Tính Toán Thiết Kế Thiết Bị Cung Cấp Hơi Nước Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời (Kèm Bản Vẽ )

Đề tài này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu, chế tạo thiết bị sản xuất hơi nước dùngnăng lượng mặt trời, kết hợp giữa tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm.-Tính toán thiết kế bộ thu

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đố án Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách hình vẽ vi

Danh sách bảng biểu vii

CHƯƠNG 1:MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

2.1.Vị trí,kích thước và cấu trúc mặt trời 3

2.2.Nguồn bức xạ mặt trời 4

2.3.Cường độ bức xạ mặt trời 6

2.3.1.Cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới một điểm 6

2.3.2.Cường độ bức xạ mặt trời lúc vào khí quyển 7

2.4.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ mặt trời 8

2.4.1.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ ngoài khí quyển: 8

2.4.2.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ trong khí quyển 8

2.5.Lập công thức tính nhiệt độ cân bằng cho vật thu 9

2.6.Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời 10

2.6.1.Ưu điểm 10

2.6.2.Nhược điểm 10

2.6.3.Một vài biện pháp khắc phục các nhược điểm 10

2.7.Nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam 11

Nghiên cứu thiết bị sản xuất hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời iv

Đồ án tốt nghiệp Bùi Hữu Đăng-03N1

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12

3.1.Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 12

3.2.Thiết bị cung cấp hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời dùng bộ thu tập trung 19

3.2.1.Tổng quan về bộ tập trung năng lượng mặt trời dùng Gương Scheffler và các ứng dụng 19

3.2.2.Mô tả hệ thống và Sơ đồ nguyên lí 28

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT HƠI NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG BỘ THU TẬP TRUNG 29

4.1.Tính toán thiết kế bộ thu tập trung 29

4.2.Tính toán thiết kế bộ sinh hơi 32

4.2.1 Lượng nhiệt nhận được từ mặt trời 34

4.2.2 Lượng nhiệt để tăng nội năng của kim loại chế tạo bộ sinh hơi 34

4.2.3.Lượng nhiệt để tăng nội năng của nước 35

4.2.4.Nhiệt để hóa hơi 35

4.2.5.Nhiệt để tăng nội năng lượng nước bổ sung 36

4.2.6.Tổn thất nhiệt ra môi trường do dẫn nhiệt qua vách trụ 36

4.2.7.Tổn thất nhiệt ra môi trường do bức xạ nhiệt 36

4.2.8.Phương trình cân bằng nhiệt 37

4.3.Tính toán thiết kế lắp đặt toàn bộ hệ thống 43

4.4.Phương án chế tạo hệ thống thiết bị 47

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 48

5.1.Kết quả thực nghiệm 48

5.2.Kết luận 51

Tài liệu tham khảo 51

Đồ án tốt nghiệp

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2-1.Phân bố năng lượng bức xạ mặt theo λ 5

