Bài viết này trình bày việc chế tạo thử nghiệm một mô hình máy nước nóng năng lượng mặt trời đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả và dễ dàng sử dụng trong các hộ gia đình. Chúng tôi đã chế tạo thành công một máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời từ những vật liệu quen thuộc và dễ kiếm trên thị trường.
Trang 1LÊ PHƯỚC TRÍ - ĐOÀN THỊ XUÂN LOAN NGUYỄN PHƯỚC HẬU - NGUYỄN NỮ HOÀNG ANH
Khoa Vật lý
Tóm tắt: Bài báo này trình bày việc chế tạo thử nghiệm một mô hình
máy nước nóng năng lượng mặt trời đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả và dễ
dàng sử dụng trong các hộ gia đình Chúng tôi đã chế tạo thành công
một máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời từ những vật liệu
quen thuộc và dễ kiếm trên thị trường Chúng tôi cũng đã tiến hành
làm thực nghiệm đo đạc kiểm tra các thông số vào các ngày có độ nắng
khác nhau với nguồn nước cấp có nhiệt độ nằm trong khoảng 25 ± 30C
Kết quả cho thấy máy có thể làm nhiệt độ của nước tăng thêm 440C
lên tới 720C vào những ngày nắng to, tăng thêm 350C lên tới 610C vào
các ngày nhiều nắng, tăng thêm 160C lên tới 420C vào các ngày hửng
nắng Các kết quả cho thấy máy có hiệu năng hoạt động khá tốt vào
các ngày có nắng trong năm
Từ khóa: máy nước nóng, năng lượng mặt trời, ứng dụng, hộ gia đình
1 GIỚI THIỆU
Các nguồn năng lượng đang được sử dụng trên thế giới rất phong phú và đa dạng, trong
đó có hai nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và năng lượng tái tạo Năng lượng hóa thạch là năng lượng được sinh ra trong quá trình đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch như là than đá và dầu mỏ Các nguồn nhiên liệu này có thể dễ dàng được khai thác sử dụng với chi phí đầu tư không lớn Tuy nhiên, nguồn năng lượng này là hữu hạn và không có khả năng tự tái tạo, hơn nữa lại tác động xấu đến môi trường như gây ra hiệu ứng nhà kính hay tạo ra mưa axit Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, 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 Tuy nhiên, hạn chế chung của các nguồn năng lượng tái tạo là rất khó khăn để tạo
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế, tháng 12/2016: tr 438-448
Trang 2ra một sản lượng điện lớn, đồng thời chi phí đầu tư ban đầu cũng rất lớn [1-2] Trong các loại năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có tiềm năng vô cùng
to lớn, miễn phí và hiệu suất cao Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú, xanh, sạch, thân thiện với môi trường, nó có thể áp dụng ở bất cứ nơi nào miễn nơi
đó có ánh sáng mặt trời Chi phí thực hiện nguồn năng lượng này đang được giảm nhanh chóng và dự kiến sẽ tiếp tục giảm trong những năm tiếp theo do đó nó thực sự là một năng lượng tương lai đầy hứa hẹn cho cả phát triển kinh tế và đảm bảo môi trường bền vững Hạn chế của nó là phụ thuộc vào thời tiết và chỉ hoạt động vào ban ngày Nếu có thể khắc phục được nhược điểm này thì năng lượng mặt trời có thể được sử dụng một cách phổ biến rộng rãi [2] Nhiều thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu và chế tạo ở trong và ngoài nước [3-7] Trên thế giới, người ta chủ yếu sử dụng các tấm pin mặt trời để chuyển hóa quang năng thành các dạng năng lượng khác Các ứng dụng của năng lượng mặt trời rất đa dạng, ví dụ như máy bay hay ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời, trạm xe buýt chiếu sáng tự động, nhà kính trồng nông sản bằng năng lượng mặt trời, thiết bị biến không khí thành nước sạch bằng năng lượng mặt trời [3] Việt Nam tuy có lợi thế về lượng bức xạ mặt trời hàng ngày thuộc loại cao nhưng lại chưa khai thác hiệu quả Những ứng dụng năng lượng mặt trời ở nước ta chủ yếu là do nông dân hoặc các bạn trẻ tự mày mò chế tạo nên Các ứng dụng nổi bật có thể kể đến là xuồng chạy bằng năng lượng mặt trời,
