Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trườngMỞ ĐẦU Năng lượng mặt trời NLMT là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm.. Tây Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có h

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

MỤC LỤC

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục bảng

Danh mục hình

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13

1.1 NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13

1.1.1 Bức xạ mặt trời 13

1.1.1.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển 14

1.1.1.2 Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất 19

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời 24

1.2 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25

1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời 25

1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 27

1.2.3 Các hệ thống năng lượng mặt trời hội tụ (Concentrating solar power - CSP) 34

1.2.4 Công nghê ̣ Quang điê ̣n (Photovoltaics - PV) 36

1.2.5 Công nghệ nhiê ̣t mă ̣t trời nhiê ̣t đô ̣ thấp 36

1.3 CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 37

1.3.1 Hiệu ứng nhà kính và một số ứng dụng 37

1.3.1.1 Hiệu ứng nhà kính 37

1.3.1.2 Một số ứng dụng hiệu ứng nhà kính trong công nghệ năng lượng mặt trời 39

1.3.2 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 46

1.3.2.1 Nguyên lý chung 46

1.3.2.2 Cấu tạo của hệ thống thiết bị đun nước nóng năng lượng mặt trời 47

1.3.2.3 Chu trình đối lưu tự nhiên và chu trình đối lưu cưỡng bức 50

1.3.2.4 Các loại bộ thu nước nóng năng lượng mặt trời 52

1.4 TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA VIỆT NAM 61

1.4.1 Tiềm năng năng lượng mă ̣t trời của Viê ̣t Nam 61

1.4.2 Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời 65

1.4.2 Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời 67

1.4.4 Các ứng dụng khác 69

1.5 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 69

1.5.1 Đặc điểm không ổn định của năng lượng mặt trời 69

1.5.2 Đối với các ứng dụng nhiệt mặt trời 70

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

1.5.3 Đối với điện mă ̣t trời 71

1.6 TÍNH KINH TẾ VÀ TRIỂN VỌNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 71

1.6.1 Tính kinh tế 71

1.6.2 Triển vọng năng lượng mặt trời 72

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 75 2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 75

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 77

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 77

2.3.1 Các phương pháp nghiên cứu thông dụng 77

2.3.2 Thu thập số liệu tự động SWH Data logger 78

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 83

3.1 TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI 83

3.2.1 Các đặc thù của Hà Nội 83

3.1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Hà Nội 83

3.2 HIỆN TRẠNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI 85

3.2.1 Hiện trạng nghiên cứu 85

3.2.2 Công suất lắp đặt 86

3.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 92

3.3.1 Kết quả thí nghiệm về nhiệt độ (đầu vào và ra) và lượng nước sử dụng 92

3.3.1.1 Nhiệt độ trung bình nước lạnh vào và nước nóng ra 92

3.3.2.2 Lượng nước nóng sử dụng, thời gian sử dụng nước nóng 93

3.3.2 Các kết quả tính toán về tiết kiệm chi phí, năng lượng và môi trường của thiết bị đun nước nóng mặt trời 98

3.3.2.1 Tiết kiệm về điện năng 98

3.3.2.2 Lượng phát thải CO2 giảm được 99

3.3.2.3 Lượng phát thải SO2 giảm được 100

3.3.2.4 Giảm phát thải bụi 102

3.4 MỘT SỐ GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

KẾT LUẬN 109

KIẾN NGHỊ: 109

Tài liệu tham khảo 111

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Danh mục các từ viết tắt

CN NLMT Công nghệ năng lượng mặt trời

CTMTQG Chương trình Mục tiêu Quốc gia

TTNLM Trung tâm Năng lượng mới

Wp Công suất nhiệt tiêu chuẩn (Watt - peak)

Wth Công suất nhiệt (Watt - thermal)

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Các giá trị δ, n tương ứng theo ngày 16

Bảng 1.2 Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng 17

Bảng 1.3 Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1MWp) 29

Bảng 1.4 Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã lắp đặt tại một số nước 30

Bảng 1.5 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW) 31

Bảng 1.6 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới 32

Bảng 1.7 Các nhà máy CSP đang hoạt động 35

Bảng 1.8 Kết quả kiểm tra thành phần nước trước và sau khi chưng cất 43

Bảng 1.9 Một số thông số về nhiệt độ của bếp trong quá trình sử dụng 45

Bảng 1.10 Tính chất của một số vật liệu dùng làm tấm phủ trong suốt 49

Bảng 1.11 Năng lượng mặt trời trên các vùng lãnh thổ Viê ̣t Nam 61

Bảng 1.12 Số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại một số địa phương 63

Bảng 1.13 Lộ trình phát triến nước nóng mặt trời 68

Bảng 2.1 Lắp đặt các hệ thí nghiệm sử dụng thiết bị ĐNNMT 75

Bảng 3.1 Lượng tổng xạ cả ngày trung bình Qtb (đơn vị: kWh/m2.ngày) 84

Bảng 3.2 Lượng tán xạ cả ngày trung bình Dtb (đơn vị: kWh/m2.ngày) 84

Bảng 3.3 Lượng trực xạ cả ngày trung bình Itb (đơn vị: kWh/m2.ngày) 84

Bảng 3.4 Số giờ nắng cả ngày trung bình (lý thuyết) N (đơn vị: giờ/ngày) 84

Bảng 3.5 Số thiết bị nước nóng mặt trời 87

Bản 3.6 Tỷ lệ tham gia của các quận/huyện 88

Bảng 3.7 Số thiết bị, tổng dung tích bình chứa và tỷ lệ tăng trưởng hàng năm 91

Bảng 3.8 Nhiệt độ trung bình nước vào và ra, lượng nước nóng sử dụng trung bình hàng ngày và lượng năng lượng tiết kiệm của các hộ thí nghiệm 92

Bảng 3.9 Múc phí đối với các khí thải gây ô nhiễm môi trường 101

Bảng 3.10 Tổng hợp kết quả tiết kiệm điện và lợi ích môi trường của thiết bị ĐNNMT 103

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Danh mục hình

Hình 1.1 Quang phổ của bức xạ mặt trời 19

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính 38

Hình 1.3 Thiết bị sấy nông sản năng lượng mặt trời 40

Hình 1.4 Thiết bị đun nước nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trường 41

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước 42

Hình 1.6 Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển lắp tại Bình Đại, Bến Tre (gồm 3 modul, mỗi modul có diện tích đón nắng 4m2) 44

Hình 1.7 Sơ đồ bếp mặt trời 44

Hình 1.8 Cấu tạo của một collecctor 48

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo bề mặt hấp thụ 50

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của bình nước nóng dạng ống chân không 50

Hình 1.11 Sơ đồ vòng đối lưu tự nhiên của nước trong bộ thu NLMT 51

Hình 1.12 Vòng đối lưu tự nhiên trong bộ thu tấm - ống 51

Hình 1.13 Hệ thống bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu cưỡng bức 52

Hình 1.14 Bộ thu hộp kim loại vừa hấp thụ NLMT vừa là bình chứa (thiết kế của Trung tâm Năng lượng mới, ĐHBKHN) 53

Hình 1.15 Bộ thu kiểu tấm - ống (Hệ ĐNNMT 200 lít dùng cho gia đình) 54

Hình 1.16 Các bộ thu kiểu cánh - ống 55

Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân không 56

Hình 1.18 Bộ thu loại ống nhiệt (ảnh trái) và các ống nhiệt (hình phải) 57

Hình 1.19 Cấu tạo tiết diện ngang ống nhiệt (bên trái) và ống nhiệt (bên phải) 58

