềm Matlab và công cụ GUIDE ......................................................... 41 4.4.2. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển nhiệt độ lò sấy hoa quả............ 41 CHƯƠNG 5: Kết quả thu được và hướng mở rộng .................................................. 43 5.1. Kết quả thu được ................................................................................................. 43 5.2. Các mặt hạn chế và đề xuất hướng giải quyết. ................................................... 46 5.2.1. Hạn chế ......................................................................................................... 46 5.2.2. Hướng giải quyết .......................................................................................... 46 5.3. Hướng phát triển của đề tài ................................................................................. 47 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 48 DANH MỤC THAM KHẢO ........................................................................................ 49 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 50 1. Các bước lập trình giao tiếp và tạo giao diện GUI ................................................ 50 2. Sử dụng công cụ System Identification để nhận dạng ........................................... 57 3. Sử dụng công cụ fuzzy thiết kế bộ điều khiển mờ trên matlab .............................. 61 4. Giới thiệu thiết bị sử dụng trong hệ thống ............................................................. 64 4.1. Thiết bị điều khiển ........................................................................................... 64 4.2. Thiết bị đo ........................................................................................................ 65 4.3. Thiết bị chấp hành ........................................................................................... 66 5. Hướng dẫn sấy cho một số loại thực phẩm ............................................................ 67 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời ................................. 6 Hình 2.1: Đồ thị I-d không khí ẩm .................................................................................. 9 Hình 2.2: Mô hình sấy không khí đi ngang ................................................................... 11 Hình 2.3: Mô hình sấy không khí đi đứng ..................................................................... 12 Hình 2.4: Các biến quá trình trong hệ thống lò sấy ....................................................... 14 Hình 3.1: Lưu đồ P&ID hệ thống sấy ............................................................................ 15 Hình 3.2: Thiết kế chi tiết của không gian sấy .............................................................. 18 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển của hệ thống ................................................ 19 Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển ...................................................................... 20 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin mặt trời ......................................................... 22 Hình 3.6: Tấm pin mặt trời ............................................................................................ 23 Hình 4.1: Phương pháp nhận dạng mô hình .................................................................. 27 Hình 4.2: Đồ thị kết quả nhận dạng quạt tản nhiệt ........................................................ 28 Hình 4.3: Hàm nhận dạng trên matlab của quạt tản nhiệt ............................................. 