nghiên cứu nâng cao hiệu suất thiết bị chưng cất nước bằng năng luợng mặt trời

Trái đất có bán kính r=6436 km, khoảng cách giữa mặt trời và trái đất R=150,6 x 106km , do đó phần năng lượng chiếu lên bề mặt ngoài của lớp khí quyển sẽ đến trái đất: Vì đây là nguồn n

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI DUY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT THIẾT BỊ

CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG NĂNG LUỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 1 3 4

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ TRẦN THÁI DUY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204

Hướng dẫn khoa học:

TS HOÀNG AN QUỐC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Họ và tên: TRẦN THÁI DUY Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1986 Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Huế Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: SN 133, khu I, ấp Hiệp Tâm I, thị trấn Định Quán, huyện Định Quán, Đồng Nai

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0906799008 Fax: Email: Tranduy.spkt@gmail.com

II QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …./… đến …./… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật HCM

Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp

Tên đồ án: Biên soạn giáo trình và câu hỏi trắc nghiệm môn công nghệ nhiệt luyện

Ngày và nơi bảo vệ luận án:

Người hướng dẫn: Trần Thế San

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

2009 đến nay Trường THPT Tân Phú,

huyện Định Quán, Đồng Nai

Giảng dạy

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013

Trần Thái Duy

Đề hoàn thành luận văn thạc sỹ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng

hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Hoàng An Quốc, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời tri

ân nhất của đối đối với những điều thầy đã dành cho tôi

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy cô trong bộ môn khoa Công Nghệ Chế Tạo Máy trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như mọi diều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu cho đến khi thực hiện xong đề tài luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã khong ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị và bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suố thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện

đề tài luận văn thạc sỹ một cách hoàn chỉnh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013

Học viên Trần Thái Duy

Việt Namlà một đất nướccó tiềm năngcao củanăng lượng mặt trời, chưng cất nước ngọtbằngcáchsửdụngnăng lượng mặt trờilàmột cáchđầyhứahẹncho sự phát triểnbềnvữngvì năng lượngđược sử dụng làmiễn phí và khôngcóhạicho môi

trường.Trong luận văn này,mộtthiết bịchưng cấtnước ngọtsửdụngmột bộ thunăng

lượng mặt trờikiểu paraboltập trungđãđượcnghiên cứuthực nghiệm Hệ thốngthử nghiệmbao gồmmột bộ thunăng lượng mặt trời kiểu paraboltập trung có đường kính 1,6mvà chiều sâu 0,5m Bề mặt phản xạparabol được làm bằng Inoxcóthểphảnánhbức xạ mặt trời Tại tiêu điểmcủaparabolgắn một thiết bị chưng cấtnước ngọt.Thiết bịchưng cấtnước ngọtsửdụngbộ thunăng lượng mặt trời kiểu paraboltập trungđược thiết kế và thử nghiệmtheo các điều kiệnđịa phương củaĐịnhQuán, tỉnhĐồng Naitrong những ngàytừ13/6/2012đến30/11/2012 Thí nghiệm đoảnh hưởng củabức xạ mặt trờivà công suấtcủa thiết bị Lượng nước ngọt thu được từ thiết bị nàycóthểnằm trong khoảngtừ6đến8L/ngàytrong điều kiệnbình thườngtừ7h00 đến16h00

Vietnam is a country with a high potential of solar energy, distilling freshwater using solar energy is a promising way to sustainable development since the energy used is free and not harmful for the environment In This thesisthe freshwater distillation equipment using a parabolic concentrated solar collector has been experimentally studied The experimental system consists of a parabolic concentrated solar collector with 1.6 m diameter and 0.5 m depth The material of reflective surface’s parabolic collector is Inox,

so that they can reflect solar radiation At the focal point of parabolic collector mount the freshwater distillation equipment Performance of the freshwater distillation equipment using a parabolic concentrated solar collector is tested under the local conditions of Định Quán, Đồng Nai province during the days from 13/6/2012 to 30/11/2012 The experiment shows that, the influence of the solar radiation on a capacity of the equipment The capacity of this equipment can range from 6 to 8 L/day of fresh water in normal conditions from 7h00 to 16h00

Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt nội dung luận văn iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt vi

Danh sách các bảng vii

Danh sách các hình viii

Chương 1.TỔNG QUAN 5

Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

Chương 3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 46

Chương 4.THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 58

Chương 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO

c p Nhiệt dung riêng của nước (J.kg-1.K-1)

Q s Nhiệt lượng cần thiết đun sôi nước (W)

Q bh Nhiệt lượng cần thiết để nước bay hơi (W)

r nhiệt ẩn hóa hơi.(J/kg)

Q u Năng lượng sử dụng (W)

Q l Năng lượng thất thoát (W)

Q l-DL Nhiệt lượng thất thoát đối lưu (W)

Q l-BX Nhiệt lượng thất thoát bức xạ (W)

Q p Năng lượng đến bộ tập trung parapol (W)

A r Diện tích bề mặt hấp thụ bức xạ (m2)

k Hệ số đối lưu

T r nhiệt độ của nồi (oC)

T a Nhiệt độ môi trường (oC)

ξ Hệ số phát xạ toàn phần của vật thực

α Hằng số stefan-Boltzamn

A a Diện tích khẩu độ parapol (m2)

h Chiều cao của Parapol (m)

f Tiêu cự Parapol (m)

F Tiêu điểm Parapol (m)

HÌNH TRANG

Hình 1.1 Quỹ đạo chuyển động của trái đất quanh mặt trời 6

Hình 1.2: Các vùng trên trái đất 6

Hình 1.3 Quang phổ bức xạ mặt trời 8

Hình 1.3 : Thiết bị chưng cất nước dạng bị động 20

Hình 1.4 : Thiết bị chưng cất nước dạng bị động 20

Hình 1.5: Thiết bị chưng cất dùng bấc 21

Hình 1.6.: Thiết bị chưng cất dạng bậc thang 21

Hình 1.7: Thiết bị chưng cất dạng chủ động 24

Hình 1.8.: Chưng cất nước với bộ thu hình cầu 25

Hình 2.1: Đường cong parapol 28

Hình 2.2: Các đường parapol có cùng khẩu độ và tiêu điểm F 29

Hình 2.3: Hình parapol tròn xoay 31

Hình 2.4: Phản xạ của tia sáng khi tới gương parapol 41

Hình 2.6 Các bọt hơi hình thành tại tâm sôi 43

Hình 2.7 Ngưng giọt và ngưng màng 45

Hình 3.1 Hình dạng của chảo parapol sau khi chế tạo 52

Hình 3.2: Cấu tạo nồi chưng cất hơi nước được ngưng bên trong ống đồng 53

Hình 3.4 Cấu tạo nồi chưng cất cho hơi nước ngưng

Hình 3.5: Nồi chưng cất cho hơi nước ngưng tụ

Hình 4.1: Bức xạ mặt trời theo thời gian các giờ trong ngày 60 Hình 4.2: Bức xạ mặt trời trong khoảng thời gian 10h00’ đến 11h00’ 61 Hình 4.3: Lượng nước chưng cất thu được trong từng giờ của mô hình 1 62

