NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG BẾP PARABÔN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG BẾP PARABÔN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG BẾP PARABÔN

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

A STUDY ON THE APPLICATION OF PARABOLIC SOLAR COOKER

HOÀNG DƯƠNG HÙNG

Trường đại học Bách khoa, đại học đà Nẵng

TÓM TẮT

Ngày nay năng lượng mặt trời ựược sử dụng ngày càng nhiều và thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống ngày một khan hiếm Việt Nam là nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn, do vậy thiết ,bị năng lượng mặt trời ngày càng ựược quan tâm nghiên cứu sử dụng Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu triển khai bếp parabôn sử dụng năng lượng mặt trời dùng cho nấu cơm, nước và thức ăn nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

ABSTRACT

Nowadays, solar energy is increasingly used and gradually replaces conventional limited energy Vietnam has a great resource of solar energy, so more and more attention is being paid to the research and use of solar power equipment In this article we present the study results on applying the parabolic solar cooker for rice and cooking and water boiling so as to save energy and protect the environment

1 đặt vấn ựề

Sự thiếu hụt về năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống là vấn ựề ô nhiểm môi trường sinh thái ngày một nghiêm trọng, do vậy các nguồn năng lượng mới ựã và ựang ựược nghiên cứu sử dụng ngày càng nhiều nhằm dần dần thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày một khan hiếm Việt Nam là một nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn trong lúc ựó các nguồn năng lượng khác không ựủ cung cấp cho nhu cầu ngày càng tăng của công cuộc công nghiệp hóa hiện ựại hóa ựất nước Mặt khác ở các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên cuộc sống của người dân nông thôn còn nghèo, chất ựốt chủ yếu ựược sử dụng là rơm rạ, than, củi, do ựó vấn

ựề ựốn cây phá rừng làm chất ựốt ngày một gia tăng làm ảnh hưởng ựến môi trường sinh thái

tự nhiên Do vậy nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ựể nấu cơm, nước và thức ăn

là rất cần thiết và có ý nghĩa rất lớn trong việc góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường sinh thái ở nước ta

2 Nghiên cứu lý thuyết

2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt ựộng bếp parabôn năng lượng mặt trời

Bếp nấu Parabôn có cấu tạo như hình 1 đế ựặt nồi (1) làm bằng khung kim loại dẫn

nhiệt tốt, ựế ựược gắn với hệ thống chân ựỡ (nhưng cách nhiệt với hệ thống chân ựỡ), ựế ựặt

nồi có thể ựược ựưa vào ựưa ra và ựưa lên ựưa xuống khỏi tâm của bếp Nồi chứa thức ăn (2)

là nồi nấu bình thường bên ngoài ựược sơn màu ựen (chọn loại sơn có ựộ hấp thụ cao) ựể có

thể hấp thụ năng lượng mặt trời tốt, khi cần nướng (thịt, cá ) thì có thể thay nồi bằng tấm lưới Inox, dung tắch của nồi tuỳ thuộc vào kắch thước của bếp và tuỳ thuộc vào thời gian chúng ta

cần nấu chắn thức ăn Mặt phản xạ (3) làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox) ựánh

bóng nhẵn ựể có ựộ phản xạ cao Biên dạng của mặt phản xạ là mặt parabôn tròn xoay ựược gá

tựa vào khung như hình vẽ ựể có thể nhận ánh sáng từ mặt trời Khung ựỡ (4) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có biên dạng là mặt parabôn tròn xoay ựể có thể gá mặt phản xạ lên trên khung, khung ựược chế tạo sao cho có thể tháo lắp dễ dàng Thanh chóng ựiều chỉnh (5) làm bằng kim loại hoặc gỗ cứng ựể ựiều chỉnh chảo parabôn xoay quanh một trục nằm ngang Hệ thống chân ựỡ (6) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có thể dễ dàng tháo lắp hoặc xếp gọn Vị

trắ tâm nồi nấu (ựiểm hội tụ của mặt parabôn) ựược tắnh toán sao cho nồi ựược ựặt vào trong lòng của chảo parabôn ựể giảm tổn thất nhiệt do ựối lưu (khi có gió)