Hình 1.20 Cấu tạo ống nhiệt thuỷ tinh chân không với ống kim loại chữ U 59

Hình 1.21 Sơ đồ hệ thống bộ thu ĐNNMT cho nhiệt độ thấp lắp cố định trên mái nhà 60

Hình 1.22 Các bộ thu hội tụ máng và gương parabol 60

Hình 1.23 Sự biến đổi của cường độ bức xạ mặt trời theo thời gian trong ngày 64

Hình 2.1 Thiết bị ĐNNMT được lắp đặt tại hiện trường 76

Hình 2.2 Cấu tạo bên ngoài và các cổng tín hiệu của bộ thu thập số liệu tự động 79

Hình 2.3 Cấu tạo bên trong, bo mạch chính và nguồn nuôi của bộ thu thập số liệu tự động 79

Hình 2.4 Hệ đo và thu thập số liệu sau khi lắp đặt 80

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Hình 2.5 Giao diện kết nối với máy vi tính của SWH Data logger 81

Hình 2.6 Kết quả đo được lưu lại dưới dạng file excel 81

Hình 3.1 Biểu đồ tỷ lệ tham gia lắp đặt và sử dụng thiết bị ĐNNMT của các quận/huyện 90

Hình 3.2 Biểu đồ tăng trưởng hàng năm của thiết bị ĐNNMT (từ 2008 - 2010) 91

Hình 3.3 Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Cô Yến 94

Hình 3.4 Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Ông Thịnh 95

Hình 3.5 Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) nhà Ông Hội 95

Hình 3.6 Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) Nhà Ông Lam 96

Hình 3.7 Nhiệt độ nước và lượng nước sử dụng (a và b) Trung tâm Năng lượng mới 97

Hình 3.8 EVN triển khai chương trình quảng bá sử dụng bình nước nóng năng lượng mặt trời 107

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

MỞ ĐẦU

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm Sử dụng NLMT hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất trong khi các nguồn nguyên nhiên liệu hóa thạch đang dầu bị cạn kiệt Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao Bước vào thế kỷ 21, công nghệ sử dụng NLMT đang có xu hướng phát triển mạnh Hiện nay, nhiều nước đã đầu tư rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT, Nhật Bản và Đức là hai quốc gia đứng đầu thế giới về ngành công nghiệp này Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống đun nước nóng bằng NLMT đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Đến nay, Trung Quốc đã lắp đặt nhiều hệ thống ĐNNMT, tương đương với 10,5GWth và đang là quốc gia dẫn đầu thế giới, chiến 60% tổng công suất lắp đặt của toàn thế giới

Các chương trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang được mở rộng trên thế giới Tây Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có hiệu lực từ năm 2006, bắt buộc các tòa nhà mới xây phải lắp đặt trên mái nhà hệ thống pin mặt trời, hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (ĐNNMT), đặc biệt các Trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng, khác sạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nước nóng từ NLMT phải đáp ứng được từ 30 - 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng khí hậu cụ thể Ở Cape Town (Nam Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mới phải lắp đặt hệ thống ĐNNMT nhằm đảm bảo 30 - 50% nhu cầu sử dụng hàng ngày…

Việt Nam đã xây dựng trên 100 trạm quan trắc để theo dõi các dữ liệu về NLMT trên khắp lãnh thổ Việt Nam Những số liệu quan trắc của các trạm cho thấy, năng lượng bức xạ trung bình trên cả nước mỗi ngày từ 4 - 6kWh/m2 Tiềm năng sử dụng NLMT ở hầu khắp mọi vùng trong cả nước

Đối với mỗi hộ gia đình riêng việc đun nước nóng cho sinh hoạt bình quân sinh

ra khoảng 30% tổng lượng khí thải CO2 của cả hộ gia đình tạo ra Thông qua lắp đặt

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

thiết bị ĐNNMT, thiết bị có khả năng cung cấp khoảng 80% nhu cầu năng lượng cần thiết của chúng ta để đun nước nóng Theo ước tính, cả nước hiện có khoảng 2,5 triệu bình đun nước nóng bằng điện có công suất trong khoảng 2 - 5kW, hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 tỷ kWh điện năng và sẽ tăng nhanh theo tốc độ xây dựng nhà ở, dịch vụ và

du lịch Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trường đầy tiềm năng đối với thiết

bị bình ĐNNMT

Việt Nam có nhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng NLMT Trong đó, hiệu quả nhất là sử dụng NLMT vào đun nước nóng, đặc biệt ở khu vực thành thị, nơi người dân có đời sống cao và có điều kiện sử dụng dịch vụ Cho đến nay mặc dù khẳng định rằng sử dụng NLMT thay cho việc sử dụng điện để đun nước nóng (chủ yếu cho sinh hoạt gia đình) là tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh

tế và môi trường, tuy nhiên vẫn chưa có một công trình thực nghiệm nào (ít nhất là ở Việt Nam) đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó Các số liệu về tiết kiệm năng lượng, kinh tế của thiết bị ĐNNMT đã cho trên các tài liệu, tạp chí, trên các phương tiện truyền thông… đều chỉ là các con số ước tính “lý thuyết”, độ tin cậy không cao

Việc phát triển hệ thống ĐNNMT đang gặp một số thách thức khó khăn như: chưa có chiến lược, chính sách về tiết kiệm năng lượng; sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu và phát triển cũng như đầu tư về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất, ứng dụng thiết bị ĐNNMT còn hạn chế; những điều kiện triển khai sử dụng thiết bị cho từng khu vực cụ thể; sự không đồng bộ giữa thiết kế bình ĐNNMT và các công trình xây dựng; giá thành của thiết bị ĐNNMT còn cao hơn so với sử dụng thiết

bị truyền thống; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chưa được phổ biến rộng rãi đến người tiêu dùng…

Do vậy, cần có những nghiên cứu chi tiết, cụ thể về hiện trạng sử dụng, những điều kiện áp dụng, triển khai, phát triển sử dụng các thiết bị ĐNNMT Tính toán, đánh giá, phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trường làm cơ sở cho việc phát triển thị trường và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị ĐNNMT

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Xuất phát từ những thực tiễn nêu trên, với sự hỗ trợ của Văn phòng tiết kiệm năng lượng (Bộ Công Thương) và Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới (Đại học Bách khoa Hà Nội), trong khuôn khổ một luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường, tác

giả tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng bằng

năng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt” được đặt ra với mục đích tìm hiểu những

điều kiện cơ bản để triển khai, lắp đặt thiết bị nước nóng mặt trời, tính toán hiệu quả

về mặt tiết kiệm điện năng, kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị nước nóng mặt trời dựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm Từ đó, kiến nghị các giải pháp phát triển sử dụng các thiết bị đun nước nóng mặt trời ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung

Các nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu những đặc điểm kỹ thuật của thiết bị ĐNNMT, những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị

- Nghiên cứu, đánh giá các tiềm năng, đặc thù của Hà Nội trong sử dụng thiết bị ĐNNMT

- Điều tra, đánh giá hiện trạng sử dụng thiết bị ĐNNMT tại Hà Nội

- Tiến hành thực nghiệm lắp đặt 05 hệ thống ĐNNMT có các bộ đo ghi tự động;