Hình 4.5: Lượng nước chưng cất thu được trong từng giờ của mô hình 2 63

Hình 4.7 Thời gian đun sôi 1,2 lít nước lúc bức xạ mặt trời 800 (W/m2) 66 Hình 4.8: Biểu đồ ảnh hưởng của lượng nước với hiệu suất thiết bị trong

Hình 4.10: Ảnh hưởng của lưu lượng làm mát đối nhiệt độ nước đầu ra và

lượng nước cất thu được của mô hình 2 khi thí nghiệm trong điều

BẢNG TRANG

Bảng 1.1: Sự phân bố quang phổ chiếu của mặt trời ngoài bầu khí quyển 7

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên rất lớn, có ở khắp nơi mà con người đã biết ứng dụng từ lâu đời, nó là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và sự phát triển của sự sống trên trái đất Tuy nhiên, sự khai thác nguồn tài nguyên này hãy còn nhiều hạn chế Với sự tiêu thụ năng lượng ngày càng gia tăng, nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt người ta buộc phải tìm nguồn năng lượng bổ sung như năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh học… Một trong các nguồn năng lượng được các nhà nghiên cứu trên thế giới rất quan tâm là năng lượng mặt trời, tuy là loại năng lượng siêu sạch, vô tận và ở đâu cũng có nhưng ứng dụng trên quy mô lớn thì không dễ vì nó có những đặc điểm riêng

1.1.1 Mặt trời

Mặt trời là quả cầu có đường kính 1,39 x 106 km, có nhiệt độ rất cao, ở vùng trung tâm mặt trời có xảy ra các phản ứng nhiệt hạch nên nhiệt độ đạt đến hàng chục triệu độ Nhiệt độ hữu hiệu ở bề mặt ngoài mặt trời khoảng 5762o K, quang phổ bức xạ mặt trời gần giống với quang phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt

độ

Trái đất có đường kính 1,27 x 104 km, khoảng cách trung bình giữa mặt trời và trái đất là 1,50 x 108 km, khoảng cách xa nhất của mặt trời với trái đất là vào ngày 21/6 (hạ chí) là 95,9 x 106 miles, khoảng cách ngắn nhất vào ngày 21/12 (đông chí)

là 89,83x106 miles, như vậy khoảng cách giữa mặt trời và trái đất thay đổi trong khoảng 150 x 106 km ±1,7%

Trái đất quay xung quay mặt trời trên một mặt phẳng elip gọi là mặt phẳng hoàng đạo, trái đất quay quanh mặt trời 1 vòng là 365 + 1/4 ngày, quỹ đạo chuyển động của trái đất quanh mặt trời gọi là đường hoàng đạo

Trái đất vừa quay quanh mặt trời trên đường hoàng đạo đồng thời vừa xoay quanh trục của nó nghiên với mặt phẳng hoàng đạo một góc là 23,50, mỗi vòng quay quanh trục của nó là là 24h Sơ đồ nguyên lý chuyển động của trái đất quanh mặt trời và tự xoay quang trục của nó thể hiện hình 1.1

Hình 1.1 Quỹ đạo chuyển động của trái đất quanh mặt trời

Do trái đất vừa chuyển động xoay

quanh trục của nó vừa quay quanh

mặt trời nên bức xạ mặt trời chiếu

trên các vùng trên bề mặt trái đất

cũng khác nhau

Từ hình 1.1 ta cũng nhận thấy vào

các ngày 21/3 (ngày xuân phân) và

ngày 21/9 (ngày thu phân) mặt trời

chiếu thẳng vào xích đạo, còn ngày

21/6 (ngày hạ chí) mặt trời chiếu thẳng vào chí tuyến bắc, còn ngày 21/12 (ngày đông chí) mặt trời chiếu thằng vào chí tuyến nam Như vậy các vùng có vĩ độ trên 23,50 mặt trời không bao giờ qua đỉnh đầu lúc 12h

1.1.2 Quang phổ bức xạ mặt trời

Vì nhiệt độ của bề mặt trời rất cao (57620K) nên mặt trời phát ra bức xạ vào vũ trụ theo tất cả các phương, 99% năng lượng bức xạ tập trung trong dãi quang phổ

có bước sóng 0,2≤λ≤3 μm, khả năng bức xạ đơn sắc đạt cực đại ứng với bước sóng

λm= 0,5 μm Trong thành phần quang phổ bức xạ mặt trời: Tia tử ngoại (λ=4x10-3 – 0,38 μm ) chiếm 8,7% dãi ánh sáng (λ = 0,38 – 0,76 μm) chiếm khoảng 44,6%, dải hồng ngoại (λ=0,76 -103 μm) chiếm 45,4%

Bảng 1.1 cho chúng ta thấy tình trạng phân bố quang phổ chiếu của bức xạ mặt trời ngoài bầu khí quyển

Bảng 1.1 : Sự phân bố quang phổ chiếu của mặt trời ngoài bầu khí quyển

0,2 – 0,28 μm 0,28 – 0,32 μm 0,32 – 0,4 μm

0,4 – 0,52 μm 0,52 – 0,62 μm 0,62 – 0,78 μm

6,978 x 10-5 6,978 x 10-76,978 x 10-4

7,864 x 10-62,122 x 1018,073 x 101

2,240 x 1021,827 x 1022,280 x 102

0,57 1,55 5,90

16,39 13,36 16,68

Hồng ngoại – A

Hồng ngoại – B

0,78 – 1,4 μm 1,4 – 3,0 μm

4,125 x 101,836 x 102

30,18 13,43 Như vậy từ bảng 1.1 ta nhận thấy, trong dãi quang phổ từ 0,20 – 3 μm, tổng lượng bức xạ chiếm 98,07%, còn phần năng lượng chiếm với λ>3 μm là rất nhỏ Còn trong dải quang phổ 0,40 ≤λ≤3,0 μm, tổng năng lượng chiếm 91,04%, đặc điểm quang phổ này liên quan chặt chẽ với tính năng sử dụng năng lượng mặt trời sau này