2.2 Tắnh toán thiết kế bếp parabôn năng lượng mặt trời

Bếp gồm chảo parabôn nhận chùm bức xạ nhiệt mặt trời có ựường kắnh D, mặt phản xạ parabôn có hệ số phản xạ R, nồi nấu làm bằng Inox sơn ựen có hệ số hấp thụ ε, ựường kắnh nồi

là d chiều dày δo, có khối lượng riêng ρo, nhiệt dung riêng C, chiều cao h Nồi chứa ựầy nước có nhiệt dung riêng Cn khối lượng riêng ρn, Bếp nấu ựược sử dụng thường vào buổi trưa (từ 10h ựến 2h) nên cường

ựộ bức xạ trung bình tắnh toán lấy tại Thành phố đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam là 940 W/m2 Ta hãy tắnh toán kắch thước bếp (D) cần thiết ựể nấu một lượng nước chứa

ựầy trong nồi ựến khi sôi (ựạt nhiệt

ựộ t s với nhiệt ựộ môi trường xung quanh t o ) trong một khoảng thời

gian τ cho trước nào ựó

Trong thời gian τ bếp (gồm chảo

parabôn và nồi nấu) sẽ thu từ bức

xạ mặt trời một lượng nhiệt bằng Q1:

Q1 = ε.E.F.τ, [J] trong ựó diện tắch tắnh F = [F1 + RF2 ]

h

Hình 2 Mô hình tắnh toán

1

3

4

5

6

2

Hình 1 Cấu tạo bếp Parabôn

1- đế ựặt nồi 2- Nồi chứa thức ăn 3- Mặt phản xạ 4- Khung ựỡ 5- Thanh chóng ựiều chỉnh 6- Hệ thống chân ựế

Với: - diện tích hứng nắng của nồi F1 ≈ d.h, [m2]

- diện tích hứng nắng của mặt parabôn F2 =

4

2

D

π

- F1, [m2] Lượng nhiệt nhận ñược của bếp Q1 dùng ñể:

- Làm tăng nội năng của nồi Uo = mo.C.(ts - to)

- Làm entanpy của nước Im = mn.Cn(ts - to)

- Làm tăng nội năng của ñế nồi Uñế (ñế nồi thường làm bằng khung thép nhỏ nên ta bỏ

qua phần này)

- Tổn thất ra môi trường xung quanh Q2

trong ñó: mo = πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo

4

2

d

π , [kg], mn =

4

2

d

π h.ρn [kg],

Do bếp ñược cấu tạo như trên nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh chủ yếu là do trao ñổi nhiệt ñối lưu tự nhiên giữa bề mặt xung quanh nồi và không khí ñối lưu xung quanh nên ta trong trường hợp này ta có thể tính;

Q2 = α Fxq (ts - to)τ, [J]

Với; - hệ số toả nhiệt ñối lưu tự nhiên α chọn α = 10 W/m2ñộ [2]

- diện tích xung quanh Fxq = πd.h +2

4

2

d

π , [m2] Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho bếp là:

Q1 = mo.C.(ts - to) + mn.CP(ts - to), hay

ε.E.F.τ =(πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo

4

2

d

π ) C.(ts - to) +

4

2

d

π h.ρn Cn(ts - to) + α Fxq (ts - to) τ Thay các giá trị; E = 940 W/m2, ε = 0,9, D = 0,9, R =0,9, δo =0,001m,

ρo= 7850kg/m3, ts = 100oC, to =

30oC, C = 460 J/kgñộ, ρn = 1000kg/m3, Cn = 4200J/kgñộ, d = 0,25m, h= 0,2m, ta tính ñược m

=1,75kg mn=9,8kg => F τ = 3482 hay (0,7D2 +0,002).τ = 3486 => D(τ) =

0028 , 0 7 , 0

3486

−

τ

Ta xây dựng quan hệ D(τ) như hình

3 Từ quan hệ này ta có thể tính ñược ñường kính bếp parabôn D theo thời gian nấu τ yêu cầu hoặc ngược lại khi có bếp ta tính ñược thời gian nấu và công suất của bếp

Ví dụ: Nếu cần nấu với nồi nấu trên (chứa 9,8 kg nước) trong thời gian

45 phút = 2700s thì cần bếp có ñường kính D = 1,3m Ngoài dùng ñể nấu nước nấu cơm bếp parabôn do có ñộ hội tụ cao nên có thể dùng ñể xào nấu và nướng thức ăn nhiệt ñộ tại tâm hội

1.33

2.67

4

5.33

6.67

8

Thoi gian nau (s)

7.056713

0.909505

D τ

.