29 Hình 4.4: Đồ thị kết quả nhận dạng điện trở ................................................................. 30 Hình 4.5: Hàm nhận dạng trên matlab của điện trở nhiệt ............................................. 30 Hình 4.6: Đồ thị đặc tính nhiệt độ ................................................................................. 31 Hình 4.7: Hàm nhận dạng quá trình nhiệt ..................................................................... 32 Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển BĐK mờ có Sp .................................................................. 33 Hình 4.9: Hàm liên thuộc đầu vào sai số e .................................................................... 34 Hình 4.10: Hàm liên thuộc tốc độ sai số e ..................................................................... 34 Hình 4.11: Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều khiển mờ chế độ setpoint .................... 35 Hình 4.12: Kết quả nhiệt độ lò mô phỏng điều khiển mờ chế độ setpoint .................... 35 Hình 4.13: Công suất điện trở mô phỏng chế độ setpoint ............................................. 36 Hình 4.14: Công suất quạt chế độ setpoint .................................................................... 36 Hình 4.15: Giao diện HMI ............................................................................................. 42 Hình 4.16: Đồ thị nhận dạng khi chạy giao diện ........................................................... 42 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Hình 5.1: Kết quả điều khiển nhiệt độ lò sấy ................................................................ 43 Hình 5.2: Kết quả thành phẩm ....................................................................................... 45 Hình 5.3: Cấu tạo tấm thu nhiệt ..................................................................................... 47 Hình 5.4: Mô hình đề xuất tách riêng phần thu nhiệt và phần sấy ................................ 47 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thành phần hóa học cơ bản của chuối .......................................................... 10 Bảng 3.1: Bảng thống kê các thiết bị ............................................................................. 17 Bảng 4.1: Luật mờ cho công suất quạt chế độ setpoint ................................................. 34 Bảng 4.2: Luật mờ cho công suất điện trở nhiệt chế độ setpoint .................................. 35 Bảng 5.1: Bảng thông số đánh giá một số phương pháp sấy ........................................ 44 DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ NLMT Năng lượng Mặt Trời VĐK Vi điều khiển Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời CHƯƠNG 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời 1.1. Năng lượng mặt trời 1.1.1. Tổng quan • 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. • Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ. • Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình biến đổi liên tục trong môi trường và đưa vào trong các ứng dụng kỹ thuật. Trong các loại năng lượng tái tạo được sử dụng hiện nay, năng lượng Mặt Trời (NLMT) cũng được xem là một trong những loại năng lượng phổ biến và dễ ứng dụng. • Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. • Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. • Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. • Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. 1 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Có thể thấy các ứng dụng chủ yếu của NLMT được chia làm 2 loại đó là Nhiệt mặt trời và Điện mặt trời. 1.1.2. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời 1.1.2.1. Nhiệt mặt trời Các ứng dụng Nhiệt mặt trời phổ biến nhất có thể kể đến: • Đun nước nóng: Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng nước với nhiệt độ lên đến 60 °C. • Sưởi ấm, làm mát và thông gió: Nhiệt khối là vật liệu bất kỳ có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt trời. Chúng được sử dụng ở những khu vực ôn đới lạnh để duy trì sự ấm áp. Một ống khói năng lượng mặt trời (hoặc ống khói nhiệt) là một hệ thống thông gió tận dụng hiện tượng đối lưu gây ra bởi sự đốt nóng không khí bởi nhiệt mặt trời để lưu thông không khí trong tòa nhà. • Nấu ăn: Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử trùng. Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản xạ. Bếp hộp cơ bản có thể đạt đến nhiệt độ 90-150 °C. Bếp phản xạ có thể đạt đến nhiệt độ 315 °C và cao hơn nhưng yêu cầu ánh sáng trực tiếp để hoạt động đúng và phải được thay đổi vị trí để theo dõi Mặt trời. 1.1.2.2. Điện mặt trời 2 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaics - PV), cũng được gọi là quang điện hay quang năng là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng. • Điện mặt trời tập trung Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy điện thông thường. • Pin quang điện (Pin mặt trời) Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Những tế bào năng lượng mặt trời ban đầu có giá 286 USD mỗi watt và đạt hiệu suất 4,5 - 6%. 1.2. Ứng dụng sấy sử dụng NLMT 1.2.1. Những lợi ích của việc sấy hoa quả Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nông nghiệp chiếm tỉ trọng tương đối lớn trong cơ cấu nền kinh tế. Một trong những vấn đề thiết yếu trong việc sản xuất và chế biến nông sản là bảo quản. Khi thu hoạch được lượng lớn nông sản hoa quả, người nông dân có thể bảo quản thức ăn qua việc phơi hoặc sấy khô. Tuy nhiên phơi khô trực tiếp dưới ánh mặt trời sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng nông sản bởi các yếu tố bụi bẩn, động vật, thời tiết thất thường Vì vậy việc bảo quản cần tới công nghệ sấy để đảm bảo chất lượng của nông sản, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường. 3 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Bằng việc sấy khô, hương vị cũng như chất dinh dưỡng của hoa quả vẫn được đảm bảo nguyên vẹn. Trái cây và rau quả khô không cần tới chất bảo quản, thực phẩm khô cũng đem lại hàm lượng dinh dưỡng cao. Nếu được lưu trữ trong điều kiện tốt, thời gian bảo quản có thể lên tới 6 – 12 tháng. Đặc biệt khi sử dụng công nghệ sấy bằng năng lượng mặt trời sẽ đem lại hiệu quả lớn hơn so với phơi khô thông thường, thời gian sấy khô giảm đáng kể. 1.2.2. Tiềm năng của công nghệ sấy sử dụng NLMT Đây là một hình thức chế biến nông sản đơn giản, sạch và không gây hại môi trường. Bên cạnh đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ tiết kiệm được chi phí so với việc sấy thông thường. Công nghệ sấy sử dụng NLMT có thể áp dụng cho nhiều loại nông sản: • Hoa quả: táo, mơ, nho, dứa, chuối, xoài • Rau củ: cải bắp, súp lơ, khoai tây • Gia vị: hạt tiêu, ớt, hành, tỏi • Các loại thảo mộc, thảo dược, trà • Các loại khô thịt, khô cá, khô mực • Các loại hạt: đậu phộng, hạt điều, cacao, cà phê Một vài tính năng của hệ thống sấy sử dụng NLMT: • Công nghệ sấy hiện đại, có thể đạt chất lượng của loại máy sấy dân dụng và máy sấy công nghiệp. • Vận hành được tại các vùng có khí hậu khô hay ẩm. • Dễ dàng lắp đặt và tháo dỡ. • Thời gian sấy được rút ngắn so với hình thức phơi khô. • Giá trị nông sản được nâng cao. • Điều kiện sấy đảm bảo hợp vệ sinh, chống các