Quang phổ bức xạ mặt trời ngoài bầu khí quyển thể hiện trên đồ thị quang phổ bức xạ như hình 1.3

Hình 1.3.Quang phổ bức xạ mặt trời

Cường độ bức xạ mặt trời chiếu đến 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ phía ngoài bầu khí quyển là Ib=1367±7W/m2 được gọi là hằng số bức xạ mặt trời Nếu xem mặt trời là một vật đen tuyệt đối có đường kính là D=1,395 x 106 km thì diện tích bề mặt mặt trời là 6,131 x 1018 m2, do đó năng lượng bức xạ từ bề mặt mặt trời phát ra tứ phương sẽ là:

(5,67 x 10-8) x (6,131 x 1018) x 57624 = 3,832 x 1026 W

Trái đất có bán kính r=6436 km, khoảng cách giữa mặt trời và trái đất R=150,6 x

106km , do đó phần năng lượng chiếu lên bề mặt ngoài của lớp khí quyển sẽ đến trái đất:

Vì đây là nguồn năng lượng tái sinh, siêu sạch, khổng lồ nên được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm tận dụng ở nhiều góc độ khác nhau, ví dụ về khía cạnh hiệu ứng quang điện, người ta nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời có giá thành thấp, hiệu suất cao để sán xuất ra năng lượng tiêu dùng, về hiệu ứng quang nhiệt người ta nghiên cứu để sản xuất nước nóng, sản xuất nước ngọt từ nước biển, sấy, sưởi… và mục đích cao nhất là sản xuất điện năng, hiệu ứng quang hợp và quang hóa cũng được quan tâm mạnh mẽ, đặc biệt là ở những nước có kỹ thuật và công nghệ cao

Về khía cạnh khác năng lượng bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất có tính phân tán, thay đổi theo thời gian và thất thường cho nên cũng có những nhà nghiên cứu thử nghiệm theo hướng sử dụng năng lượng mặt trời phía ngoài vũ trụ Đã có những đề án tính toán, thử nghiệm sản xuất điện năng bằng cách lắp ráp ngoài khoảng không vũ trụ một hệ thống pin mặt trời có diện tích lớn (ở phía ngoài vũ trụ, cường độ bức xạ mặt trời ổn định không có ngày đêm với hằng số mặt trời Is =1367W), năng lượng thu được

sẽ chuyển thành bước sóng ngắn truyền về trái đất, trái đất tiếp thu chuyển thành năng lượng thông dụng Cũng có những đề án phóng và lắp ráp ngoài vũ trụ ba hệ thống gương phản xạ quay theo quỹ đạo khác nhau tính toán trước để phản xạ về một vùng nhất định trên trái đất (mỗi gương phản xạ chiếu trong 8h như vậy vùng này sẽ được

chiếu nắng suốt 24h và các thiết bị sản xuất điện năng sẽ được đặt tại đấy để ứng dụng…

Tuy nhiên, việc ứng dụng khai thác nguồn năng lượng này đang còn dừng ở mức độ nhất định vì cần phải có kỹ thuật cao, kinh phí đầu tư nghiên cứu và giá cả cạnh tranh được trong sản xuất điện năng… nghĩa là tương lai rất sáng sủa nhưng cần phải có thời gian

1.1.3 Lịch sử các gian đoạn phát triển ứng dụng năng lƣợng mặt trời

Về lịch sử, con người đã biết ứng dụng năng lượng mặt trời từ hơn 3000 năm trước Hằng trăm năm trước công nguyên, người Trung Quốc đã biết chế gương cầu lỏm bằng cách đánh bóng để lấy lửa từ năng lượng mặt trời, Archimet đã biết tập trung vài trăm gường đồng đánh bóng để tập trung năng lượng mặt trời đốt cháy chiến thuyền giặc… Tuy nhiên, việc biến nguồn năng lượng mặt trời thành nguồn năng lượng chính thống và cung cấp động lực để sử dụng chỉ khoảng 400 năm gần đây Căn cứ trên việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời như là một nguồn năng lượng và cung cấp động lực, các nghiên cứu và ứng dụng phân quá trình phát triển

và ứng dụng năng lượng thành tám giai đoạn:

1- Giai đoạn 1: 1615 – 1900

Có thể xem đây là giai đoạn lịch sử cận đại, mỗi giai đoạn được đánh dấu bằng một số công trình đặc trưng Ví dụ, năm 1860 công trình sư người Pháp chế tạo bếp mặt trời dùng gương phản xạ parpol cùng cho quân đội Châu Phi, chế tạo máy phát động lực công suất 1,6Hp, chế tạo máy phát động hơi nước dùng năng lượng mặt trời cho máy in … Và một số công trình khác

2- Giai đoạn 2: 1901 – 1920

Trọng điểm của các nhà nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tập trung vào hệ thống thiết bị động lực dùng năng lượng mặt trời nhưng phương thức tập trung rất đa dạng.Bắt đầu sử dụng collector mặt trời dạng tấm phẳng với các môi chất có điểm sôi thấp.Quy mô thiết bị càng lớn, công suất tối đa đạt đến 73,55kW, giá

trị sử dụng tăng lên tuy nhiên giá thành còn cao Năm 1901, người Mỹ chế tạo thành công thiết bị bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, gương phản xạ tự động điều chỉnh theo phương vị mặt trời được ứng dụng công suất là 7,36kW Năm 1902 – 1908, các nhà nghiên cứu Mỹ đã chế tạo 5 hệ thống phát động lực dạng piston, dùng môi chất là NH3 và một số lãnh chất khác sôi ở nhiệt độ thấp kết hợp với collector mặt trời dạng tấm phẳng Năm 1913, với sự hợp tác nghiên cứu của nhiều nhà chế tạo một hệ thống phát động lực công suất 5,4 x

104 W với 5 bộ phản xạ ánh sáng dạng gương parapol máng, mỗi hệ thống gương dài 62,5m, rộng 4m, tổng diện tích là 1250m2…

3- Giai đoạn 3: 1921-1945

Do nhiên liệu hóa thạch được khai thác với sản lượng lớn, đồng thời bị ảnh hưởng của chiến tranh thế giới thứ 2 nên giai đoạn này có thể xem là thoái trào của việc nghiên cứu và số đề tài nghiên cứu cũng giảm đi rất nhiều,