đo đạc, thu thập, xử lý số liệu và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng, hiệu quả kinh

tế và môi trường của của các hệ thống

- Đề xuất một số giải pháp phát triển sử dụng thiết bị ĐNNMT phục vụ sinh hoạt Việc thực hiện đề tài nhằm giải đáp các câu hỏi nêu trên với những phân tích đầy

đủ bài toán kinh tế môi trường của việc sử dụng thiết bị ĐNNMT cho người dân thành phố Hà Nội

Hiện nay, các giải pháp công nghệ thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng đang được quan tâm, đầu tư nghiên cứu Trong đó, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp cứu cánh cho thách thức khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu toàn cầu, là một mũi tên nhằm tới hai mục tiêu của sự phát triển bền vững

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Sử dụng năng lượng tái tạo là xu hướng được chọn lựa chọn để phát triển nguồn năng lượng mới cho thế kỷ 21

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

CÁC CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Bức xạ mặt trời

Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km

và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt trời sẽ thôi không tồn tại nữa Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, vào khoảng 1,991.1030

kg, nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn Bên cạnh

sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời

là sự phân bố khối lượng rất không đồng đều Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3 [1]

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã trình bày ở trên Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant) Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2

đặt bên ngoài bầu khí quyển

và thẳng góc với tia tới Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị

cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2

[1]

Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H Đơn vị của G là W/m2, đơn vị

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

của I và H là J/m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ

và ngày Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn

1.1.1.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển

Nói chung, BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar Radiation) có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phương rất rõ ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát Các khảo sát thực tế cho thấy - về mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ Có 2 lý

do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất Các nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ gây ảnh hưởng tối đa không quá

±1,5% , còn lý do thứ hai có thể gây ảnh hưởng đến ±3% Tuy vậy, do nhiều nguyên nhân khác nhau, đặc biệt là do sự khó khăn và phức tạp của hiện tượng, các kết quả nghiên cứu về mức độ gây ảnh hưởng của lý do thứ nhất không hoàn toàn giống nhau Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển Gọi Gon là lượng BXMT đến một mặt phẳng có diện tích 1m2 đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở bên ngoài bầu khí quyển, ta có:

Go = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosθZ (2)

Trong đó, θ là góc tới của tia trực xạ (là góc hợp bởi tia trực xạ và pháp tuyến của bề mặt khảo sát); θz là góc tới đối với các bề mặt ngang

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Gọi Ho (J/m2) là lượng BXMT đến mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày, ta viết được:

Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dω

Trong các biểu thức trên, t có đơn vị là giây, ω có đơn vị là độ và biến đổi trong khoảng từ -ωS cho đến +ωS (trong đó ω mang dấu âm nếu trước giờ trưa và mang dấu dương nếu sau giờ trưa), tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn Sau khi

có giá trị gần nhất so với giá trị bức xạ trung bình của tháng đó Bảng 1.1 dưới đây

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

trình bày cụ thể ngày điển hình của mỗi tháng (do Klein đề nghị) và các giá trị δ, n tương ứng

Bảng 1.1 Các giá trị δ, n tương ứng theo ngày

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

khi cần xác định lượng BXMT trong một khoảng thời gian bất kỳ, có thể thay đổi các cận của dấu tích phân sao cho hiệu số ω2 - ω1 đúng bằng khoảng thời gian khảo sát Các tia BXMT về nguyên tắc có bước sóng  gần như là từ 0 cho đến  Tuy nhiên, do cường độ các tia BXMT phân bố rất không đồng đều theo bước sóng và do phần lớn các tia BXMT tập trung trong vùng có bước sóng ngắn, cho nên thực tế chỉ quan tâm đến các tia bức xạ có bước sóng  trong khoảng từ 0,24m đến 50m Cường độ của các tia bức xạ có bước sóng  < 0,24m và  > 50m thật sự không đáng kể [1]

Quang phổ của BXMT được trình bày trên hình 1.1; Số liệu về sự phân bố BXMT theo bước sóng được đưa ra trong bảng 1.2, trong đó:

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

0,32 830 0,0222 0,55 1725 0,2938 2,6 48 0,9667 0,33 1059 0,0293 0,56 1695 0,3065 2,8 39 0,9731 0,34 1074 0,0372 0,57 1712 0,3191 3,0 31 0,9783 0,35 1093 0,0452 0,58 1715 0,3318 3,2 22,6 0,9822 0.36 1068 0,0532 0,59 1700 0,3444 3,4 16,6 0,9850 0,37 1181 0,0615 0,60 1666 0,3568 3,6 13,5 0,9872 0,38 1120 0,0700 0,62 1602 0,3810 3,8 11,1 0,9891 0,39 1098 0,0782 0,64 1544 0,4042 4,0 9,5 0,9906 0,40 1429 0,0873 0,66 1486 0,4266 4,5 5,9 0,9934 0,41 1751 0,0992 0,68 1427 0,4481 5,0 3,8 0,9951 0,42 1747 0,1122 0,70 1369 0,4688 6,0 1,8 0,9972 0,43 1639 0,1247 0,72 1314 0,4886 7,0 1,0 0,9982 0,44 1810 0,1373 0,75 1235 0,5169 8,0 0,59 0,9988 0,45 2006 0,1514 0,80 1109 0,5602 10,0 0,24 0,9994

0,46 2066 0,1665 0,90 891 0,6337 50,0 3,9.10

-41,0000

Nguồn: [1]

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

có bước sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bước sóng vượt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được nữa (tuy nhiên, ở vùng lân cận bước sóng 0,6m thì ôzôn vẫn còn khả năng hấp thụ một ít) Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại Đặc biệt, ở trong vùng lân cận các bước sóng 1m, 1,4m và 1,8m thì khả năng hấp thụ các tia hồng ngoại của hơi nước rất mạnh Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường

độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại,

có thể nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến được bề mặt Trái đất (trong vùng này, các tia hồng ngoại không chỉ bị hấp thụ bởi hơi nước mà còn bởi khí

CO2) Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức

xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng Kết quả của

Cường độ bức xạ đơn sắc, W/m 2

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 0

400 800 1200 1600 2000 2400

Bước sóng ,m 2

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

các hiện tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng giảm Một cách tổng quát, người ta xem lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển (Terrestrial Solar Radiation hay Total Solar Radiation) để đến một bề mặt khảo sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ (Beam Radiation) và khuếch tán (Diffuse Radiation) Thành phần trực xạ có phương rõ ràng, đó là đường thẳng nối

từ mặt trời đến địa điểm khảo sát Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc xác định phương hướng và cường độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp

Các khảo sát cho thấy, vào những ngày bầu trời trong sáng, do sự hấp thụ bởi các phân tử ôxy và ôzôn có trong bầu khí quyển ở tầm cao, bước sóng nhỏ nhất của các tia bức xạ đến bề mặt Trái đất chỉ vào khoảng 0,29m Sự suy giảm cường độ các tia bức

xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất trong trường hợp này là do ba nguyên nhân sau đây:

- Sự hấp thụ có tính chọn lọc theo bước sóng bởi hơi nước, các phân tử ôxy, ôzôn

và CO2

- Sự phân tán Rayleigh bởi các phân tử của các loại chất khí và các hạt bụi lơ lửng có trong bầu khí quyển (kích thước của các thành phần này rất nhỏ so với bước sóng của các tia bức xạ), kết quả của sự phân tán này là có khoảng phân nửa các tia bức xạ bị phân tán quay trở lại không gian, khoảng phân nửa còn lại đến bề mặt đất theo rất nhiều phương khác nhau