bộ sạc pin điện thoại bằng năng lượng mặt trời, máy ấp trứng bằng năng lượng mặt trời, máy rửa bát bằng năng lượng mặt trời [4-7] Trong bài báo này chúng tôi trình bày việc thử nghiệm chế tạo một máy nước nóng năng lượng mặt trời bằng các vật liệu rẻ tiền, dễ chế tạo từ những vật liệt dễ kiếm nhưng vẫn cho hiệu suất cao như xốp, kính thủy tinh, ông nước Mục đích của nghiên cứu là phổ biến máy nước nóng năng lượng mặt trời tới cộng đồng những người sử dụng có mức sống vừa phải ở Việt Nam Quá trình kiểm tra cho thấy thiết bị hoạt động khá hiệu quả và dễ sử dụng Bài báo gồm những phần sau đây Mục 2 là phần Cơ sở lý thuyết, mô hình và vật liệu Mục 3 là phần Kết quả và thảo luận Phần cuối trình bày các kết luận
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MÔ HÌNH VÀ VẬT LIỆU
Có thể phân loại hệ thống hoạt động của máy nước nóng năng lượng mặt trời theo phương thức vận hành và theo hệ thống gia nhiệt Theo phương thức vận hành bao gồm hai loại
là hệ thống tuần hoàn tự nhiên và hệ thống tuần hoàn cưỡng bức Còn theo hệ thống gia nhiệt bao gồm hệ thống gia nhiệt trực tiếp và hệ thống gia nhiệt gián tiếp Máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thị trường có cấu tạo chung bao gồm ba bộ phận chính: Bộ thu năng lượng mặt trời, bình bảo ôn chứa nước nóng, bộ giá đỡ [8-11] Bộ thu năng lượng mặt trời hiện nay bao gồm hai loại: Loại dùng tấm phẳng hấp thụ nhiệt và loại dùng ống
Trang 3chân không hấp thụ Loại ống chân không hấp thụ được sử dụng nhiều hơn mặc dù có giá thành cao, nhưng là công nghệ mới nên có các đặc điểm nổi bật: hiệu suất thu nhiệt cao hơn, diện tích lắp đặt nhỏ hơn, không bị ăn mòn và có thể phù hợp với mọi loại nước sinh hoạt như nước giếng khoan, nước máy, tránh được hiện tượng đối lưu ngược dẫn đến mât nhiệt của nước trong bình về ban đêm Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý đối lưu nhiệt và bẫy nhiệt lượng: Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bộ thu năng lượng mặt trời với tính năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cao và tỉ lệ phát xạ thấp sẽ hấp thụ bức xạ mặt trời rồi chuyển thành nhiệt năng Nước trong các bộ thu sẽ được đun nóng và tạo thành vòng tuần hoàn đối lưu tự nhiên và sự tuần hoàn này làm cho nước trong bình chứa nóng dần lên Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng mặt trời mà chúng tôi tự chế cũng khá đơn giản và giống với các máy nước nóng năng lượng mặt trời bán trên thị trường Ánh sánh mặt trời xuyên qua hai mặt kính trắng che phủ hộp, lớp kính sơn đen bên trong sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển thành nhiệt năng, làm cho nước trong bể nóng lên Hai tấm kính trong phía trên cho phép tia sáng mặt trời
dễ dàng xuyên qua, bên cạnh đó lớp không khí ở giữa hai lớp kính này sẽ ngăn truyền nhiệt ra bên ngoài Khi nước nóng đến một mức nhất định, lớp nước ử bề mặt trên cùng
sẽ bốc hơi, sau đó sẽ ngưng tụ lại ở mặt kính phía trên, do đó nước trong thùng sẽ không
bị thất thoát
2.1 Vật liệu và giá thành
Vật liệu của máy nước nóng năng lượng mặt trời mô hình được cho trong bảng 1
Bảng 1: Giá thành vật liệu dùng cho mô hình máy nước nóng năng lượng mặt trời
Trang 4Đối với máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thực tế dùng cho một hộ gia đình 4 người
sẽ có bảng vật liệu được cho trong bảng 2
Bảng 2: Giá thành vật liệu cho máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thực tế
lượng
Giá tiền
Máy có cấu tạo hình chữ nhật kích thước 29 × 39 × 29 cm3 Đây chỉ là kích cỡ thiết bị thực nghiệm, trong thực tế, để phục vụ sinh hoạt bể phải có kích thước lớn hơn, vào khoảng