6 103

Hình 3 ðồ thị quan hệ D(τ)

3 Nghiín cứu thực nghiệm

3.1 Chế tạo bếp parabôn

mặt năy tốt nhất lă lăm bằng nhôm vă dập với biín dạng theo yíu cầu rồi sau ñó ñânh bóng mặt trong thật nhẵn vă sâng (như gương) Tuy nhiín ñể chế tạo ñược như vậy thì cần phâi có câc dụng cụ vă mây móc chuyín dụng Thực tế theo phương phâp tính toân như phần 2.2 chúng tôi ñê chế tạo hăng loạt câc bếp parabôn với nhiều loại vật liệu vă kích thước khâc nhau

ñể sử dụng trong ñiều kiện thực tế vă kết quả rất phù hợp với tính toân lý thuyết

thể chế tạo mặt parabôn phản xạ theo câc câch như; loại bếp có mặt parabôn lăm từ câc tấm lâ kim loại ñược ñânh bóng hình quạt (hình 4, 5)

500.0 1000.0

1200.0

360.0 250.0

o

62.5

f 0

CHÚ Ý:

Có thể chế tạo mặt phản xạ theo các biên dạng khác nhưng biên dạng của mặt phản xạ phải có dạng:

với f là toạ độ của tiêu điểm (tâm nồi)

Cách ghép các tấm thành mặt phản xạ

15

Tâm nồi (tiêu điểm) Mặt phản xạ

x y

2

4.f

y = x

Hình 4 Biín dạng mặt parabôn phản xạ

Hình 5 Ở tđm của tấm hình quạt có thể từ 10 o÷15 o

Hình 5 là loại bếp có mặt phản xạ gồm các tấm thép trắng hình quạt có chiều dày 0,5mm ñã ñược ñánh bóng sẵn và ñược ghép ñồng tâm dựa trên một khung có biên dạng

thể tận dụng các mảnh phế thải ñể tiết kiệm) ghép với nhau trên một khung ñịnh hình sẵn theo

ðể tiện lợi cho việc vận chuyển và tháo lắp (ñi du lịch ) chúng ta có thể chế tạo bếp gồm nhiều mảnh, hình 7 là loại bếp parabôn 6 mảnh, rất tiện lợi cho lắp ghép và sử dụng ngay khi cần thiết

3.2 Triển khai ứng dụng bếp parabôn

Với loại bếp nấu parabôn có ñộ hội tụ cao nên thường ñược dùng ñể chiên, xào nấu thức ăn ñặc biệt là dùng rán, nướng các loại thực phẩm vì nhiệt ñộ tại tiêu ñiểm có thể ñạt

Trước lúc nấu thì chúng ta phải chuẩn bị thức ăn trước, cho vào nồi và ñậy nắp lại, ñặt nồi lên trên ñế ñặt nồi (hình 1), khi muốn nướng (thịt, cá ) thì thay nồi bằng loại lưới Inox

chống ñiều chỉnh) sao cho nồi có thể nhận ñược nhiều ánh sáng nhất Tuỳ theo kích thước của bếp và dung lượng thức ăn trong nồi mà sau thời gian khoảng 30÷60phút thức ăn sẽ chín

Hình 6 Loại bếp chế tạo từ các mẩu tấm phản xạ nhỏ

Hình 7 Loại bếp Parabol 6 mảnh

Trong quá trình nấu nếu có thời gian thì tốt nhất sau khoảng 15 phút chúng ta nên xê dịch bếp

ñể có thể nhận ñược ánh sáng nhiều nhất thì thời gian nấu sẽ nhanh hơn

4 Kết luận

Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và triển khai ứng dụng thực tế của bếp năng lượng mặt trời, bước ñầu cho thấy triển vọng rất lớn của việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta, Bếp parabôn dùng năng lượng mặt trời ñã ñược sử dụng rất hiệu qủa cho việc ñun nấu của người dân vùng sâu vùng xa và hải ñảo nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

ươm tạo công nghệ

Wiley - Interscience Publication

Hình 8 Bếp parabôn dùng ñể nấu thức ăn

Hình 9 Bếp parabôn dùng ñể nướng cá, thịt