Hình 2-2.Sự truyền bức xạ Et trong khí quyển 7

Hình 3-1.Hệ thống Pin mặt trời 12

Hình 3-2 Hệ thống gương Parabol trụ 13

Hình 3-3 Hệ thống trung tâm 13

Hình 3-4.Hệ thống gương Parabol tròn xoay 14

Hình 3-5.Tháp năng lượng mặt trời 14

Hình 3-6.Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời 15

Hình 3-7.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 15

Hình 3-8.Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời 16

Hình 3-9.Bơm Stirling dùng năng lượng mặt trời 17

Hình 3-10.Thiết bị sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời 17

Hình 3-11.Thiết bị sản xuất nước đá dùng năng lượng mặt trời 18

Hình 3-12.Vị trí gương trên Parabol tròn xoay 19

Hình 3-13.Thay đổi góc nghiêng theo mùa 20

Hình 3-14.Sự khác nhau của tiêu điểm parabol do sự thay đổi tia nắng theo mùa 21

Hình 3-15.Cơ cấu điều chỉnh 23

Hình 3-16 Mô hình thực tế 25

Hình 3-17.Phụ nữ Tilonia tham gia chế tạo gương 25

Hình 3-18.Tác giả Wolgang Scheffler và nghiên cứu của mình 26

Hình 3-19.Sơ đồ nguyên lí hệ thống 28

Hình 4-1.Hình dạng và cách chế tạo khung gương Scheffler 30

Hình 4-2.Một số hình ảnh thực tế sau khi đã chế tạo hoàn chỉnh gương 31

Hình 4-3.Cấu tạo bộ sinh hơi 32

Hình 4-4.Kích thước chính của bộ sinh hơi 33

Hình 4-5.Đồ thị biểu diễn lưu lượng hơi G theo thời gian τ 42

Mở đầu

Hình 4-6.Đồ thị thời gian theo nhiệt độ t 43

Hình 4-7.Đồ thị nhiệt độ của nước theo thời gian τ 44

Hình 4-8.Quỹ đạo mặt trời đo được ở vài ngày cụ thể 45

Hình 4-9.Sơ đồ bố trí Gương Scheffler và Bộ sinh hơi 47

Hình 5-1.Bố sinh hơi chế tạo thử 49

Hình 5-2.Bố trí lắp đặt 50

Hình 5-3.Độ tăng áp suất hơi theo thời gian 51

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 4-1.Các đại lượng cho 38

Bảng 4-2.Các đại lượng tính toán 39

Bảng 4-3.Xác định góc nghiêng và hướng của Gương theo mùa 46

Bảng 5-1.Áp suất hơi theo thời gian 51

Đề tài này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu, chế tạo thiết bị sản xuất hơi nước dùngnăng lượng mặt trời, kết hợp giữa tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm.

-Tính toán thiết kế bộ thu tập trung (Gương Scheffler) phải đảm bảo:

.Tiêu điểm hội tụ phải được định hình tương đối rõ, ít bị phân tán Khoảng cách yêu cầu giữa bộ sinh hơi và gương ;

.Diện tích hứng nắng

-Tính toán thiết kế thiết bị sinh hơi:

.Lập hệ cân bằng, từ đó rút ra phương trình cân bằng nhiệt cho hệ.Lập được quan hệ giữa lưu lượng hơi G và thời gian τ,

tính toán được khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo lưu lượng hơi G cũng như khoảng thời gian khởi động của bộ sinh hơi

-Thiết kế lắp đặt hệ thống: làm sao cho mặt phản xạ của gương luôn hướng về phía mặt trời, hứng hầu hết ánh nắng trực tiếp

.Xác định hướng đặt và góc nghiêng của gương phù hợp với sự di chuyển của mặt trời theo mùa

.Cơ cấu giúp gương luôn xoay theo mặt trời (hoạt động như một chiếc đồng

hồ cơ khí) trong 10h nắng ngày

-Chế tạo thử 1 bộ sinh hơi mẫu dùng năng lượng mặt trời,

.Tiến hành thí nghiệm, đo đạt So sánh đối chiếu với kết quả tính toán lý thuyết; rút ra nhận xét, tiến hànhkiểm tra điều chỉnh lại những tính toán lý thuyết cho hợp lí

Mở đầu

Hiện nay nhân loại đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ như:than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên Do đó, đã có nhiều hướng nghiên cứu, tìm kiếm, khaithác phát triển nguồn năng lượng mới thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thốngnhư năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời

Mặt khác, trong những năm gần đây cả thế giới phải đối mặt với sự suy thoái vềmôi trường nghiêm trọng, do sự phát triển của nền công nghiệp và đời sống con người đãphát thải ra các chất độc hại gây ô nhiễm bầu khí quyển, nguồn nước, thế giới tựnhiên Những biến động bất thường của thời tiết, thiên tai, lũ lụt… là những hậu quả màcon người phải gánh chịu Vì vậy, thiết yếu cần một nguồn năng lượng mới có thể thaythế các nguồn năng cũ và phải đảm bảo đủ sạch đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tươnglai

Thế giới đang quan tâm đến hai nguồn năng lượng mới triển vọng là năng lượnghạt nhân và năng lượng mặt trời (NLMT) Tuy nhiên, để sử dụng được năng lượng hạtnhân tốn nhiều chi phí, và sẽ rất nguy hiểm nếu xảy ra sự cố, ảnh hưởng to lớn đến môitrường Như vậy, NLMT là nguồn năng lượng siêu sạch mà cả thế giới trông đợi