loại côn trùng, vi khuẩn gây bệnh. • Không bị ảnh hưởng bởi thời tiết ẩm ướt, mưa, nấm mốc 4 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời • Chi phí vận hành thấp, không tốn nhiên liệu, không thải khí ra môi trường. • Vận hành không cần tới điện lưới, có thể tự sạc lại ắc quy bằng pin mặt trời. • Vận hành hoàn toàn tự động, không cần giám sát liên tục. Với độ linh hoạt về đối tượng sấy, cộng với chi phí lắp đặt và vận hành thấp, đây sẽ là một mô hình phù hợp với các hộ gia đình làm nông, hoặc những gia đình có nhu cầu chế biến thực phẩm tươi theo phương pháp an toàn, đảm bảo vệ sinh và phù hợp với kinh tế. 1.3. Mô tả về công nghệ sấy sử dụng NLMT 1.3.1. Yêu cầu công nghệ Khi sấy cần đảm bảo thực phẩm không bị phơi trực tiếp dưới ánh nắng để không bị mất chất dinh dưỡng, đặc biệt là đối với các loại dược liệu. Đối với hoa quả, nhiệt độ sấy không nên đặt cao bởi dễ gây giòn hoa quả sấy. Các loại quả to như táo, chuối, mít, hồng, lê, thanh long đều cần thái thành miếng mỏng 2-5mm mới sấy khô để đảm bảo yêu cầu. Nhiệt độ sấy của máy sấy thường từ 95°C trở xuống, khi sấy hoa quả chỉ nên cài đặt nhiệt độ từ 45 - 70°C[6] là đảm bảo chất lượng hoa quả sấy. Các loại rau củ sấy khô như bắp cải, cà rốt, su hào, súp lơ, củ cải, và các loại thịt lợn sấy, thịt bò sấy đang được dùng rất phổ biến. Nhiệt độ sấy các loại thực phẩm này cũng chỉ nên ở mức 55 - 70°C[6]. Sấy ở nhiệt độ cao sẽ làm hỏng thực phẩm, sấy thấp hơn cũng làm hỏng rau củ vì ẩm lâu quá, tạo điều kiện cho các loại vi khuẩn sinh sôi. Khi sấy với khối lượng lớn thì lúc đầu có thể tăng nhiệt độ cao để máy nhanh lên nhiệt, sau đó giảm dần về mức trung bình để đảm bảo hơn. Dược liệu nói chung hay các loại cây, hoa, lá, cành thảo dược đều cần sấy khô trước khi đưa vào sử dụng trong các thang thuốc. Nhiệt độ sấy cũng không nên quá cao, chỉ nên từ 40 - 60°C[6]. Khô nhanh quá hay chậm quá cũng không tốt, do vậy để mức nhiệt trung bình để đảm bảo chất lượng cho dược liệu. 5 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Các loại hạt như đỗ tương, hạt ngô, hạt đỗ xanh, hạt điều, hạt dẻ đều cần phải sấy khô trước khi được sử dụng hoặc đưa ra bán ngoài thị trường. Nhiệt độ sấy các loại hạt có thể đặt từ 60 - 90°C[6], thời gian đầu nên đặt nhiệt độ cao rồi sau đó giảm về mức vừa phải để hạt khô đều và đẹp. Các mức nhiệt độ khuyên dùng thường ở khoảng 40 đến 70°C[6], nhưng tùy vào từng loại thực phẩm. Ở giai đoạn sấy ban đầu có thể tăng nhiệt độ lên 65 - 70°C nhưng không cao quá để tránh việc bề mặt sản phẩm bị cứng. 1.3.2. Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời 6 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Hệ thống thực nghiệm có công suất dự tính khoảng 50W, sấy được 1 kg hoa quả. Không gian sấy sẽ được thiết kế có dạng hộp hình chữ nhật. Hệ thống sử dụng một quạt gió để tản nhiệt cũng như thổi hơi nước trong quá trình sấy. Ngoài ra hệ thống còn sử dụng một điện trở nhiệt để giảm thời gian tăng nhiệt trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, hoặc đóng vai trò là nguồn nhiệt thay thế trong những ngày có nắng không đều. Hệ thống có thể được mở rộng thêm với khả năng tích hợp pin mặt trời cho bộ nguồn để nạp ắc quy. Hệ thống cũng có thể tích hợp máy tính để áp dụng đối với các hệ thống sấy có quy mô công nghiệp, tăng khả năng giám sát. 7 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình sấy 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy Bản chất của quá trình sấy là sự bốc hơi của sản phẩm bằng nhiệt ở nhiệt độ thích hợp, là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu. Hay nói cách