- Sự phân tán Mie (trong trường hợp này kích thước của các thành phần làm phân tán các tia bức xạ lớn hơn bước sóng của tia bức xạ) làm một phần các tia bức xạ bị đổi hướng và một phần khác bị chính các thành phần này hấp thụ

Vào những ngày có mây mù, cường độ của các tia trực xạ bị giảm đi đáng kể Các quan sát thực tế cho thấy, một bộ phận các tia bức xạ sẽ bị phản xạ ngược vào không gian do các đám mây mù, một bộ phận khác bị các đám mây mù hấp thụ và bộ phận còn lại sẽ đi đến mặt đất với tính chất của các tia khuếch tán

Ta gọi tỉ lệ giữa tổng các tia bức xạ bị phản xạ ngược trở lại không gian do nhiều nguyên nhân khác nhau (do mây mù, do mặt đất, do bụi và các chất khí có trong bầu

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

khí quyển) và tổng các tia bức xạ đến toàn bộ Trái đất là Albedo của hệ thống khí quyển - mặt đất, giá trị của Albedo vào khoảng 30%

Để đơn giản hóa việc xác định các đại lượng đặc trưng của thành phần khuếch tán, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch tán phân bố đồng đều trong khắp bầu trời Giả thiết này hầu như chỉ phù hợp trong trường hợp bầu trời có sương mù, hoặc bị che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời Vào những ngày trời trong (Clear Sky), hầu hết những tia bức xạ khuếch tán có phương gần giống với phương của tia trực xạ

a) Xác định cường độ bức xạ tổng đến bề mặt nghiêng

Gọi:

G, GT - cường độ bức xạ tổng đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát

Gb, GbT - cường độ tia trực xạ đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát

Gd, GdT - cường độ thành phần khuếch tán đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng đang khảo sát

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Rb = GbT/Gb = Cosθ/CosθZ (10)

Bên cạnh thành phần khuếch tán do bầu trời, còn có thành phần phản xạ do bề mặt đất, thành phần này có giá trị khá đáng kể ở những nơi bề mặt đất bị tuyết phủ Liu và Jordan xem thành phần này như lượng bức xạ tổng đi đến một bề mặt nghiêng bất kỳ bao gồm ba thành phần là thành phần trực xạ, thành phần khuếch tán bầu trời và thành phần phản xạ từ mặt đất

Gọi  là góc nghiêng của bề mặt nghiêng đang khảo sát, giá trị (1+Cos)/2 được hiểu là hệ số nhìn bầu trời (View Factor to the Sky) và giá trị (1-Cos)/2 được hiểu là

hệ số nhìn mặt đất (View Factor to the Ground) của bề mặt nghiêng này ta có:

GT = GbRb + Gd.(1+Cos)/2 + (Gd + Gb)..(1-Cos)/2 (11)

Trong đó  là hệ số phản xạ của mặt đất, Liu và Jordan đề nghị lấy  = 0,2 đối với bề mặt đất không có tuyết phủ và lấy  = 0,7 đối với bề mặt đất có tuyết phủ Kết hợp các biểu thức (4), (6) và (11), ta có:

R = (Gb/G).Rb + (Gd/G).(1+Cos)/2 + .(1-Cos)/2 (12)

b) Lượng hóa mức độ trong sáng của bầu trời

Theo những giả thiết đã nêu về sự phân bố và hướng của tia khuếch tán, vào những ngày bầu trời trong sáng ta xem như R = Rb, còn vào những ngày bầu trời bị mây và sương mù ta xem như Rd = 1 Rõ ràng, mức độ khuếch tán và hấp thụ các tia bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian do trạng thái và đặc điểm của bầu khí quyển không hoàn toàn ổn định Chính vì vậy ta cần phải chuẩn hóa khái niệm trong sáng của bầu trời Gọi b là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ, ta có:

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

kS = 0,2711 + 0,01858.(2,5 – A)2 (16)

trong đó:

A - độ cao của người quan sát, km;

Gb - thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn đến 1m2 bề mặt nằm ngang

Công thức (13) sử dụng được cho bất kỳ giá trị nào của θZ ứng với độ cao khảo sát nhỏ hơn 2,5km Nếu vị trí khảo sát thuộc vùng nhiệt đới thì nên nhân thêm hệ số hiệu chỉnh, cụ thể:

bề mặt nằm ngang, Liu và Jordan đã đề nghị cách xác định hệ số xuyên qua bầu khí quyển d của các tia khuếch tán ứng với bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn như sau:

Cần phải xác định rõ, việc xác định cường độ bức xạ mặt trời đến trên mặt đất là bài toán không hề đơn giản Nói chung, tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể tìm kiếm phương pháp thích hợp Thông thường, trong các thí nghiệm khoa học người ta thường phải trực tiếp đo cường độ bức xạ mặt trời, còn trong các nghiên cứu

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

đánh giá tiềm năng người ta thường phải xây dựng phương pháp mô phỏng dựa trên các cơ sở dữ liệu đã có

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời

NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến

tố sự sống trên trái đất

Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo

ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời Công suất bức xạ của mặt trời

là 3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tương ứng với năng lượng đốt cháy hết 6.106

tấn than đá

Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ) mật độ NLMT là 1.353W/m2 Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất (chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán

xạ bởi các phân tử khí, hơi nước của lớp khí quyển Vì vật trên bề mặt trái đất, mật

độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2 Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất Ở đâu cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này

Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10-10m đến

1014m, trong đó mắt người có thể nhận biết được giải sóng có bước sóng từ 0,4 đến 0,7m và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến) Vùng bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn 0,4m được gọi là vùng sóng tử ngoại Còn vùng có bước sóng lớn hơn 0,7m được gọi là vùng hồng ngoại Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là nguồn năng lượng sạch

Các thành phần của BXMT trên mặt đất:

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Ngoài lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần Đó là các tia

mă ̣t trời đi thẳng phát ra từ mặt trời Nhưng khi tới mă ̣t đất, do các hiê ̣n tượng tán xa ̣ trong lớp khí quyển quả đất, bức xa ̣ mă ̣t trời bi ̣ biến đổi và gồm 3 thành phần:

(1)- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất Nhờ các tia trực xa ̣ này mà ta có thể nhìn thấy mă ̣t trời;

(2)- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương trên bầu trời do hiê ̣n tường tán xa ̣ của tia mă ̣t trời trên các phân tử khí , hơi nước, các hạt bụi,… Nhờ các tia tán xa ̣ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả những ngày mây mù, không thể nhìn thấy mă ̣t trời, ở trong nhà, dưới bóng cây,…;

Tổng hai thành phần trên được go ̣i là tổng xa ̣ của bức xa ̣ mă ̣t trời ở mă ̣t đất Các Trạm Khí tươ ̣ng thường đo các thành phần này nhiều lần trong mô ̣t ngày và liên tu ̣c trong nhiều năm để có số liê ̣u đánh giá tiềm năng NLMT

Tỷ lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và tra ̣ng thái thời tiết của đi ̣a điểm và thời điểm quan sát hay đo đa ̣c Ví dụ ở nước ta, trong các tháng mùa Hè , từ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm

ưu thế (trên 50%), còn trong mùa Đông , từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần tán xạ lại chiếm ưu thế

(3)- Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT , nó phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới Thành phần này chỉ được phân biê ̣t khi thiết kế , tính toán các bộ thu NLMT Trong trường hợp chung nó là mô ̣t phần rất nhỏ trong thành phần bức xa ̣ tán xa ̣