NLMT thực chất là nguồn nhiệt hạch vô tận mà tự nhiên đã ban phát, hàng nămtrái đất chúng ta nhận từ mặt trời một năng lượng khổng lồ, gấp rất nhiều lần các nguồnnhiên liệu có trên trái đất Con người từ rất lâu đã biết sử dụng NLMT vào đời sốngnhưng thực sự ứng dụng nó vào công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì chỉ vào cuốithế kỉ 18 đa số ở những nước có nhiều NLMT, những vùng sa mạc Từ sau cuộc khủnghoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được quan tâm nhiều hơn,nhất là những nước công nghiệp phát triển Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học

kĩ thuật nhân loại thì con người càng ứng dụng rộng rãi NLMT, những ứng dụng phổ biếnhiện nay là: Nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT, pin mặt trời, thiết bị đun nóng bằngNLMT, động cơ Stirling bằng NLMT, bếp nấu dùng NLMT, thiết bị làm lạnh và điều hòa

Vì vậy, mục đích của đề tài này là: tính toán thiết kế thiết bị cung cấp hơi nước sửdụng NLMT

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

VỀ NĂNG LƯỢNG TRỜI

2.1.Vị trí,kích thước và cấu trúc mặt trời:

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn

AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất).

Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thayđổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15.600.000 K Vậtchất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là cácnguyên tố khác

Mặt trời được chia ra làm 4 lớp chính:

Trong cùng là nhân mặt trời: bán kính 150.103 km, nhiệt độ trung tâmkhoảng (8÷40).106 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không giữ được cấu trúc thôngthường, nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động táchbiệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiệnnhững vụ nổ nhiệt hạch- nguồn năng lượng mặt trời Đây là một lò phản ứng hạtnhân: 4 hạt nhân Hydro tạo ra 1 hạt nhân Heli, 2 nơtron và một lượng bức xạ γ

4H11 → He24 + 2 Neutrino + γVùng bức xạ: bán kính (150÷450).103 km, nhiệt độ (4,5÷10).106 K, là nơinguyên tử Hydro hấp thụ tia γ và phát bức xạ sóng dài

Vùng đối lưu: bán kính (450÷700).103 km, nhiệt độ 5800÷4,5.106 K, gồmcác dòng đối lưu lên xuống, chuyển nhiệt bức xạ ra bề mặt quan cầu

Quang cầu: bán kính (700÷703).103 km, nhiệt độ 5700÷5800 K, gồm cácbọt khí sôi sục, có chổ tạo ra các vết đen là các hố xoáy có nhiệt độ thấp, cỡ 4500

K, và các tai lửa nhiệt độ (7÷10).103 K

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

Ngoài ra mặt trời có một lớp sắc cầu dày khoảng 3000 km, tựa như một đámcháy lớn Ngoài cùng là vùng nhật hoa, là một tầng mây bụi khí có biên giới không

ổn định

2.2.Nguồn bức xạ mặt trời:

Về mặt bức xạ nhiệt, mặt trời được coi như một nguồn phát bức xạ hình cầuchứa nguyên tử Hydro, có đường kính D=1,391.109 m, độ đen εo=1 và nhiệt độ bềmặt To=5762 K

Năng lượng sinh ra do phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lòng mặt trời đượcchuyển ra bề mặt và bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ với λ=(0÷∞)m.

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời làmột phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 ÷ 10 μm vàhầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng0,38÷0,78μm, đó là vùng nhìn thấy của phổ

Tia Gamma : λ=5.10-7÷ 10-4 μmTia X : λ=10-5÷ 10-1 μmTia tử ngoại : λ=10-2 ÷ 0,8 μmTia hồng ngoại: λ=0,8÷103 μmTia sóng radar, TV, radio : λ>103μmBức xạ nhiệt : λ=0,4÷400 μmNăng lượng bức xạ mặt trời truyền ra ngoài có thể coi như là bức xạ của vật đentuyệt đối có cùng nhiệt độ Theo định luật Planck, phân bố cường độ bức xạ đơnsắc của mặt trời theo λ có dạng:

e

C E

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

C2=1,439.10-2 , [m.K]

λ: bước sóng bức xạ mặt trời, m

To: nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt mặt trời, To=5762 [K]

Phân bố cường độ bức xạ đơn sắc của mặt trời theo λ có dạng:

Eoλ=C1λ-5/(expT oλ

C2

Cực đại tại bước sóng λm=2,898.103/To=0,5.10-6 [m]

Hình 2-1.Phân bố năng lượng bức xạ mặt theo λ

Cường độ bức xạ toàn phần Eo được mô tả bởi diện tích giữa đường cong

Eoλ và trục λ trên đồ thị (λ-Eoλ).Dựa trên đồ thị ta thấy trong bức xạ mặt trời phát ra