khác, do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh. Người ta thường phân loại quá trình sấy dựa trên tính chất xử lý vật liệu ẩm qua buồng sấy: sấy mẻ, sấy liên tục; phân loại dựa trên sự chuyển động tương đối giữa dòng nhiệt và vật liệu ẩm: thổi qua bề mặt (sấy ngang), thổi xuyên vuông góc (sấy đứng); dựa trên các lý thuyết nhiệt: sấy đối lưu ,sấy bức xạ, sấy thăng hoa Trong hệ thống này chúng em sẽ quan tâm đến quá trình sấy đối lưu và hướng thổi của không khí là hướng ngang. Các nhân tố ảnh hướng đến quá trình sấy: Tác nhân nhiệt trong quá trình sấy là không khí ẩm. Những thông số chính của không khí ẩm sẽ ảnh hưởng đến quá trình sấy. Trong các thông số vật lý của không khí ẩm, cần quan tâm nhất là nhiệt độ và độ ẩm. Nhiệt độ: Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình có hiệu quả càng cao. Nhưng tùy vào từng loại vật liệu hay loại hoa quả cần sấy mà nhiệt độ cần phải giữ trong giới hạn cho phép để tránh xảy ra các quá trình biến đổi về các thành phần hóa học, hoặc nhiệt độ cao quá có thể bị cháy. Ngoài ra độ ẩm tương đối, độ ẩm cân bằng cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Độ ẩm tương đối là đại lượng rất quan trọng trong khả năng sử dụng không khí để sấy sản phẩm. Khi độ ẩm tương đối bằng 100% quá trình bốc hơi sẽ ngừng. 8 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Hình 2.1: Đồ thị I-d không khí ẩm [Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học kĩ thuật] Theo tổng cục du lịch Việt Nam đất nước ta có một nền nhiệt độ cao. Nhiệt độ trung bình năm từ 22ºC đến 27ºC. Độ ẩm không khí trên dưới 80%. Số giờ nắng khoảng 1.500 - 2.000 giờ, nhiệt bức xạ trung bình năm 100kcal/cm². Theo những thống kê trên dựa theo đồ thị Hình 2.1, với nhiệt độ từ 22-27 độ C, độ ẩm 80% thì khi gia nhiệt lên đến 50-60 độ C độ ẩm tương đối sẽ ứng với 10-20%. Như vậy khi sấy ở 9 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời nhiệt độ 50-60 độ C và bỏ qua độ ẩm tương đối thì sẽ không xảy hiện tượng độ ẩm có thể bão hòa. Tuy vậy vào những ngày độ ẩm cao 90% thì khi gia nhiệt lên 55-60 độ C thì độ ẩm trong lò có thể lên đến 30%, ảnh hưởng đến tốc độ sấy. 2.2. Công nghệ sấy Đối tượng sấy mà hệ thống muốn hướng tới là hoa quả tươi, cụ thể là quả chuối. Đây là loại hoa quả phổ biến, ra quả hầu như quanh năm, giá thành thấp, thành phần dinh dưỡng cao, nhiều công dụng chữa bệnh, giàu năng lượng. Công nghệ sấy hoa quả sẽ phụ thuộc vào các quá trình biến đổi hàm lượng thành phần hóa học trong hoa quả, cụ thể ở đây là chuối. Nước Đường Sacaroza Axit Tinh Protit Axit Lipit Tamin Vitamin Tro khử hữu bột mạnh (mg %) cơ 76,38 14,18 2,35 0,326 3,3 0,92 0,083 1,13 0,068 0,565 0,7 Đơn vị: % Bảng 2.1: Thành phần hóa học cơ bản của chuối Từ bảng trên có thể đưa ra các thông số vật lý cơ bản của chuối. Ở đây ta chỉ cần quan tâm tới độ ẩm để đánh giá chất lượng của sản phẩm sấy. - Độ ẩm trước khi sấy: 75 – 80 % - Độ ẩm sau khi sấy: 15 – 20 % Trong môi trường ẩm nếu nhiệt độ cao hơn 60°C thì protein trong chuối đã bị biến tính, trên 90°C thì fructoza đã bắt đầu bị caramen hóa, các phản ứng tạo ra melanoidin, polime hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa, chuối có thể bị cháy. Vì vậy, để sấy chuối thường dùng chế độ sấy ôn hòa, với nhiệt độ sấy không quá cao: - Nhiệt độ sấy khuyên dùng của chuối: 55 – 60°C. • Một số công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời 10 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Phơi hay sấy cũng là giai đoạn quan trọng trong khâu xử lý nông sản nói chung và hoa quả nói riêng để sản phẩm có thể lưu giữ được lâu dài mà hàm lượng dinh dưỡng gần