1.2 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời

NLMT trung bình trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2

hay từ 3,5 đến 7,0kWh/m2 ngày

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử du ̣ng bằng các phương pháp tự nhiên, trực tiếp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vâ ̣t du ̣ng; nông, lâm, hải sản; sưởi ấm…) Tuy nhiên cách sử du ̣ng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiê ̣u quả thấp và hoàn toàn thụ động

NLMT có thể sử du ̣ng dưới da ̣ng nhiê ̣t hay biến đổi thành đ iê ̣n Điê ̣n từ mă ̣t trời

là dạng điê ̣n năng được ta ̣o ra khi biến đổi NLMT thành điê ̣n năng nhờ hiê ̣u ứng quang điê ̣n (photovoltaic effect, viết tắt PV) mô ̣t cách trực tiếp , hoă ̣c nhờ các hê ̣ thống nhiê ̣t điê ̣n thông qua hiê ̣u ứng hô ̣i tu ̣ tia mă ̣t trời (concentrated solar power , CSP) mô ̣t cách gián tiếp Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ t hống

“dõi theo mă ̣t trời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời vào mô ̣t diê ̣n tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hô ̣i tu ̣) Nguồn nhiê ̣t hô ̣i tu ̣ này sau đó được sử du ̣ng để phát điê ̣n Các hệ thống này gọi là hê ̣ nhiê ̣t điê ̣n mă ̣t trời Còn các

hê ̣ thống PV biến đổ i ánh sáng thành điê ̣n năng khi dùng hiê ̣u ứng quang điê ̣n được gọi là hệ thống điện PV

Ứng dụng quan trọng đầu tiên của pin mặt trời là nguồn dự phòng (back-up) cho về tinh nhân ta ̣o Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyề n tín hiê ̣u về quả đất hơn mô ̣t năm sau khi nguồn ắc qui điê ̣n hóa đã bi ̣ kiê ̣t Sự hoa ̣t đô ̣ng thành công này của pin mặt trời trên vê ̣ tinh đã được lă ̣p la ̣i trong nhiều về tinh khác của Liên Xô và

Mỹ Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử du ̣ng riêng cho về tinh PV đã có mô ̣t vai trò rất quan tro ̣ng công nghê ̣ vê ̣ tinh thương ma ̣i và

nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thong ngày nay

Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai thác NLMT một cách hiệu quả và chủ động hơn nhờ các công nghệ hiện đại

Nhà máy nhiệt điện mặt trời thương ma ̣i đầu tiên được xây dựng trong những năm 1980 Nhà máy có công su ất lớn nhất là 354MW xây dựng ta ̣i Sa ma ̣c Mojave ở California (Mỹ) Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol (100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha [4]

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Những phát triển giai đoa ̣n đầu của công nghê ̣ năng lượng mă ̣t t rời (CN NLMT) bắt đầu trong những năm thâ ̣p niên 1980 đã được kích thích bởi sự kiê ̣n rằng than sẽ không lâu nữa sẽ bi ̣ ca ̣n kiê ̣t Tuy nhiên sự phát triển của CN NLMT sau đó bi ̣ châ ̣m lại vào thời gian đầu của thế kỷ 20 do phải đối mă ̣t với các vấn đề về giá , tính kinh tế

và tính tiện dụng của than và dầu Năm 1974 người ta đã ước tính rằng chỉ có 6 hô ̣ ở tất cả khu vực Bắc Mỹ sử du ̣ng hoàn toàn năng lượng cho sưởi ấm và làm la ̣nh nhờ các

hê ̣ thống thiết bi ̣ NLMT Sự cấm vâ ̣n dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng lượng năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên pha ̣m vi thế giới và CN NLMT lại được quan tâm thúc đẩy phát triển Chiến lươ ̣c triển khai tâ ̣p trung vào các chương trình tăng tốc như Chương trình sử dụng PV Liên Bang ở Mỹ , Chương trình NLMT ở Nhâ ̣t Các cố gắng khác gồm có sự xây dựng các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ (SERI, nay là NREL), Nhật (NEDO), và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) Giữa các năm 1970 và 1983 các lắp đặt PV tăng rất nhanh , nhưng đầu những năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhi ̣p đô ̣ phát triển của PV từ 1984 đến 1996 Từ 1997, sự phát triển của PV la ̣i được gia tốc do các vấn đề khó khăn về cung cấp dầu và khí, do sự nóng lên của quả đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV , dẫn đến tính tính tế của PV trở nên tốt hơn Sản xuất PV tăng trung bình 40%/năm từ năm

2000 và cô ng suấ t lắp đặt đã đa ̣t đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào năm 2008 Năm 2010 các nhà máy điện PV lớn nhất trên thế giới là Sania Power plant

ở Canada

1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghiên cứu và đang ứng dụng thành công nguồn NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT diễn ra rất sôi nổi Hàng năm, các tiểu bang ở miền đông đều mở hội nghị về năng lượng xanh với mục đích giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh nhỏ

Ở Pháp, từ những năm của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc giải quyết thiếu hụt năng lượng cho quốc gia phát triển Họ đã thành công trong việc

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT thành điện năng cung ứng cho các làng xã

có quy mô 1.000 hộ Nhờ đó, một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã thừa hưởng thành tựu này vì dễ lắp ráp và chi phí tương đối rẻ

Đan Mạch được cho là quốc gia sử dụng năng lượng hiệu quả nhất thế giới Ở Đan Mạch, ước tính có tới 30% các hộ sử dụng tấm thu NLMT Đan Mạch là nước đầu tiên triển khai cơ chế buộc các nhà máy điện lớn phải mua điện xanh từ các địa phương với giá cao (Feed - in tariff - FIT) Với cơ chế này, các địa phương hào hứng sản xuất điện xanh Mô hình đã được 30 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật Bản… Đức trở thành nước dẫn đầu thi ̣ trường PV thế giới (chiến 45%) kể từ khi điều chỉnh lại hệ thống giá điện (Feed-in tariff) như là mô ̣t phầ n của Chương trình “Hành

đô ̣ng nguồn năng lượng tái ta ̣o” (Renewable Energy Sources Act ) Công suất lắp đă ̣t

PV đã tăng từ 100MW năm 2000 lên gần 4150MW vào cuối năm 2007 (bảng 1.5) Sau năm 2007, Tây Ban Nha trở thành nước có sự phát triển sôi động nhất Các nước Pháp, Italy, Hàn Quốc và Mỹ cũng đã tăng công suất lắp đặt lên rất nhanh trong các năm mới đây nhờ các chương trình kích thích và các điều kiê ̣n thi ̣ trường đi ̣a phương Các nghiên cứu mới đây đã cho thấ y rằng , thị trường PV thế giới được dự báo vượt quá 16GW vào năm 2010

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Bảng 1.3 Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn

(công suất trên 1MW p )

Nguồn: D Lenardic và R Hug, 2007

Ở Trung Quốc, sự hưởng ứng mang tính tự phát của người dân trong việc lắp đặt các tấm thu NLMT cũng đang đưa nước này vượt qua Đức trở thành thị trường tấm