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

có 48% Eo ở vùng sóng ngắn λ < 3μm, 50% Eo ở vùng ánh sáng thấy đượcλ=0,4÷0,78 μm

Cường độ bức xạ đơn sắc cực đại:

λ

−

= 8,35.1013 [W/m3]Cường độ bức xạ toàn phần theo định luật Stefan-Boltzman:

Eo=σoTo4 =6,25.107 W/m2 với σo=5,67.10-8 [W/m2K4]Công suất bức xạ:

Khối lượng mặt trời đo được hiện nay là M=2.1030 kg Nếu cho rằng Qo

được duy trì đến khi 10% nhiên liệu H được tiêu thụ, lúc đó khối lượng mặt trời sẽgiảm một lượng ∆M=10-3M= 2.1027 kg thì tuổi thọ T còn lại của mặt trời được xácđịnh theo phương trình cân bằng năng lượng:

10.8,3

10.310.2

= 4,7.1018 [s] = 15.109 [năm]

2.3.Cường độ bức xạ mặt trời

2.3.1.Cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới một điểm:

Cường độ bức xạ mặt trời chiếu đến điểm M cách mặt trời một khoảng l:

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

Lúc đó Et = 5,67.108.57624  11

9

10.495,1.2

10.391,1

= 1353 , [W/m2]Giá trị Et =1353 [W/m2] có ý nghĩa rất lớn trong thiên văn học, được gọi làhằng số mặt trời Et chính là cường độ bức xạ mặt trời đến mặt ngoài khí quyển củatrái đất

2.3.2.Cường độ bức xạ mặt trời lúc vào khí quyển:

Khi tia bức xạ Et đến khí quyển, một phần nhỏ Et bị phản xạ, phần còn lạivào khí quyển bị hấp thụ và tán xạ bởi ozon, hơi nước (mây), bụi, trong khí quyểntrong suốt quãng đường l, phần còn lại sau cùng được truyền tới mặt đất gọi là tiatrực xạ Etd

Nếu coi hệ số phản xạ R=0 thì Etd=(1-A)Et Với A là hệ số hấp thụ phụthuộc vào l=H/sinφ, p, T của khí quyển và vào các yếu tố khác của khí quyển nhưmây, bụi…

A=f(φ, l, p, T, thành phần tính chất khí quyển)

Hình 2-2.Sự truyền bức xạ E t trong khí quyển

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

Ngoài tia trực xạ, mỗi điểm M trên mặt đất còn được nhận thêm 1 dòng bức

xạ tán xạ do khí quyển và các vật xung quanh truyền tới ET, có trị số khoảng 60W/m2 trong trời nắng

Vậy dòng nhiệt bức xạ đến 1m2 mặt thu nằm ngang trên mặt đất là:

Với φ là góc tới tia nắng

2.4.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ mặt trời:

2.4.1.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ ngoài khí quyển:

Phương trình cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ mặt trời ngoài khí quyển,lúc ổn định là: năng lượng vật nhận được bằng tổng sự biến đổi nội năng của vật

và sự trao đổi năng lượng của vật ra ngoài môi trường

-Năng lượng vật nhận được: Ev=A.Et.Ft , (2.6)trong đó:

Td: nhiệt độ ban đầu của vật-Sự trao đổi năng lượng với môi trường:

+Toả nhiệt ra môi trường bên ngoài (trong chân không bằng 0)

+Sự tự phát xạ của vật: Efx= ε.σo.(T4-Tf4).F , (2.8)trong đó :

ε: độ đen của vật

Tf: nhiệt độ môi trường

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

F: diện tích bề mặt vật Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ ngoài khí quyển:

Hay A.Et.Ft=MC(T-Td) + ε.σo.(T4-Tf4).F (2.10)

2.4.2.Cân bằng nhiệt cho vật thu bức xạ trong khí quyển

-Năng lượng vật nhận được: Ev= A.Ed.Ft (2.11)Với Ed: năng lượng mặt trời truyền đến 1m2 vật thu trong khí quyển

66o33’ theo chu kì 24 giờ.Trái đất được bao bọc bởi lớp khí quyển có áp suất pgiảm dần với chiều cao h theo luật:

gh

o e p

µ

2.5.Lập công thức tính nhiệt độ cân bằng cho vật thu

Xét một vật thu năng lượng mặt trời lúc ổn định (∆U=0).Phương trình cân

Gọi ε ,T là độ đen và nhiệt độ cân bằng trên F thì phương trình trên có dạng:

A.To4 F t

l

D

.2

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

1 2

1

F t

ππ

1 0

10.39,157622

1 11

Đây là giá trị trung bình của nhiệt độ toàn cầu

2.6.Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời

2.6.1.Ưu điểm:

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng không thể thay thế được trênphương diện là một nguồn năng lượng của phản ứng quang hợp- một quá trình cơbản của tự nhiên điều chế các chất hữu cơ

Năng lượng mặt trời bảo đảm năng lượng cho loài người, hoàn toàn có thểthỏa mãn các nhu cầu năng lượng trong tương lai

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận của thiên nhiên, hằng nămmặt trời cung cấp cho trái đất một lượng nhiệt khổng lồ Ngoài ra nó là một dạngnăng lượng siêu sạch, việc sử dụng nó không dẫn đến ô nhiễm môi trường xungquanh

2.6.2.Nhược điểm:

Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng có nhiều ưu điểm nhưng việc sửdụng nó vẫn chưa được phổ biến rộng rãi Đó là do bức xạ mặt trời có các đặcđiểm riêng gây khó khăn cho việc tiếp nhận và chuyển đổi nó như:

- Bức xạ mặt trời khá tản mạn, có mật độ (công suất riêng) nhỏ, thay đổitheo thời gian (ngày, đêm, các mùa…)

-Hiệu suất biến đổi năng lượng của tia sáng mặt trời thành cơ năng, điệnnăng bị giới hạn bởi các nguyên lí của vật lí học và nhiệt động học

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

-Nó còn phụ thuộc vào vị trí địa lí, ở các cực của trái đất thì việc sử dụngnăng lượng mặt trời rất khó khăn

2.6.3.Một vài biện pháp khắc phục các nhược điểm:

-Để khắc phục nhược điểm bức xạ mặt trời không liên tục, ta sử dụng cácloại ắc quy để thu năng lượng mặt trời hoặc sử dụng năng lượng mặt trời dướidạng nhiệt năng

-Ta có thể đưa các thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời ra ngoài vũ trụ đểtiếp nhận và phát về trái đất dưới dạng sóng điện từ

-Để khắc phục nhược điểm tản mạn của bức xạ mặt trời ta có thể dùng mộtgương hội thụ lớn để có thể thu được năng lượng cần thiết

Các biện pháp khắc phục trên vẫn còn là cơ sở lí thuyết, việc đưa chúng ápdụng vào thực tế rất phức tạp, cần phải có sự nghiên cứu chuyên sâu của các nhàchuyên môn

2.7.Nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam:

Việt Nam nằm trải dài từ vĩ độ 8oBắc đến 23oBắc, nằm trong khu vực có cường độbức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 [kcal/cm2năm](4,2-7,3 [GJ/m2năm]), độ dài của ngày không có biến đổi lớn, khoảng 11 giờ vàomùa đông và 12 giờ vào mùa hè nên có số giờ nắng lớn Ở Nam Bộ số giờ nắngtrong ngày có thể đến 8÷9 giờ, mùa đông cũng đạt được 5÷6 giờ Do đó việc sửdụng năng lượng mặt trời ở nước ta đem lại hiệu quả kinh tế lớn

Miền Bắc có tổng số giờ nắng khoảng 1500÷1700 [giờ/năm], tổng lượngbức xạ khoảng 100÷130 [kcal/cm2năm]

Miền Nam có tổng số giờ nắng khoảng 2200÷2600 giờ, tổng lượng bức xạkhoảng 110÷150 [kcal/cm2năm]

Các tỉnh ven biển miền Trung có trên 2000 giờ nắng trong năm,ở TâyNguyên và các vùng núi cũng đạt trên 1700 giờ

Thành phố Đà Nẵng nằm sâu trong khu vực nội chí tuyến, số giờ nắng trongnăm khoảng 2000 giờ, độ cao mặt trời quanh năm rất lớn, lượng bức xạ trung bìnhhàng năm là 135÷150 [kcal/cm2năm]

Lý thuyết chung về năng lượng mặt trời

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

3.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

a.Pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từNLMT qua tế bào quang điện (photovoltaic cell-đượclàm từ hợp chất silicon)

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ

ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vựctàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng này đượcphát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nướcphát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pinNLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượngtruyền thống

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao,trung bình hiện nay khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trờihiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùngsâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xâydựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoácủa các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên.Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèonhư chúng ta