100 × 120 × 40 cm3 tùy vào nhu cầu sử dụng của từng hộ gia đình Dùng thùng xốp để làm lớp vỏ, ngoài ra có thể dùng gỗ Tiếp theo là lớp cách nhiệt làm bằng xốp (hoặc vỏ trấu, hoặc bông cách nhiệt ) Lớp trong cùng là lớp kính sơn đen, để giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng Phía trên là hai lớp kính trắng (cách nhau 3cm) để giữ nhiệt Ngoài ra máy còn có đường ống nước vào, ống nước ra Việc chế tạo mô hình này cũng khá đơn giản, chỉ cần một đến hai ngày là có thể hoàn thành Dưới đây là sơ đồ mô hình máy nước nóng năng lượng mặt trời
(3) Bể kính sơn đen (4) Tấm kính trên
(5) Tấm kính dưới (6) Đường ống nước vào
(7) Đường ống nước ra
Trang 5(a) Sơ đồ mặt cắt mô hình (b) Mô hình thực tế
Hình 1: Cấu tạo mô hình máy nước nóng năng lượng mặt trời
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Với kích cỡ thực nghiệm, một ngày máy có thể cung cấp nước nóng đạt nhiệt độ khoảng
57 đến 61 độ nếu ngày có nắng thường xuyên Vào những ngày nắng to nhiệt độ của nước
có thể lên đến 68 đến 72 độ Và vào những ngày trời hửng nắng thì nhiệt độ khoảng từ
39 đến 42 độ Máy có khả năng lưu trữ nước nóng từ 1 ngày đến 1,5 ngày và lượng nước nóng đủ cho các hoạt động sinh hoạt của gia đình từ 4 đến 5 người Nhiệt độ của nước vào ngày nắng gắt (nắng to) (Ngày Chủ Nhật, 25/9/2016) được cho trong bảng 3
Trang 6(a) (b)
Hình 2: Mô hình máy hoàn chỉnh
Trang 7Bảng 3: Nhiệt độ nước vào ngày nắng gắt.
môi trường
Nhiệt độ nước cấp
Nhiệt độ nước sau máy
Hình 3: Nhiệt độ của nước vào ngày nắng gắt
Nhiệt độ của nước vào ngày nắng thường xuyên nhưng không gắt (Ngày Chủ Nhật, 2/10/2016) được cho trong bảng 4
Bảng 4: Nhiệt độ của nước vào ngày nắng thường xuyên nhưng không gắt
môi trường
Nhiệt độ nước cấp
Nhiệt độ nước sau máy
Trang 8Hình 4: Nhiệt độ của nước vào ngày nắng thường xuyên nhưng không gắt.
Nhiệt độ của nước vào ngày hửng nắng (Ngày Thứ Bảy, 8/10/2016) được cho trong bảng 5
Bảng 5: Nhiệt độ của nước vào ngày hửng nắng
môi trường
Nhiệt độ nước cấp
Nhiệt độ nước sau máy
Trang 9Hình 5: Nhiệt độ của nước vào ngày hửng nắng.
Từ các kết quả trên cho thấy, ở những điều kiện thời tiết có nắng khác nhau máy nước nóng năng lượng mặt trời đều cho hiệu quả cao Với ngày nắng gay gắt, nhiệt độ trung bình là 69, 670C; với ngày nắng thường xuyên nhưng không gay gắt, nhiệt độ trung bình
là 59, 610C; với ngày hửng nắng, nhiệt độ trung bình là 40, 440C Có thể thấy máy nước nóng năng lượng mặt trời tự chế này có các tính năng hơn các sản phẩm bình nước nóng
sử dụng điện, ga Máy an toàn khi sử dụng trong các hộ gia đình, nhất là các gia đình có con nhỏ Hơn nữa máy còn đảm bảo sức khỏe lâu dài, thoải mái tiện lợi khi sử dụng Máy không chiếm không gian trong nhà vì lắp đặt ở ngoài trời cho nên thích hợp cho các hộ gia đình có diện tích nhà nhỏ hẹp Việc lắp đặt ngoài trời còn có tác dụng chống nóng cho các ngôi nhà vì lượng nhiệt sẽ đươc máy hấp thụ để làm nóng nước phục vụ cho các nhu cầu khác của các hộ gia đình Đặc biệt, khi so sánh với các loại máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thị trường, máy nước nóng tự chế này rẻ hơn rất nhiều vì sử dụng các vật liệu rẻ tiền và rất dễ kiếm như xốp, kính thủy tinh.Máy có cấu tạo đơn giản nên bất cứ ai cũng có thể tự lắp đặt Tuy nhiên, hạn chế của máy nước nóng năng lượng mặt trời đó là máy không chỉ hoặt động kém hiệu quả vào những ngày đông lạnh giá mà còn vào những ngày âm u và cả ngày không thấy mặt trời
Trang 104 KẾT LUẬN