như được bảo toàn. Nhu cầu phơi, sấy hiệu quả thì hầu hết là Nông dân thì ai cũng cần, nhưng không phải ai cũng có điều kiện để mua thiết bị đắt tiền cho một sự đầu tư bài bản. Thế thì trong điều kiện còn nhiều hạn chế ấy, chúng em muốn gởi đến người nông dân những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả mà nông dân trên thế giới người ta thường làm với những thiết bị giá rẻ. Mô hình 1 : Hình 2.2: Mô hình sấy không khí đi ngang [6] Mô tả hoạt động của mô hình: Mô hình này rất đơn giản sử dụng trực tiếp bức xạ mặt trời để sấy hoa quả, kết hợp tấm meka bên trên để tạo hiệu ứng nhà kính. Quạt sẽ thổi không khí theo phương ngang dọc theo chiều dài của phần diện tích sấy để tăng khả năng bay hơi của vật liệu. Ngoài ra mô hình còn sử dụng các tấm solar pannel để hấp thụ bức xạ mặt trời cung cấp cho quá trình quạt và điện trở nhiệt hoạt động trong trường hợp nhiệt độ môi trường thấp. Đánh giá mô hình: 11 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời - Ưu điểm: Mô hình thiết kế khá đơn giản, giá cả các thiết bị dễ tìm kiếm và rẻ, có thể phù hợp với mô hình nhỏ và vừa. - Nhược điểm: Kết cấu khá đơn giản nên còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện của môi trường. Vì quá trình sấy và hấp thụ nhiệt xẩy ra đồng thời nên xây dựng bộ điều khiển tốt cũng trở nên khó khăn hơn. Mô hình 2: Hình 2.3: Mô hình sấy không khí đi đứng [6] Mô tả hoạt động của mô hình: Ở đây có phần hấp thu bức xạ mặt trời được tách biệt, phần này được cấu tạo từ 2 phần chính đó là bộ phần hấp thu nhiệt thường là kim loại và tối màu, phần thứ 2 là vật liệu trong suốt là meka để tạo hiệu ứng nhà kính để bộ phận hấp thụ nhiệt được tối đa 2 bộ phận này cách nhau bởi lớp chân không. Không khí nóng sẽ được hút từ bộ hấp thu nhiệt nhờ quạt vào buồng sây và đi ra ở phía trên. Ngoài ra mô hình còn sử dụng các tấm solar paneel để hấp thụ bức xạ mặt trời cung cấp cho quá trình quạt và điện trở nhiệt hoạt động trong trường hợp nhiệt độ môi trường thấp. 12 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Đánh giá mô hình: - Ưu điểm: Mô hình có cấu tạo riêng biệt giữa hấp thu nhiệt và sấy nên phù hợp với loại mô hình vừa và lớn. Điều khiển nhiệt độ và lưu lượng cũng dễ dàng hơn. Ngoài ra mô hình đạt hiệu suất cao hơn và ít ảnh hưởng vào môi trường hơn. - Nhược điểm : Mô hình sẽ có chi phí đắt hơn mô hình 1. Kết luận: Mô hình em đề xuất trong đề tài này là mô hình số 1 vì đề tài em hướng đến là hệ thống sấy hoa quả dành cho hộ gia đình với giá cả rẻ và hợp lí. • Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của chuối sấy : Chỉ tiêu cảm quan: - Hình thái: Mềm dẻo, đàn hồi, không quánh, chắc, cứng, sượng. - Màu sắc: Từ nâu đến vàng, tương đối đồng đều trong một túi, không thâm đen, nâu xỉn, nâu đỏ, không loang lổ. - Mùi vị: Vị ngọt đặc trưng của chuối sấy, không chát hay chua do lên men. Chỉ tiêu lý hóa: - Kích thước: Loại nguyên quả dài không quá 7 cm. - Độ ẩm: 15 – 20% 2.3. Các tham số điều khiển trong quá trình sấy Việc xây dựng mô hình sấy lý thuyết là cần thiết vì qua đó ta có thể nắm bắt được dạng quá trình động học của đối tượng và có thể đưa ra giải pháp điều khiển hợp lý khi thiết kế mô hình thực. Quá trình trao đổi năng lượng của lò sấy: 13 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời Hình 2.4: Các biến quá trình trong hệ thống lò sấy - Biến điều khiển: tốc độ quạt, Heater nhiệt - Nhiều: nhiệt độ , độ ẩm MT - Biến cần đk: Nhiệt độ lò sấy Ta có tổng cộng 5 biến quá trình (T,To,F,q1,q2) , và một phương trình cân bằng năng lượng. Như vậy bậc tự do của mô hình là 4 bằng với số biến đầu vào nên mô hình đảm