Hình 3-1.Hệ thống Pin mặt trời

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

b.Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Nhà máy này dùng tia bức xạ mặt trời gia nhiệt cho môi chất làm nhiệm vụ tải nhiệttrong hệ thống để sinh hơi Hơi sinh ra làm quay tua-bin, chạy máy phát và sinh rađiện Về bản chất nhà máy này giống với nhà máy nhiệt điện sử dụng các loại nhiênliệu hóa thạch truyền thống, chỉ khác là nhiệt được lấy từ bộ thu hấp thụ năng lượngmặt trời Tùy thuộc vào nhiệt độ cao cần thiết gia nhiệt cho môi chất mà có 3 loại bộthu chính sau:

-Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC

Hình 3.2: Hệ thống gương Parabol trụ

-Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ

có thể đạt tới trên 1500oC

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-3.Hệ thống trung tâm

Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên

1500oC

Hình 3-4.Hệ thống gương Parabol tròn xoay

Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “ tháp năng lượng mặt trời - Solar power tower “ .

Hình 3-5.Tháp năng lượng mặt trời

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

c.Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời

Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy các sảnphẩm như ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm.Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loại vật liệunhư gỗ

Hình 3-6.Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời

d.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như cácnước ở Châu Phi

Hình 3-7.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến Năm 2000,Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợpvới các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30.000 USD) đưa bếp năng lượng mặt

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, QuảngNgãi, dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng được đông đảo nhân dân ủng hộ Trong năm

2002, Trung tâm đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứngdụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằngNLMT

e.Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quảchưng cất kém hơn

Hình 3-8.Thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước NLMTdùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho sinh hoạt ởnhững vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước NLMT có gương phản xạđạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trường Đại học Bách khoa

Đà Nẵng

f.Động cơ Stirling chạy bằng NLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng được nghiêncứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại ỞViệt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triểnkhai ứng dụng vào thực tế Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-9.Bơm Stirling dùng năng lượng mặt trời

g.Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nướcnóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thếgiới

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-10.Thiết bị sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộngrãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng (hình 1.2) Các hệ thống này đã tiết kiệm chongười sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiệnchương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên thế giớichủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt

độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độcao hơn thì hiệu suất còn thấp

h.Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấpdẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt

là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnhlàm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic)

là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao

Hình 3-11.Thiết bị sản xuất nước đá dùng năng lượng mặt trời

Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máylạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiênhiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thànhcòn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳngvới hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợpvới yêu cầu thực tế Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá

bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụngtrong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máylạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

3.2.Thiết bị cung cấp hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời dùng bộ thu tập

trung:

3.2.1.Tổng quan về bộ tập trung năng lượng mặt trời dùng Gương Scheffler

và các ứng dụng:

Gương phản xạ Scheffler được thiết kế bởi Wolfgang Scheffler vào khoảng năm

1982 Ông là nhà vật lý nổi tiếng-người Áo, ông đã bỏ ra rất nhiều tâm huyết để cải tiến

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

gương Scheffler phục vụ chủ yếu cho người dân nghèo ở vùng nông thôn của các nướcđang phát triển như Kê-ny-a, Ấn Độ, Bô-li-vi-a, Mê-xi-cô Bots-wa-na và Su-đăng

Gương phản xạ (Gương Scheffler) là một phần tiết diện nhỏ được cắt ra từ một

nhánh Parabol lớn Bằng việc cắt nghiên sẽcho ra hình dạng hình dạng điển hình củagương Schefler là hình elip Ánh sáng chiếuvào tiết diện này và phản xạ ngược lại vềmột phía hội tụ tại tiêu điểm, cách gương

một khoảng cách nào đó

Trục xoay hàng ngày được đặt chính xáctheo hướng bắc-nam, song song với trục tráiđất và đi xuyên qua trọng tâm của gương

Đó là cách mà gương luôn luôn giữ được sựthăng bằng trọng trường và thiết bị điềuchỉnh cơ khí (như bộ máy đồng hồ) không cần dùng quá nhiều lực để di chuyển khi cầnxoay nó đồng bộ với mặt trời Tiêu điểm được đặt trên trục xoay để ngăn không cho tiêuđiểm bị lệch khi xoay gương Khoảng cách giữa tiêu điểm và tâm gương phụ thuộc vàoviệc ta chọn Parabol như thế nào Suốt cả ngày điểm hội tụ chỉ xoay quanh tâm của nó màkhông di chuyển về phía bất kì hướng nào Đó là cách tiêu điểm được giữ cố định, điềunày rất hữu ích vì nồi nấu nướng không cần phải di chuyển

Trong mỗi mùa, góc tới của bức xạ mặt trời thay đổi +/-23,5o và luôn vuông gócvới trục trái đất Parabol phải chỉnh mặt hứng nắng cùng với sự thay đổi của góc nghiêngsao cho hướng trực tiếp vào mặt trời Mặt khác,nó không thể định hình rõ ràng, chính xáctiêu điểm nhưng tâm của gương và vị trí của tiêu điểm không được phép di chuyển

Ta chỉ có thể là chỉnh lại tia sáng hội tụ sau gương (Gương sơ cấp) bằng một parabol khác(gương thứ cấp) theo góc nghiêng của mặt trời vào mỗi mùa, ví dụ mỗi ngày trong năm.Nghĩa là phải luôn điều chỉnh gương Khung gương được chia thành các điểm, phần nhỏ

để chế tạo và có thể nghiêng, xoay linh hoạt để có thể đáp ứng đủ độ chính xác

Hình 3-12.Vị trí gương trên

Parabol tròn xoay

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Mặt trời cho chúng ta ấn tượng là luôn chuyển động vì trái đất đang quay dướichân chúng ta Một cách để không thấy sự di chuyển của mặt trời trong khi trái đất xoay

là đứng ở tâm hay trục quay của trái đất Như trò đèn kéo quân, khi bạn đến tâm, bạn sẽ

vẫn quay nhưng không dichuyển về một phía nữa.Cùng một cách này mà ta giữcho tiêu điểm của gươngScheffler định vị ở một nơixác định ở trên trục xoay củagương Khi tiêu điểm luôn cốđịnh tạo ra một sự thuận lợilớn

a.Di chuyển theo mặt trời

Vì trái đất luôn quay xung quanh một trục đi qua cực Bắc và cực Nam, nên gươngScheffler phải xoay quanh một trục song song với trục trái đất theo hướng ngược lại.(Điều này làm làm mất tác dụng sự tự quay của trái đất)

Cái này gọi là sự nâng của cực hay sự nâng trên trục cực

Tốc độ là một vòng một ngày hay nói đúng hơi là nửa vong trong nửa ngày, vì chúng takhông sử dụng năng lượng mặt trời vào ban đêm Điều này làm gương luôn hướng trựctiếp về phía mặt trời theo một cách không đổi

Tốc độ không đổi được điều khiển bằng đồng hồ cơ khí

Thực tế, biên dạng của gương phải làm sao cho tiêu điểm nằm về một phía ở hướng Bắchoặc hướng Nam Điều này giúp cho tiêu điểm luôn nằm trong nhà ngay cả khi gươngluôn nằm bên ngoài

b.Linh hoạt mềm dẻo là một đặc tính tốt nhất của gương Scheffler

Đây là điểm quan trọng nhất trong việc thiết kế gương Scheffler, tạo cho ngườixem một cái nhìn hoàn hảo

Vào mùa đông thì mặt trời ở thấp phía dưới đường chân trời trong khi mùa hè thì đi lêncao nhất ở trên bầu trời Do chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường mà góc của tia

Hình 3-13.Thay đổi góc nghiêng theo mùa

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

nắng luôn khác nhau vào mỗi ngày, thật là khó khi luôn giữ một tiêu điểm nhỏ và sángluôn ở vị trí cố định trong suốt bốn mùa

Thiết kế của gương Scheffler đáp ứng đòi hỏi khắc khe này một cách mĩ mãn Banđầu nghe có vẻ không tin, nhưng gương đã thay đổi biên dạng để giữ nguyên bề mặt hứngnắng phù hợp với sự thay đổi góc tia nắng Điều này giúp luôn có được tiêu điểm rõ ràng

và xác định trong suốt các mùa

Hình 3-14.Sự khác nhau của tiêu điểm parabol do sự thay đổi tia nắng theo mùa

Góc tới phải luôn song song với trục y, sự thay đổi của mùa ở vùng trống, tiêu điểm F và tâm gương (điểm đen) luôn thẳng hàng

Khi bạn cắt trái cam thành hình tròn hay hình elíp và bóp nhẹ trong lòng bàn tay, bạn sẽthấy được hình dạng giống như hình dạng cần thiết của gương Khi bạn vắt kiệt nó, nhìn

về một hướng trông hơi cong, nhìn một hướng khác trông hơi phẳng một chút Khi bạnnắn nó ra, nó phẳng ở hướng này nhưng cong ở hướng khác Điều này cho ta một ý tưởng

về cách thay đổi biên dạng của gương để ra một tiêu điểm hội tụ vào tất cả các mùa

Đối với gương thật thì tất cả các biên dạng đã được tính toán trước, với một máytính bỏ túi và các kiến thức toán ở trường đủ để làm việc này Dựa trên các phương trìnhparabol và phương trình đường thẳng và sự tính toán giao điểm

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Đây là sụ thật bất cứ khi nào bạn parabol tròn xoay băng một mặt phẳng, cho tamột hình elíp(hay còn gọi là hình nón) Điều nay giải thích tại sao gương Scheffler luôn

Hai vấn đề này là thường lệ điều chỉnh sau một vài ngày, chỉ kéo và đẩy gương chođến khi tất cả ánh sáng hội tụ tại tiêu điểm chính xác

Thật là tiện lợi khi hạn chế số điều chỉnh, không gây cảm giác phức tạp đối với người sửdụng

Mức độ đẩy tâm gương về phía trước hay thụt vào một cách tự động khi gươngđược điều chỉnh theo độ cao thấp của mặt trời do sự thay đổi theo mùa Cùng lúc đó, góccủa gương vể phía trước gắn với sự thay đổi của trục trái đất, vị trí này thích hợp

Toàn bộ kết cấu đạt trạng thái cân bằng ổn định và dễ dàng xoay chuyển, khung được làm

từ các ống và thanh sắt inox sáng, dễ uốn ở những chổ cần độ cong nhiều (chỗ gần tâm),cần đủ độ cứng ở những chổ độ cong ít (vùng xa tâm)

c.Mô hình thiết kế:

Thay đổi độ nghiêng và góc xoay của gương nhờ sự kết hợp cơ khí nhờ các điểm:

2 điểm then chốt A- nằm ở mỗi bên của khung gương, và điểm B nằm ở tâm gương; cácđiểm A,B không thẳng hàng(điểm B nằm phía dưới) Khi nghiêng sẽ làm thay đổi bề sâucủa gương, khi đó tâm gương nâng lên hay hạ xuống đều do khung gương Đủ để điềuchỉnh các điểm cao nhất và thấp nhất (C và D) của gương đến vị trí phù hợp để đạt diệntích hứng nắng hiệu quả nhất Thiết đặt này được thực hiện bởi một kính thiên văn ở mỗiđiểm cuối của gương

Việc điều chỉnh gương được thực hiện thông thường 2÷3 ngày một lần Khi tất cảánh sáng đều hội tụ vào nơi đặt bếp, định vị ở tiêu điểm thì được

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 3-15.Cơ cấu điều chỉnh

Sau khi ánh sáng đi vào nơi đặt bếp được phản xạ một lần nữa bởi một gương nhỏ (gươngthứ hai) vào dưới đáy nồi.Tại đây có sự hấp thụ và truyền nhiệt, khi nâng nhiệt độ nước từ

25oC lên 100oC hiệu suất đạt được 57% và phụ thuộc vào độ bóng của mặt phản xạ và độđen của đáy nồi Tại tiêu điểm ta có thể đo hiệu suất trên 75% (bằng 2mm gương thủytinh thông thường) Phụ thuộc vào sự thay đổi về mùa, gương elíp có kích thước 2.8m x3.8m (kích thước chuẩn 8m2 gương Scheffler ) thu được diện tích hứng nắng từ4.3m2÷6.4m2 đo vuông góc với hướng của tia tới Giải thích tại sao có sự khác nhau có sựthay đổi về lượng nhiệt nhận được khác nhau theo mùa Trung bình 8m2 gương Scheffler

có thể gia nhiệt cho 22 lít nước lạnh đến nhiệt độ sôi trong một giờ (với cường độ bức xạ700W/m2 )

Có rất nhiều lựa chọn để thiết kế nơi đặt bếp Hầu hết đều đặt tậi nhà bếp của nhà

ở, tạo sự thuận tiện có thể dùng củi đốt và những ngày không có nắng Phụ thuộc vào loạithực phẩm chế biến mà có khi không cần gương thứ cấp Điều này làm tăng hiệu quả và