4- Giai đoạn 4: 1946 – 1965

Hai mươi năm sau kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2, các nhà nghiên cứu lại tập trung chú ý vào khai thác sử dụng dầu mỏ, khí thiên nhiên Nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới tăng rất nhanh, trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, khó đáp ứng lâu dài, do đó còn người đã sớm chuẩn bị, tìm kiếm một nguồn năng lượng mới và rất coi trọng khai phá nguồn năng lượng mặt trời Trong giai đoạn này, các nhà khoa học đã có sự hợp tác về nhiều mặt, đi sâu nghiên cứu về cơ sở lý luận và chế tạo vật liệu mới phù hợp cho việc ứng dụng năng lượng mặt trời.Giai đoạn này cũng đã tìm ra vật liệu lớp phủ hấp thụ chọn lọc, các trung tâm nghiên cứu năng lượng mặt trời cấp quốc gia đã thành lập để hợp tác lực lượng nghiên cứu và trang bị đầy đủ hơn Tháng 10/1954, Ấn Độ thành lập hiệp hội nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời, là tiền thân Hiệp hội ứng dụng năng lượng mặt trời ngày nay (ISES), tháng 12/1955, Mỹ đã mở hội nghị triển khai lớn về ứng dụng năng lượng mặt trời, có

hơn 37 quốc gia tham gia và hơn 3 vạn khách tham quan Năm 1955, nhà bác học Tabor và một số cộng sự lần đầu tiên đề xuất cơ sở lý luận về bề mặt hấp thụ quang phổ có tính chọn lọc, phát hiện nguyên lý hồ mặt trời… Năm 1960, người mỹ chế tạo máy lạnh hấp thụ NH3-H2O dùng collector phẳng phục vụ cho điều hòa không khí với năng suất 5 tấn lạnh…ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu khác được thực hiện trong giai đoạn này

5- Giai đoạn 5: 1966 – 1973

Công tác nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời trong giai đoạn này bị đình trễ, sự tiến triển rất chậm, nguyên nhân chủ yếu là kỹ thuật sử dụng năng lượng mặt trời chưa thành thạo, còn trong giai đoạn trưởng thành, các thiết bị năng lượng mặt trời kích thước quá lớn, hiệu suất thấp…nên khó cạnh tranh với nguồn năng lượng truyền thống Chính vì vậy nó rất khó phổ cập đại trà, đồng thời không được các công ty lớn và chính phủ trọng thị

6- Giai đoạn 6: 1973 – 1980

Tháng 10/1973 xảy ra chiến tranh trung cận đông khiến cho dầu mỏ trở thành

vũ khí, sản lượng dầu giảm, giá cả tăng nên ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh

tế của các quốc gia phát triển Điều này một cách khách quan khiến người ta nhận thức rằng cơ cấu của nguồn năng lượng hiện thời cần được cải biến, nhanh chóng hướng tới nguồn năng lượng mới để bổ sung kịp thời Trong giai đoạn này, rất nhiều các quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển tăng cường sự ủng hộ đối với việc sử dụng năng lượng mặt trời Trên phạm vi toàn thế giới, lại bộc phát phong trào khai phá sử dụng năng lượng mặt trời Trong giai đoạn này có những đặc điểm sau:

a Các quốc gia tăng cường quy hoạch công tác nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời, không ít các quốc gia đã đặt các kế hoạch ngắn hạn và dài hạn về vấn đề này chính phủ cũng rất quan tâm tạo điều kiện Hợp tác quốc tế cũng tăng vọt, chuyên gia nghiên cứu cũng có sự nghiên cứu cũng có sự hợp tác

chặt chẽ trên nhiều lĩnh vực, tăng cường giao lưu trao đổi kinh nghiệm qua các cuộc hội thảo quốc tế

b Lĩnh vực nghiên cứu không ngừng mở rộng, công tác nghiên cứu ngày càng

đi vào chiều sâu, qua đó đã thu được một số thành quả quan trọng Ví dụ: phản quang tập trung năng lượng, ống nhiệt mặt trời chân không, hệ thống

sử dụng năng lượng mặt trời để phát điện…

c Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời phổ cập hóa, nhiều công trình quy mô lớn bắt đầu hoàn thành

7- Giai đoạn 7: 1981 – 1991

Trong giai đoạn này, sự phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời có phần giảm sút, nhiều quốc gia giảm kim nghạch nghiên cứu trong đó Mỹ là nước đột xuất nhất Nguyên nhân chủ yếu chủ yếu dẫn đến tình trạng này là do: giá dầu mỏ giảm, trong khi đó giá thành thiết bị năng lượng mặt trời còn quá cao, năng lượng nguyên tử phát triển tương đối mạnh dẫn đến sự hạn chế này Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng mặt trời trong giai đoạn này có phần bị hạn chế nhưng không gián đoạn và cũng đạt được những thành quả nhất định Ví dụ:

1981 – 1991 đã thiết lập được 22 trạm phát điện công suất trên 500kW, 1985 –

1991 Mỹ đã đưa vào hoạt động nhà máy phát điện mặt trời dạng nhiệt điện tổng dung lượng đạt 354MW, nhiều công trình lớn khác cũng đang phát triển

8- Giai đoạn 8: từ năm 1992 đến nay

Sự tiêu hao năng lượng hóa thạch để thỏa mãn nhu cầu năng lượng quá lớn đã gây ảnh hưởng đến ô nhiễm tác hại môi trường không nhỏ, thế giới đã có những cuộc hội nghị để đánh giá và hạn chế ảnh hưởng này

Công nghệ nguyên tử nhiều ưu điểm nhưng đồng thời cũng bộc lộ nhiều nhược điểm chết người khó khắc phục và để lại hậu quả lâu dài…những sự cố lớn về nhà máy nguyên tử liên tiếp xảy ra gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhiều quốc gia khiến các nước phải có sự đánh giá lại về nguồn năng lượng sử

dụng trong tương lai, trong đó nguồn năng lượng mặt trời rất được coi trọng trong việc đầu tư quy mô về nghiên cứu cơ bản về lý thuyết và thiết bị