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

thu NLMT lớn nhất thế giới Trung Quốc cũng đã ban hành luật năng lượng tái tạo (năm 2005), tạo cơ sở cho các hoạt động về dạng năng lượng này trở nên sôi nổi hơn Cho tới cuối năm 2005, tổng công suất lắp đặt các hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth, trong đó phần lớn được lắp đặt ở Trung Quốc và các nước thuộc khối EU Đặc biệt trong những năm gần đây, tốc độ lắp đặt các hệ thống nước nóng NLMT ở các nước đứng đầu trong bảng 1.4 dưới đây gia tăng rất đáng kể (1m2 collector có thể được qui đổi thành 0,7kWth)

Bảng 1.4 Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Bảng 1.5 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW)

4 Rovigo PV Power Plant (Italia) 70 Hoàn thành 11/2010

5 Olmedilla PV Park (Tây Ban

6 Strasskirchen Solar Park (Đức) 54

7 Lieberose PV Park (Đức) 53 Hoàn thành 2009

8 Puertollano PV Park (Tây Ban

Nguồn: [4]

Từ bảng 1.5 có thể thấy, các nước thi đua khai thác nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời Về mức độ khai thác và sử dụng NLMT, Việt Nam chỉ đang xếp hạng xấp xỉ với Lào hoặc ở mức gần bằng với Campuchia

Các nhà máy nhiệt điện mặt trời thương ma ̣i (CSP) đã được xây dựng lần đầu tiên vào những năm 1980 Tháp NLMT PS 10, 11MW ở Tây Ban Nha, đã hoàn thành vào cuối năm 2005, là hệ CSP thương mại đầu tiên ở Châu Âu và một nhà máy khác

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

công suất 300MW đươ ̣c chờ đợi sẽ xây dựng vào năm 2013 cùng tại vị trí đó Ngoài ra nhà máy Ivanpah Solar Power ở Đông Nam California gần biên giới Nevada được chờ

đơ ̣i có công suất 392MW

Công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến năm 2007 là 10.300MWp Đức hiện đang dẫn đầu với 3.862MWp Trong đó, WP (watt-peak) là công suất điện một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn (với cường độ sáng: 1000 W/m2, nhiệt độ môi trường: 250C, quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm phải tương tự như quang phổ của BXMT tương ứng với hệ số khối lượng không khí là 1,5) (bảng 1.6)

Bảng 1.6 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Nguồn: D Lenardic và R Hug, 2007 [15]

Từ giữa các năm 1990 các nước dẫn đầu trong lĩnh vực PV đã dịch từ Mỹ sang Nhâ ̣t Bản và Châu Âu Trong các năm 1992 - 1994 Nhâ ̣t Bản đã tăng nguồn cung cấp kinh phí cho các hoa ̣t đô ̣ng R &D, đã xây dựng hướng dẫn về ĐMT nối lưới và đã đưa vào một ch ương trình bù giá cho ĐMT , và do đó đã thúc đẩy sự lắp đặt các hệ thống

PV cho khu dân cư Kết quả là, sản xuất trên thế giới đã tăng 30% trong các năm cuối của thập kỷ 1990

Các hệ PV cho dân sự (domestic) thườ ng đươ ̣c tính công suất t heo đơn vi ̣ kilowatt-peak, kWp (thông thườ ng nằm trong dải từ 1 đến 10kWp)

Mặc dù tiềm năng NLMT rất lớn Tuy nhiên, đến năm 2008 nó mới chỉ cung cấp đươ ̣c dưới 0,02% tổng nhu cầu năng lượng của nhân loa ̣i

Mô ̣t vấn đề quan tro ̣ng với ĐMT là chi phí lắp đă ̣t còn cao , mă ̣c dù chi phi đó đã giảm nhiều so với các thập niên trước đây Đặc biệt các nước đang phát triển có thể

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

không có đủ quĩ tài chính để xây dựng các nhà máy PV , mă ̣c dù các ứng dụng qui mô nhỏ hiện nay đã có thể thay thế các nguồn khác trong các nước đang phát triển

1.2.3 Các hệ thống năng lượng mặt trời hô ̣i tu ̣ (Concentrating solar power - CSP)

Các hệ thống CSP dùng các thấu kính hay gương và hê ̣ “dõ i theo mặt trời” (sun tracking) để hội tụ một diện tích lớn của tia mặt trời vào một tia /diện tích nhỏ Nhiê ̣t năng đươ ̣c hô ̣i tu ̣ sau đó được dùng để làm nguồn nhiê ̣t cho các nhà máy nhiê ̣t điê ̣n Đã

có nhiều công nghệ hội tụ , nhưng phổ biến nhất là sử du ̣ng các máng phản xạ parabol, các bộ phản xạ fresnel hô ̣i tụ đường, các đĩa Stirling và tháp NLMT Cũng đã có các

công nghê ̣ khác nhau để làm cho các hê ̣ hô ̣i tu ̣ “dõi theo mă ̣t trời” để hô ̣i tu ̣ cá c tia sáng Trong tất cả các hê ̣ thống đó người ta dùng mô ̣t chất lỏng làm viê ̣c được làm

nóng lên bởi các tia mặt trời hô ̣i tu ̣ và sau đó được dùng để phát điê ̣n hay để tích trữ năng lượng

Máng parabol là một mặt phản xạ p arabol, nó hội tụ các tia mặt trời vào một

đường go ̣i là đường hội tụ Mô ̣t bô ̣ thu đă ̣t do ̣c theo đường hô ̣i tu ̣ của máng để thu

nhiê ̣t của các tia mă ̣t trời Thông thường bô ̣ thu là mô ̣t ống hình tru ̣ chi ̣u nhiê ̣t chứa đầy

chất lỏng làm viê ̣c Để đường hô ̣i tu ̣ không bi ̣ di ̣ch chuyển người ta gắn Bô ̣ phản xa ̣

với thiết bi ̣ tự đô ̣ng đi ̣nh hướng máng thu theo sự “chuyển đô ̣ng” của mă ̣t trời trên bầu trời do ̣c theo mô ̣t tru ̣c Hê ̣ máng parabol cho hê ̣ số sử du ̣ng đất tốt nhất so với các công nghê ̣ NLMT khác Nhà máy SEGS ở California và Acciona’s Nevada Solar One là các

đa ̣i diê ̣n cho công nghê ̣ này (bảng 8) Các máng parabol Mulk ,được phát triển bởi Melvin Prueitt dùng mô ̣t nguyên lý của Archimedes để làm quay các gương

Bộ phản xạ hội tụ đường Fresnel ở các nhà máy CSP sử du ̣ng nhiều gương

phản xạ mỏng, phẳng trải trên mô ̣t mă ̣t có da ̣ng mă ̣t parabol để hô ̣i tu ̣ tia mặt trời vào 2 ống có chất lỏng làm việc Ưu điểm của công nghê ̣ này có thể dùng các gương phẳng ,

rẻ hơn nhiều so với gương parabol và dùng nhiều gương phẳng nhỏ nên sử dụng được nhiều tia mặt trời hơn Các bộ phản xạ hội tụ đường Fresnel có thể được dùng cả trong các nhà máy lớn

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Đĩa mặt trời stirling hay hê ̣ thống đô ̣ng cơ đĩa , bao gồm mô ̣t bô ̣ phản xa ̣ parabol