Chúng tôi đã chế tạo thành công một máy nước nóng năng lượng mặt trời bằng những vật liệu rẻ tiền, quen thuộc và gần gũi với cuộc sống hằng ngày Thiết bị có kết cấu hợp lý, cách chế tạo đơn giản, tận dụng được các loại vật liệu tại chỗ và sẵn có của thị trường Trong tương lai có thể chế tạo thành sản phẩm thương mại với giá thành khoảng một triệu bốn trăm ngàn đồng Việt Nam, phù hợp với mức thu nhập của đại đa số người dân Việt Nam mà vẫn đạt hiệu quả cao tương đương với các loại máy có sẵn trên thị trường Vào ngày nắng to máy có thể gia nhiệt cao nhất lên đến 440C, thấp nhất là 41.50C; vào ngày nắng thường xuyên máy có thể gia nhiệt cao nhất 350C, thấp nhất là 320C; vào ngày hửng nắng, máy có thể gia nhiệt cao nhất 160C, thấp nhất là 150C Máy nước nóng năng lượng mặt trời được nghiên cứu ở đây chỉ là mô hình có thiết kế đơn giản nhất Trong tương lai máy có có thể cải tiến để có nhiều chức năng hơn như lắp thêm bộ phận chưng cất hơi nước và lọc nước sạch để sử dụng trong sinh hoạt Hoặc là lắp thêm bộ phận thu nhiệt thải từ dàn ngưng máy điều hòa không khí để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất gia nhiệt Hoặc là tận dụng lượng nhiệt dư thừa ở những ngày nắng nóng, biến đổi nhiệt năng thành điện năng, dự trữ vào bình bình ắc quy để sử dụng như nguồn điện thông thường
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Thị Thiện, Nguyễn Thị Hồng Yến, Dương Thị Ái Như, Trần Quỳnh Phương Vấn đề về năng lượng [2/10/2014] SLIDESHARE.NET http://www.slideshare.net/duongainhu/vn-nng-lng.html [Truy cập ngày 3/11/2016] [2] CPC Năng lượng tái tạo - Những thuận lợi và khó khăn https://cpc.vn/home/Ttuc_Detail.aspx?pm=ttuc&sj=TN&id=9547#.WB3lgpCg82w [Truy cập ngày 3/11/2016]
[3] NANGLUONGTIEUDIEM Những ứng dụng độc đáo từ hệ thống điện năng lượng mặt trời http://nangluongtieudiem.com/nhung-ung-dung-doc-dao-tu-he-thong-dien-nang-luong-mat-troi/
[4] Trương Minh Toàn (2010) Nghiên cứu hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có giữ nhiệt.) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng,152-158
[5] Bùi Ngọc Hùng (2013) Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời giá rẻ sử dụng tấm lấy sáng Polycacbonat.) Hội nghị khoa học công nghệ trường lần thứ 13 – Khoa cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Trang 11[6] Bùi Ngọc Hùng (2013) Hệ thống nước nóng hiệu suất cao sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió ) Hội nghị khoa học công nghệ trường lần thứ 13 – Khoa
cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
[7] Nguyễn Văn Anh (ấp Bể Bạc, xã Cẩm Mỹ, Đồng Nai) (2014) Nghiên cứu chế tạo hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình [Truy cập ngày 3/11/2016] [8] SONHA Nguyên lý hoạt động của Máy nước nóng năng lượng mặt trời
http://www.maynuocnongnangluongmattroi.com.vn/vn/tin-tuc/thai-duong-nang/nguyen-ly-hoat-dong-cua-may-nuoc-nong-nang-luong-m_158.html [Truy cập ngày 15/09/2016]
[9] Chi tiết kỹ thuật và cấu tạo của bình nước nóng năng lượng mặt trời BINHNUOC-NONG.VN http://www.binhnuocnong.vn/binh-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi/chi-tiet-ky-thuat-va-cau-tao-cua-binh-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi.html [Truy cập ngày 15/09/2016]
[10] Kim Yến Lịch sử của máy nước nóng năng lượng mặt trời [2/5/2010] ASHUI.COM http://www.ashui.com/mag/congnghe/congnghemoi/2639-lich-su-cua-may-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi.html [Truy cập ngày 15/09/2016]
[11] Thanh Xuân Hiểu và sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời đúng cách [23/09/2015] VNEEP) http://tietkiemnangluong.com.vn/tin-tuc/pho-bien-kien-thuc/t17679/hieu-va-su-dung-may-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi-dung-cach.html [Truy cập ngày 15/09/2016]
LÊ PHƯỚC TRÍ - NGUYỄN PHƯỚC HẬU
ĐOÀN THỊ XUÂN LOAN - NGUYỄN NỮ HOÀNG ANH
SV lớp VLTT4, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế ĐT: 0165 962 2762, Email: lephuoctri2306@gmail.com