Đặc điểm của quá trình nghiên cứu trong giai đoạn này là:

a Nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với việc bảo vệ môi trường

b Với sự phát triển khoa học công nghệ toàn diện trong giai đoạn này như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo, máy tính, dụng cụ đó và tự động hóa, đã tạo điều kiện cho công tác nghiên cứu ứng mặt trời nâng lên tầm mới Đề tài và quy mô rất đa dạng và có chiều sâu hơn, hiệu suất thiết bị được nâng cao, giá thành sản phẩm giảm nên việc sử dụng phổ cập có phần thuận lợi

c Nhiều nước phát triển đã tăng cường kinh phí cho nghiên cứu về năng lượng mặt trời, hợp tác quốc tế mở, quy mô lớn được tăng cường nhằm vào ứng dụng công nghiệp Chính vì vậy, giai đoạn này cũng đã thu được các kết quả nghiên cứu có hiệu quả to lớn, đạt nhiều hy vọng mới cho tương lai

1.1.4 Vai trò và đặc điểm của năng lƣợng mặt trời

Con người đã biết sớm ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời, nhưng được coi

là nguồn năng lượng được thác để cung cấp động lực thì chỉ gần đây

Ứng dụng năng lượng mặt trời là lĩnh vực quan trọng trong việc khai phá, lợi dụng nguồn năng lượng tự nhiên này Căn cứ vào phương thức chuyển đổi năng lượng, việc ứng dụng nghiên cứu này dựa trên bốn phương thức cơ bản gồm có:

- Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng (dựa trên hiệu ứng quang nhiệt)

- Chuyển đổi thành điện năng trực tiếp (hiệu ứng quang điện)

- Chuyển đổi thành hóa năng (hiệu ứng quang hóa)

- Hiệu ứng quang hợp

Tùy theo phương thức sử dụng mà thiết bị cũng khác nhau Đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời là:

- Nguồn năng lượng này có tính phổ biến: Bất kì ở đâu cũng có nguồn năng lượng mặt trời, nó không cần sự vận chuyển đến đấy là một đặc điểm vô cùng quan trọng

- Nguồn năng lượng vĩnh cửu: Vì nó là nguồn năng lượng tái sinh liên tục ổn định

- Nó là nguồn năng lượng cực lớn: Như chúng ta đều biết, nguồn năng lượng bức

xạ chiều đến trái đất rất lớn, nó có thể tái sinh liên tục Ngoài ra, nếu khai thác nguồn năng lượng này ở ngoài bầu khí quyển thì có thể xem là vô tận

- Nó là nguồn năng lượng siêu sạch: Nguồn năng lượng này không phải do đốt nhiên liệu tạo nên, do đó không có bụi, các khí độc hại và các vấn đề khác Nhìn chung, nguồn năng lượng này rất hấp dẫn, tuy nó cũng có những nhược điểm riêng cho nên việc khai thác không phải dễ:

- Nguồn năng lượng có tính phân tán: Như chúng ta đều biết, cường độ bức xạ mặt trời trên 1m2 bề mặt không lớn (tố đa khoảng 1000 W/m2 vào khoảng 11 giờ - 13 giờ), nó thay đổi liên tục trong ngày từ sáng đến chiều, thay đổi theo mùa trong năm… và nhiều điều kiện khác nên rất khó khai thác để trở thành nguồn động lực Thiết bị ứng dụng năng lượng mặt trời muốn có công suất lớn phải có diện tích thu năng lượng mặt trời lớn nên hiệu suất thấp, giá thành sản xuất cao, bảo trì phức tạp, thiết bị phơi ngoài trời nên chịu ảnh hưởng tác động rất lớn của môi trường…

- Nguồn năng lượng không ổn định: Nó thay đổi liên tục theo thời tiết trong ngày, ban đêm không có năng lượng này, ngoài ra nó còn thay đổi theo địa hình…

Do vậy, muốn ứng dụng năng lượng mặt trời để trở thành nguồn năng lượng chính thống tạo nên động lực không phải đơn giản, nó đòi hỏi sự phát triển công nghệ toàn diện như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo… và nhiều điều kiện khác

1.2 Tổng quan chung chưng cất mước bằng năng lượng mặt trời

1.2.1 Tổng quan về vai trò của nước sạch

Nước tồn tại trong mọi hình thức sống, tất cả các sinh vật sống đều chứa nước trong cơ thể: cơ thể con người bao gồm 60% lượng nước, con cá chứa khoảng 80%

và thực vật chứa khoảng 80% - 90% Nước cũng cần thiết để xảy ra các phản ứng hóa học giữa các tế bào sống và trong môi trường nước các tế bào này mới được hình thành.Nước cần thiết để cho vấn đề sản xuất lương thực bền vững Cũng như tất cả hệ sinh thái sống, sự phát triển của con người cũng dựa vào chu kì thủy văn Nước bao phủ 70% diện tích toàn cầu Hơn nữa, hơn 97% nước này (nước mặn và không phù hợp cho tưới tiêu) nằm ở đại dương Nước ngọt chỉ có 3% của tổng số nước trên hành tinh chúng ta.Trong tỉ lệ thấp này, sông hồ chỉ chiếm 0.3%, phần lớn còn lại lưu trữ ở các mũ cực và sông băng.Bể nước ngọt phân bố không đều trên bề mặt toàn cầu.Ví dụ như các quốc gia phương tây có trữ lượng nước ngọt rất lớn mà dân số lại ít.Trong khi đó một số đảo, quốc gia nhiệt đới thì thiếu nước trầm trọng kết hợp với việc tăng trưởng dân số nên vấn đề nước sạch càng ngày càng khó khăn.Điều này chứng tỏ phân phối nước trên toàn thế giới và nước uống chưa tương xứng với nhu cầu của từng vùng

Theo báo cáo năm 2007 của tổ chức y tế thế giới, hiện có 1,1 tỷ người không được tiếp cận được với nguồn nước uống sạch tiêu chuẩn, 88% trong số 4 tỷ ca bệnh tiêu chảy hằng năm có nguyên nhân do nước không an toàn và thiếu vệ sinh,

và 1.8 triệu người chết vì bệnh tiêu chảy mỗi năm WHO ước tính rằng 94% các

ca tiêu chảy có thể ngăn ngừa thông qua việc cải tạo môi trường, bao gồm tiếp cận các nguồn nước na toàn

Nước sạch là một vấn đề lớn, có tính toàn cầu, đặc biệt là đối với những nơi khan hiếm nước như các vùng sa mạc, vùng hải đảo, vùng núi cao, nới hẻo lánh hay những địa phương có nguồn nước bị ô nhiễm nặng

Nhu cầu nước sạch đa dạng, chia làm 4 loại chính:

- Nước cất tinh khiết: dùng cho các trung tâm y tế, công suất nhỏ (một vài lít/ngày)

- Nước sạch uống được: dùng cho các tụ điểm đông người (trường học, cơ quan), cần công suất vài chục đến vài trăm lít/ngày)

- Nước sạch dùng cho sinh hoạt: mỗi hộ gia đình cần trung bình khoảng vài

m3/ngày

- Nước sạch dùng cho nông nghiệp và sản xuất công nghiệp

Các phương pháp thu hồi nước sạch chia làm hai nhóm là nhóm các phương pháp dùng năng lượng truyền thống và nhóm phương pháp không dùng năng lượng truyền thống Các phương pháp dùng năng lượng truyền thống sử dụng các giải pháp công nghệ hiện đại hơn, hiệu suất và năng suất cao hơn và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên, giá thành các phương pháp này rất đắt và đòi hỏi công nghệ phức tạp

Nước uống cần thỏa mãn các yêu cầu khắt khe nêu trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế.Những tiêu chuẩn này thường được đưa ra nồng độ tối thiểu và tối đa của các chất gây ô nhiễm.Kiểm tra trực quan không thể phán xét về chất lượng nước Các quy trình xử lý đơn giản như đun sôi hoặc sữ dụng phin lọc than hoạt tính không đủ để xử lý hết các chất ô nhiễm Phân tích hóa học, mặc dù tốn kém, vẫn là cách duy nhất để có được những thông tin cần thiết về chất lượng và hiệu quả của phương pháp lọc

Một số kỹ thuật đơn giản để xử lý nước tại nhà, như khử trùng bằng clo, áp dụng các bộ lọc, khử trùng bằng phơi nắng mặt trời, lưu trữ nước trong các bể chứa an toàn có thể cứu sống nhiều mạng người mỗi năm Đối với các nước đang phát triển

như nước ta, việc giảm thiểu tử vong do các bệnh liên quan đến nước sạch là một mục tiêu chí của y tế cộng đồng

Các nguồn nước

- Nước ngầm: Các lớp đất đá có vai trò lọc tự nhiên đối với nước ngầm trước khi được dẫn tới các nhà máy xử lý Nước ngầm lấy ở độ sâu lớn có độ sạch vi khuẩn khác cao, tuy nhiên nó cũng chứa hàm lượng lớn các ion chất rắn hòa tan như các muối cacbonat và sunfat của canxi và magiê Tùy thuộc vào các tầng lớp nước đã chảy qua, các ion khác cũng có thể có mặt như là clorua hay bicarbonate Nước ngầm thường được xử lý sắt và mangan

- Nước hồ vùng cao và các bể chưa: Thông thường nằm ở đầu nguồn hệ thống sông, hồ chứa ở vùng núi cao thường được định vị phía trên các khu dân cư và

có thể bao quanh bởi một vùng bảo vệ để hạn chế khả năng nhiễm bẩn Vi khuẩn gây bệnh thường ở mức độ thấp, nhưng một số vi khuẩn, động vật nguyên sinh hoặc tảo sẽ có mặt Nơi vùng cao là rừng hoặc than bùn, axit humic

có thể làm nước có màu Nhiều nguồn nước vùng cao có độ PH thấp thì cần phải điều chỉnh xử lý lại

- Hệ thống sông ngòi, kênh rạch và hồ chứa đất thấp (nước mặt): có chứa một lượng vi khuẩn đáng kể, ngoài ra còn có chứa tảo, chất rắn lơ lửng và một loạt các thành phần hòa tan

- Nước lấy từ nước mưa hoặc thu sương từ khí quyền đặc biệt (có thể được sử dụng ở vùng có mùa khô kéo dài hoặc có nhiều sương mù hay chỉ có ít mưa)

- Ngưng tụ nước

- Khử mặn nước biển hoặc nước thải bằng bằng phương pháp chưng cất hoặc thẩm thấu ngược

Trong các nguồn nước liệt kể ở trên, đối với các vùng hải đảo, ven biển thì phương pháp chưng cất nước thành nước sạch là khả thi và có tính thực tiễn cao nhất

1.3 Các mô hình chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời

Đối với các thiết bị sản xuất nước ngọt từ nước biển bằng phương thức ứng dụng nhiệt năng từ ngăng lượng mặt trời tác động đến quá trình biến đổi pha của nước biển được phân thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp năm 1992, Tiwari đề xuất khái niệm cụ thể hơn về cách phân loại này và được các nhà nghiên cứu chấp nhận là:

1.3.1 Hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng bị động:

Trong thiết bị này, bộ phận hấp thụ năng lượng mặt trời biến thành nhiệt năng và thiết bị ngưng tụ được bố trí chung thành một khối (thực hiện hai chức năng trong cùng một thiết bị), ví dụ thiết bị chưng cất dạng bể phẳng, phần đáy sơn đen và lớp nước vừa thực hiện chức năng biến năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng rồi cung cấp cho nước làm bốc hơi, còn tấm phủ (lớp kính) vừa có chức năng làm cho bức xạ mặt trời xuyên qua, chống tổn thất đối lưu đồng thời là bộ ngưng tụ Thiết bị loại này kết cấu đơn giản, vật liệu sử dụng rẻ tiền nên giá thành thấp Loại thiết bị này còn tồn tại vấn đề là các quá trình truyền nhiệt và truyền chất xảy ra trong cùng một thiết bị nên khó khắc phục các nhược điểm, do đó sản lượng và hiệu suất thấp

Thiết bị chưng cất nước loại này được nghiên cứu và ứng dụng rất sớm, về nguyên lý cấu tạo như hình 1.4

Hình 1.4 : Thiết bị chưng cất nước dạng bị động

Nguyên Lý làm việc:

Về cấu tạo cơ bản, nó là một bể phẳng được sơn một lớp vật liệu hấp thụ bức xạ mặt trời mạnh, phía trên chứa một lớp nước biển vài cm Phía trên có lớp phủ thông thường là kính (cũng có thể pà plastic trong), phía dưới kính có rãnh hứng nước ngọt