đô ̣c lâ ̣p, nó hội tụ tia mặt trời vào một bộ thu đặt ở điểm hội tụ của bộ phản xạ Bộ phản xạ được dõi theo mặt trời dọc theo 2 trục Các hệ thống đía parabol cho hiệu suất cao nhất trong số các công nghê ̣ CSP Nhà máy 50kW Big Dísk ở Canberra , Australia

là một ví dụ về công nghệ này Đĩa mă ̣t trời stiring kết hợp với mô ̣t đĩa hô ̣i tu ̣ parabol với mô ̣t động cơ nhiệt stirling thường được dùng như một máy phát điện Ưu điểm của đĩa mă ̣t trời stirling so với PV cells là hiê ̣u suất biến đổi NLMT thành điê ̣n năng và tuổi tho ̣ cao hơn

Tháp mặt trời sử du ̣ng mô ̣t dàn các bô ̣ phản xa ̣ d õi theo mặt trời (heliostats) để

hô ̣i tu ̣ tia mặt trời lên mô ̣t bô ̣ thu trung tâm đă ̣t ở đỉnh tháp Các tháp năng lượng có giá cạnh tranh nhất , thường có hiê ̣u suất cao và có khả năng tích trữ năng lượng tốt hơn trong số các công nghê ̣ CSP Nhà máy Solar Two ở Bastow , California và nhà máy Planta Solar 10 ở Sanlucar la Mayor , Tây Ban Nha là các đại diện của Công nghệ này (bảng 1.7)

Bảng 1.7 Các nhà máy CSP đang hoạt động

Đã xây được 9 tổ máy

150 Solnova Solar Power

Station, Tây Ban Nha

Seville Hoàn thành 2010

100 Andasol Solar Power Staion,

Tây Ban Nha

Granada Hoàn thành 2009

64 Nevada Solar One, Mỹ Boulder City,

Nevada

Hoàn thành 5/2009

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

50 Ibersol Cuidad Real, Tây

Hoàn thành 2/2010

50 La Florida, Tây Ban Nha Alvarado Hoàn thành tháng

6/2010

Nguồn: [4]

1.2.4 Công nghê ̣ Quang điê ̣n (Photovoltaics - PV)

Mô ̣t pin mặt trời (solar cell) hay PV cell là mô ̣t thiết bi ̣ có khả năng biến đổi trực tiếp ánh sáng thành dòng điê ̣n dùng hiê ̣u ứ ng quang - điê ̣n Pin mặt trời đầu tiên đã đươ ̣c chế ta ̣o bởi Charles Fritts vào những năm 1880 Năm 1931 mô ̣t kỹ sư người Đức,

Dr Bruno Lange, đã phát triển mô ̣t tế bào quang (photo cell) dùng vật liệu Selenit Bạc (selenide silver) Mặc dù hiê ̣u suất biến đổi của tế bào selenide này chỉ 1% năng lượng ánh sáng tới , nhưng cả hai nhà khoa ho ̣c Ernst Werner và James Cleck Maxwell đã nhâ ̣n thấy ý nghĩa quan trong của phát minh này Tiếp theo công trình của Russell Oh l trong những năm 1940, các nhà khoa học Gerald Pearson , Calvin Fuller và Daryl Chapin đã ta ̣o ra pin mặt trời Silicon (Si) vào năm 1954 Những pin mặt trời đầu tiên này có giá 286USD/W và có hiệu suất 4,5 đến 6%, hiện nay nhờ sự phát triển của khoa học vật liệu, giá chỉ còn khoảng 3 - 4 USD/W và có hiệu suất đạt khoảng 15% [4]

1.2.5 Công nghê ̣ nhiê ̣t mă ̣t trời nhiê ̣t đô ̣ thấp

Bên ca ̣nh công nghê ̣ nhiê ̣t mặt trời nhiê ̣t đô ̣ cao nhờ sử du ̣ng các thiết bi ̣ hô ̣i tu ̣ tia mặt trời như đã trình bày trong mục 1.2.4 thì hiện nay người ta còn phát triển và ứng dụng công nghệ nhiệt mặt trời nhiê ̣t đô ̣ thấp dựa trên hiê ̣u ứng nhà kính Công nghê ̣ này được ứng dụng chủ yếu để sản xuất nhiệt phục vụ các nhu cầu s inh hoa ̣t như sản

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

xuất nước nóng sinh hoa ̣t , sấy, sưởi ấm, làm bếp mặt trời để đun nấu thức ăn Công nghê ̣ này và ứng du ̣ng của nó sẽ được trình bày chi tiết trong mu ̣c 1.3 dưới đây

1.3 CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG

Trong vài thập kỷ gần đây, thị trường thiết bị ĐNNMT đã được thương mại hóa với tốc độ phát triển nhanh và mang lại hiệu quả kinh tế môi trường thiết thực nhất trong số các thiết bị năng lượng tái tạo nói chung Dùng thiết bị ĐNNMT là dùng một nguồn năng lượng sạch và hầu như vô tận Mỗi năm 1m2 thiết bị ĐNNMT có thể tiết kiệm được từ 500 - 800 kWh so với dùng điện Mỗi năm 1m2

thiết bị ĐNNMT có thể giảm thiểu được từ 120 - 150 kg khí thải CO2, loại khí chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ Trái Đất tăng lên [4]

Đến năm 2007, trên thế giới đã sản xuất và lắp đặt được khoảng 120 triệu m2diện tích bộ thu thiết bị ĐNNMT, trong đó trên 60% là sản phẩm của Trung Quốc với sản lượng từ 4 đến 4,5 triệu m2/năm, tiếp đến Cộng đồng Châu Âu, Nhật, ấn Độ, Australia, Mỹ Tại Israel và Síp, khoảng 80% số hộ sử dụng thiết bị ĐNNMT; tại Nhật khoảng 20% Tốc độ phát triển thiết bị ĐNNMT trên thế giới hàng năm tăng từ 16 - 17%, riêng Trung Quốc tăng từ 26 - 27%/ năm Phát triển thiết bị ĐNNMT không những tiết kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường mà còn tạo ra nhiều công việc làm mới cho người dân [4]

1.3.1 Hiệu ứng nhà kính và một số ứng dụng

1.3.1.1 Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính được ứng dụng rộng rãi để khai thác sử dụng NLMT một các

có hiệu quả Dưới đây trình bày tổng quát nguyên lý hiệu ứng nhà kính trong ứng dụng khai thác sử dụng NLMT đó

Kính (tấm thuỷ tinh) xây dựng có đặc tính như sau: cho truyền qua dễ dàng các tia BXMT có bước sóng ngắn (ví dụ các tia bức xạ có bước sóng λ<0,7μm) nhưng lại ngăn không cho các tia bức xạ có các bước sóng dài (như các sóng bức xạ đỏ và hồng ngoại, λ>0,7μm) qua kính Nói cách khác là hệ số truyền qua của kính là rất lớn, còn

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

hệ số phản xạ và hấp thụ của kính lại rất nhỏ đối với vùng BXMT có bước sóng ngắn

và ngược lại, trong vùng bức xạ có các bước sóng dài thì hệ số truyển qua của kính là rất nhỏ, còn hệ số phản xạ của kính lại rất lớn

Như đã biết, khoảng 80% năng lượng BXMT tập trung ở trong vùng bước sóng ngắn Vì vậy có thể nói kính đã cho phần lớn NLMT truyền qua nó một cách dễ dàng Chúng ta cũng đã biết, tác dụng quan trọng nhất của các tia BXMT có bước sóng

dài là tác dụng nhiệt Vì vậy vùng tia bức xạ này còn gọi là vùng tia bức xạ nhiệt

Một hộp thu NLMT ứng dụng nguyên lý hiệu ứng nhà kính có cấu tạo như hình 1.2

4 1

2

3

TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiÖt TÊm hÊp thô Tia s¸ng mÆt trêi

1 2

3 4

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính

Mặt trên của hộp được đậy bằng tấm kính Thành xung quanh và đáy hộp làm bằng chất cách nhiệt Ở đáy trong của hộp có một tấm kim loại mặt trên phủ lớp sơn đen có khả năng hấp thụ năng lượng BXMT (hệ số hấp thụ đối với BXMT rất lớn) và

truyền nhiệt tốt, nó được gọi là tấm hấp thụ

Khi đặt hộp ngoài trời, các tia mặt trời dễ dàng đi xuyên qua tấp kính đậy phía trên và tới đập vào tấm hấp thụ Tại đây phần lớn NLMT bị tấm hấp thụ thu lại và biến thành nhiệt làm nóng tấm này lên Khi đó tấm hấp thụ trở thành nguồn phát xạ thứ cấp, phát ra các tia bức xạ sóng dài hay còn gọi là tia nhiệt nên bị tấm kính ngăn lại, không cho thoát ra ngoài Như vậy các tia BXMT gần như chỉ đi được vào hộp mà không ra được làm cho tấm hấp thụ nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ trên 1500C nếu cách

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

nhiệt tốt Vì vậy hộp thu nói trên còn được gọi là bẫy nhiệt Hiệu ứng thu NLMT làm nóng tấm hấp thụ như trình bày được gọi là hiệu ứng nhà kính (greenhouse)

Từ lâu người ta đã ứng dụng hiện tượng trên để xây dựng các ngôi nhà trồng rau xanh có mái lợp bằng kính ở các khu vực có khí hậu giá lạnh Vì vậy thuật ngữ “hiệu ứng nhà kính hay hiệu ứng nhà xanh (greenhouse)” có lẽ bắt nguồn từ đó

Ngoài kính còn có một số vật liệu khác cũng có tính gây hiệu ứng nhà kính như các chất khí như CO2, CH4, , các tấm chất dẻo trong suốt, Với sự phát triển của công nghiệp và sử dụng năng lượng hóa thạch trong những thập kỷ gần đây, lượng khí

CO2, CH4, (sự gia tăng của các khí nhà kính) tích tụ trong khí quyển xung quanh Trái đất ngày càng tăng đã gây ra hiện tượng nóng lên của Trái đất (hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu)

1.3.1.2 Một số ứng dụng hiệu ứng nhà kính trong công nghệ năng lượng mặt trời

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Sấy là quá trình tách ẩm từ vật liệu, và thông thường là cần phải cung cấp nhiệt

để làm bay hơi nước trong vật sấy, và dùng không khí thổi vào để mang hơi nước đi Các thiết bị sấy dùng NLMT ở qui mô nhỏ thì thường là dạng sấy trực tiếp Thiết

bị sấy sẽ có dạng như một chiếc tủ, một

mặt của tủ làm bằng kính, các mặt còn

lại thì được bọc cách nhiệt, bên trong tủ

sẽ phủ lớp sơn đen (hình 1.3)

NLMT được hấp thu theo nguyên

lý hiệu ứng nhà kính, sẽ làm tăng nhiệt

độ buồng sấy và các sản phẩm sấy

Thông thường, ánh sáng sẽ chiếu trực

tiếp đến sản vật sấy, hơi ẩm thoát ra

được không khí lưu thông cuốn đi

Đối với các thiết bị sấy gián tiếp, BXMT không trực tiếp chiếu vào sản phẩm sấy

mà thông qua tác nhân sấy, mà ở đây chính là không khí được làm nóng bởi các bộ thu NLMT Quá trình lưu thông và tuần hoàn của không khí nóng có thể là đối lưu tự nhiên hoặc dùng quạt đối lưu cưỡng bức Đối với thiết bị sấy này, nhiệt độ sấy có thể cao hơn nên thời gian sấy ngắn hơn và chất lượng sản phẩm tốt hơn

Các thiết bị sấy dùng NLMT có ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, giá thành thấp Tuy nhiên cần phải thường xuyên vệ sinh thiết bị sấy để tránh ẩm mốc

Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Thiết bị ĐNNMT hiện nay được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt đời sống hàng ngày

Ưu điểm của thiết bị ĐNNMT: Do sử dụng NLMT nên không tốn chi phí trong quá trình sử dụng, đồng thời khá an toàn, tiện lợi và không phát sinh chất thải do không sử dụng nhiên liệu (hình 1.4)

Hình 1.3 Thiết bị sấy nông sản năng

lượng mặt trời

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Tuy nhiên, thiết bị ĐNNMT cũng có những nhược điểm:

- Yêu cầu nguồn nước phải sạch để tránh đóng cặn bẩn, gây ôxi hoá làm hỏng thiết bị;

- Độ nóng của nước thì phụ thuộc thời tiết, dung lượng nước nóng cố định với mỗi ngày;

- Với giá thành hiện nay thì đắt hơn so với các sản phẩm dùng điện hoặc ga;

- Do thiết bị thường đặt trên mái nhà, nên cần một đường bảo ôn để dẫn nước, gây tốn kém, và khó khăn trong việc lắp đặt.

Hình 1.4 Thiết bị đun nước nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trường

Giá thành của một thiết bị nước nóng rất khác nhau, phụ thuộc vào kiểu tấm hấp thụ, dung lượng bình chứa, và kết cấu vật liệu Đối với sản phẩm có ống hấp thụ chân không có giá mỗi bộ thiết bị khoảng từ 6,5 triệu trở lên Còn đối với sản phẩm mà bề mặt hấp thụ dạng tấm phẳng, do nhập ở nước ngoài lên đắt hơn, có giá mỗi bộ thiết bị

từ 11 triệu đồng trở lên (nội dung chi tiết về thiết bị ĐNNMT sẽ được trình bày ở phần sau)

Hệ thống chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Nước ngọt là nhu cầu cơ bản cho sự sống con người, tuy nhiên, hiện nay nguồn nước ngọt ngày càng khan hiếm, nhất là những nơi nắng nóng Bởi vậy, NLMT đã được sử dụng một cách triệt để để dùng chưng cất nước

Nguyên lý hoạt động của thiết bị khá đơn giản: Nước cần chưng cất được đưa vào khay ở dưới và được đun nóng, do phần đáy của khay được sơn đen để tăng khả năng hấp thụ BXMT, nước có thể xem như trong suốt trong việc truyền ánh sáng từ mặt trời Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt BXMT và truyền nhiệt cho nước Khi nhiệt độ phù hợp, nước bốc hơi lên chạm vào mặt dưới của tấm kính phủ, được làm mát nên ngưng

tụ , rồi chảy xuống máng chứa ở góc dưới (hình 1.5)

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước

Lượng nước chưng cất được trong ngày trên một đơn vị diện tích phụ thuộc vào các yếu tố như: cấu tạo của thiết bị, cường độ bức xạ tổng trong ngày cũng như hướng của tia nắng chiếu tới mặt đáy, tốc độ gió, nhiệt độ nước cấp vào, nhiệt độ môi trường Theo Robert Foster, đại học New Mexico State University thì thiết bị chưng cất nước bằng NLMT có thể loại bỏ được hầu hết các loại:

- Muối/khoáng (như Na, Ca, As, Fl, Fe, Mn)

- Vi khuẩn (như E Coli, Cholera, Botulinus)

- Ký sinh trùng (như Giardia, Cryptosporidium)

- Kim loại nặng (như Pb, Cd, Hg)