Hình 1.4 : Thiết bị chưng cất nước dạng bị động

Khi bức xạ mặt trời có cường độ I b chiếu đến kính đậy, một phần nhỏ bị phản xạ, phần lớn (trên 80%) xuyên qua kính và lớp nước mỏng chiếu vào đáy bể Bề mặt đen ở đáy hấp thu bức xạ mặt trời biến thành nhiệt năng để đun nóng lớp nước làm

nước bốc hơi (bề mặt lớp nước có nhiệt độ T w sẽ bức xạ trở tấm kính với quang phổ bước sóng dài nên bị kính hấp thụ, vì kính xem như mờ đục với các tia có bước sóng >3um) Hơi nước bay lên tiếp xúc với mặt kính có nhiệt độ Tg<Tw, hơi nhả ẩn nhiệt hóa hơi và ngưng tụ thành nước, theo bề mặt mái nghiêng kính chảy xuống máng hứng nước ngọt

Thiết bị loại này kết cấu đơn giản, dễ vận hành nhưng cường độ bức xạ mặt trời ứng với 1m2

bề mặt không cao nên thiết bị chiếm diện tích lớn, tổn thất nhiều và hiệu suất thấp Còn về cấu trúc có nhiều dạng khác nhau

Hình 1.5: Thiết bị chưng cất dùng bấc

Hình 1.6.: Thiết bị chưng cất dạngbậc thang

Khuyết điểm chủ yếu của thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng bể phẳng

Có 3 khuyết điểm sau đây:

Quá trình truyền nhiệt và truyền chất của thiết bị vô cùng phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố, mặt khác sự tác động ảnh hưởng qua lại đồng thời của các nhân

tố rất khó tách ra để xác định cụ thể Để tìm biện pháp để nâng cao hiệu suất của thiết bị, nhiều học giả đã tiến hành nhiều nghiên cứu toàn diện về lý thuyết cũng như

mô hình thực nghiệm để tìm ra giải pháp thích đáng, trong đó quá trình truyền nhiệt

và truyền chất đóng vai trò vô cùng quan trọng

1 Nếu chúng ta hạn chế tối đa tổn thất nhiệt qua đáy và vách xung quanh, bỏ qua việc tách giọt bị rơi trong quá trình ngưng tụ thì năng lượng bức xạ mặt trời chiếu vào thiết bị chủ yếu được đáy hấp thụ và biến thành nhiệt truyền cho lớp nước biển, đồng thời tạo ra quá trình bốc hơi, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ với tấm phủ

Để nâng cao sản lượng nước ngọt của thiết bị thì năng lượng cung cấp phải được tận dụng tối đa Muốn vậy, tấm kính phủ cần phải có hệ số xuyên qua tglớn, đáy bể và lớp nước phải có hệ số hấp thụ cao, đồng thời giảm thiểu các tổn thất Tuy nhiên nhiệt độ Tw tăng cao thì các tổn thất cũng tăng, dẫn đến hạn chế tăng hiệu suất

2 Khi hơi nước nước ngưng tụ trên bề mặt tấm phủ, quá trình này phải nhả ẩn nhiệt hóa hơi cho môi trường mà chúng ta đều biết thành phần này rất lớn Điều này chứng tỏ thiết bị chưng cất nước dạng truyền thống đã lãng phí một lượng năng lượng không nhỏ, cần phải nghĩ biện pháp thu hồi

3 Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong thiết bị là quá trình đối lưu tự nhiên nên cường độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất rất nhỏ, vì vậy cần nghĩ cách khắc phục nhược điểm này

Mốc so sánh và đánh giá

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của thiết bị ta cần phải có mốc để so sánh.Vậy một thiết bị loại này khá lý tưởng thì hiệu suất đạt tối đa là bao nhiêu? Thiết bị có thể xem là lý tưởng là thiết bị có thể bỏ qua tổn thất đáy và xung quanh, dung lượng nhiệt của lớp nước có thể bỏ qua, cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió có thể xem tức thời là ổn định Theo tình toán của Cooper (1973) thì hiệu suất tối đa có thể đạt được là 60%, còn thiết bị trên thực tế là đạt 50%

Nếu tiến thêm một bước nữa về lý tưởng hóa thiết bị này là toàn bộ năng lượng bức xạ mặt trời chỉ dùng để bốc hơi nước, và hiệu suất thiết bị là 100% Một thiết bị loại này hoạt động trong 8 giờ với cường độ bức xạ mặt trời bình quân là Ib=800W/m2 (ẩn nhiệt hóa hơi của nước xem như L=24kJ/kg) thì sản lượng nước chưng cất tối đa trong 1ngày

là me = 9,6 kg/m2 ngày Thực tế trong những ngày tốt, thiết bị chỉ đạt được 3.5~4.5kg/m2 ngày, còn bình quân cả năm chỉ đạt được 1000kg/m2 năm.Như vậy hiệu suất chỉ đạt được khoảng 30%

1.3.2 Thiết bị chưng cất nước năng lượng mặt trời dạng chủ động

Trong hệ thống thiết bị này, hai chức năng được tách biệt ra: một bộ phận hấp thu năng lượng mặt trời thành nhiệt để đun nước nóng thự hiện nhờ các collector, một

bộ phận thứ hai là bộ phận ngưng tụ hoạt động tách ra Hai bộ phận này ghép chung thành một hệ thống gọi là hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời loại chủ động Nhờ được tách ra nên dễ dàng khắc phục một số nhược điểm dẫn đến hiệu suất được nâng cao hơn.Trong thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời dạng bị động chủ yếu dựa vào phương thức đối lưu tự nhiên, cường độ yếu, mặc dù

đã có nhiều biện pháp để tăng cường nhưng hiệu quả vẫn không cao, chủ yếu là do quán tính nhiệt của lớp nước biển ở đáy bể và chưa tận dụng thu hồi triệt để ẩn nhiệt hóa hơi thải ra trong quá trình ngưng tụ, khó tách ly các nhược điểm để khắc phục… Soliman (1976) lần đầu tiên đề xuất ý về thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng chủ động Trong thiết bị này hai bộ phận: thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và thiết bị ngưng tụ được tách làm hai bộ phận riêng, nó chỉ ghép chung thành một hệ thống, như vậy dễ khắc phục những nhược điểm tồn tại Trên quan điểm này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương án và tiến hành rất chu đáo

cả hai phương diện lý thuyết và thực nghiệm, kết quả cho thấy hiệu quả được cải thiện rõ rệt

Hình 1.7: Thiết bị chưng cất dạng chủ động

1.3.3 Thiết bị chưng cất nước dạng cầu

Hình 1.8.: Chưng cất nước với bộ thu hình cầu

Hệ gồm hai nửa cầu bằng thủy tinh, có đường kính bằng nhau, có thể úp khíp vào nhau Quanh miệng của mỗi bán cầu có gắn một vành đai để ghéo chặt và để làm khung gá lên chân đỡ Đỉnh của bán cầu trên có lắp một mô tơ quay cần gạt nước,

để gạt những giọt nước ngưng đọng ở mặt trong của bán cầu trên Đáy của bán cầu dưới được khoét một lỗ để thu gom nước ngọt chảy vào thùng chứa Một khay hình đĩa được đặt giữa hình cầu để đựng nước cần chưng cất Đĩa có hai lỗ nối thông ra ngoài để cấp nước mới và thải nước thừa sau khi chưng cất ra ngoài

Mô hình này có đặc điểm sau:

- Nhờ có dạng hình cầu nên suốt cả ngày và các ngày trong năm không bao giờ khay chứa nước bị bóng râm của thành che khuất như loại thiết bị chưng cất nước dạng phẳng

- Thành bên và phần dưới được cách nhiệt tốt nên nhiệt không bị truyền ra ngoài mà chỉ nâng nhiệt độ tất cả các bộ phận bên trong thiết bị chưng cất

- Khó loại trừ được tổn thất nhiệt qua bộ phận liên kết giữa khay nước và giá

đỡ

- Nước ngưng tụ ở mặt kính phía trong gây nên phản xạ một phần đáng kể các tia bức xạ, nhất là trên các giọt nước ngọt

- Khó khăn trog việc làm sạch và đưa các chất cặn bám ở đáy khay chứa ra ngoài Nếu sử dụng lâu dài mặt dưới của bán cầu trên sẽ bị chất bẩn bám chặt ngày càng dày, làm khả năng truyền qua của bức xạ ngày càng yếu Tuy nhiên nếu lắp thêm bộ phận cần gạt thì có thể khắc phục được sự hạn chế này

1.4 Đề xuất hướng nghiên cứu

Hiện nay, với tình trạng thiếu nước sạch và năng lượng thì việc chế tạo ra thiết

bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời năng suất cao sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu của con người Tuy nhiên, hiện nay ở thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng các thiết bị chứng cất nước bằng năng lượng mặt trời thường cho năng suất rất thấp Vì vậy mục tiêu của luận văn này là dựa vào các lý thuyết sẵn có để thiết kế ra một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời có năng suất cao

Với đề tài Nghiên Cứu Nâng Cao Hiệu Suất Thiết Bị Chưng Cất Nước Năng Lượng Mặt Trời, thì người hướng dẫn và học viên thực hiện đề tài này sẽ

áp dụng được kết quả nghiên cứu để áp dụng vào trong thực tiễn cuộc sống

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu, chế tạo nâng cao hiệu suất của thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời sử dụng bộ tập trung Parapol Đồng thời đánh giá các thông số ảnh hưởng đến thiết chưng cất nước bằng

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa vào lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để đưa ra những đánh giá chung về sự ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài tác động đến hiệu suất của thiết bị

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Để hội tụ các chùm tia bức xạ mặt trời ta thường dùng hệ gương phản xạ parapol trụ, parapol tròn xoay hoặc hệ thấu kính khúc xạ để hướng chùm tia trực xạ của mặt trời tới một diện tích nhỏ gọi là mặt phẳng tiêu (mặt phẳng chứa tiêu điểm) Vì diện tích tập trung tia bức xạ nhỏ hơn diện tích nhận bức xạ ban đầu nên tổn thất nhiệt của hệ thống này cũng nhỏ hơn nhiều lần so với bộ thu phẳng do đó hiệu suất của hệ thống thiết bị này được nâng cao hơn Trong phần này ta chỉ xét hệ thống parapol tròn xoay

2.1 Thông số hình học phương trình parapol

2.1.1 Phương trình đường parapol:

Giả sử đỉnh của đường parapol nằm ngay gốc toạ độ, và trục parapol là trục x như hình 2.1 thì phương trình parapol có dạng:

2

4 .

Góc đo được giữa đường thằng VF và bán kính parapol (p) là góc phản xạ ψ Bán

kính parapol là khoảng cách đo từ tiêu điển F tới bề mặt parapol Chuyển gốc phương trình parapol tới tiêu điểm F ta có:

Hình 2.1: Đường cong parapol

Bề mặt parapol được sử dụng như là bề mặt phản xạ của bộ tập trung năng lượng mặt trời bởi vì những đặc trưng của nó Bất kì tia sáng nào song song với trục

parapol thì góc ρ giữa tia tới và đường pháp tuyến bằng với góc giữa đường pháp

tuyến và tia phản xạ tới tiêu điểm F Vì vậy, khi bức xạ mặt trời tới trái đất bằng những tia song song, tất cả các tia bức xạ song song với trục x thì đều tập trung tập một điểm duy nhất đó là tiêu điểm F

Ta có:  2

Giả sử xác định bộ tập trung năng lượng mặt trời khi bị giới hạn như hình 2.2 Mức

độ giới hạn này thường được xác định bởi góc giới hạn hoặc tỉ số giữa tiêu cự và

cự f hoặc là khẩu độ d a Trong hình 2.2 ta thấy, các mặt parapol khác nhau điều có

chung một khẩu độ d a là tiêu điểm F

Hình 2.2: Các đường parapol có cùng khẩu độ và tiêu điểm F

Ta có thể thấy rằng với một góc phản xạ giới hạn nhỏ thì bề mặt parapol tương đối bằng phẳng và tiêu cự dài so với đường kính của parapol Một thông số quan trọng của bộ tập trung parapol đó là chiều cao của parapol Chiều cao của parapol “h” được đo được từ đỉnh của parapol tới bề mặt khẩu độ của parapol theo hướng trục parapol

2

16.

a

d h

f



Góc phản xạ giới hạn có thể được tìm thấy theo kích thước của parapol

da: là đường kính khẩu độ của parapol

h : là chiều cao của parapol

2.1.2 Phương trình đường Parapol tròn xoay

Bề mặt của parapol tròn xoay được hình thành bằng cách quay một cung parapol xung quay trục của nó Bộ tâp trung năng lượng mặt trời có hình dạng này thường được gọi là “ bộ tập trung năng lượng mặt trời parapol tròn xoay” Phương trình toán học parapol tròn xoay với trục z là trục đối xứng như sau:

2 2

4 .

x  y  f zVới :fcó khoảng cách VF là chiều dài tiêu cự

Trong hệ trục toạ độ trụ, a là khoảng cách từ trục z đến bề mặt parapol và vuông góc với trục z ta có:

dA apnhư hình 2.3 như sau: