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

cho việc sử dụng điện để đun nước nóng chủ yếu cho sinh hoạt gia đìnhlà tiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh tế và môitrường, tuy nhiên vẫn chưa có một công trình thự

MỞ ĐẦU

Bước vào thế kỷ 21, công nghệ sử dụng NLMT đang có xu hướngphát triển mạnh Hiện nay, nhiều nước đã đầu tư rất lớn vào ngành côngnghiệp NLMT, Nhật Bản và Đức là hai quốc gia đứng đầu thế giới vềngành công nghiệp này Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhấthiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống đun nướcnóng 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 đươngvới 10,5GWth và đang là quốc gia dẫn đầu thế giới, chiến 60% tổng côngsuất lắp đặt của toàn thế giới

Các chương trình thúc đẩy sử dụng NLMT đang được mở rộngtrên thế giới Tây Ban Nha đã ban hành Luật Xây dựng có hiệu lực từnăm 2006, bắt buộc các tòa nhà mới xây phải lắp đặt trên mái nhà hệthống 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, khácsạn, bệnh viện, kho vận, trong đó quy định nước nóng từ NLMT phảiđáp ứng được từ 30 - 70% nhu cầu tùy thuộc vào vùng khí hậu cụ thể ỞCape Town (Nam Phi), Rome (Italia) đòi hỏi các tòa nhà xây dựng mớiphải lắp đặt hệ thống ĐNNMT nhằm đảm bảo 30 - 50% nhu cầu sử dụnghàng ngày…

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 sửdụng 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 môitrường, 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 sốliệu về tiết kiệm năng lượng, kinh tế của thiết bị ĐNNMT đã cho trêncác tài liệu, tạp chí, trên các phương tiện truyền thông… đều chỉ là cáccon số ước tính “lý thuyết”, độ tin cậy không cao

Việc phát triển hệ thống ĐNNMT đang gặp một số thách thức khókhăn như: chưa có chiến lược, chính sách về tiết kiệm năng lượng; sự hỗtrợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu và phát triển cũng như đầu tư vềkinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất, ứng dụng thiết bị ĐNNMTcòn hạn chế; những điều kiện triển khai sử dụng thiết bị cho từng khuvực cụ thể; sự không đồng bộ giữa thiết kế bình ĐNNMT và các côngtrình xây dựng; giá thành của thiết bị ĐNNMT còn cao hơn so với sửdụng thiết bị truyền thống; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chưa được phổbiến rộng rãi đến người tiêu dùng…

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 đặtthiết bị nước nóng mặt trời, tính toán hiệu quả về mặt tiết kiệm điệnnăng, kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị nước nóng mặt trờidựa trên cơ sở khoa học và thực nghiệm Từ đó, kiến nghị các giải phápphát 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 sửdụng thiết bị ĐNNMT

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

Hiện nay, các giải pháp công nghệ thân thiện với môi trường vàtiết 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 tháchthức khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu toàn cầu, là một mũitên nhằm tới hai mục tiêu của sự phát triển bền vững Sử dụng nănglượng tái tạo là xu hướng được chọn lựa chọn để phát triển nguồn nănglượng mới cho thế kỷ 21

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị ĐNNMT: Nguyên lý hoạt động,các yếu tố ảnh hưởng đến thiết bị, điều kiện triển khai lắp đặt, sử dụngthiết bị, hiệu quả kinh tế môi trường khi sử dụng thiết bị ĐNNMT.Phạm vi nghiên cứu: Trong khuôn khổ của một luận văn Thạc sĩKhoa học môi trường, tác giả triển khai nghiên cứu đánh giá bằng thựcnghiệm tính toán hiệu quả của thiết bị ĐNNMT về các mặt tiết kiệm điệnnăng, giảm phát thải khí nhà kính và hiệu quả kinh tế với sự hỗ trợ củaTrung tâm Nghiên cứu Năng lượng mới (Trường Đại học Bách Khoa HàNội) Thực nghiệm được tiến hành trên 05 mẫu thiết bị ĐNNMT cho các

hộ gia đình, mỗi thiết bị có diện tích bộ thu từ 1,6 - 2m2, dung tích bìnhchứa từ 160 - 200 lít, Trong 05 bộ thí nghiệm có 04 bộ loại thiết bịĐNNMT tấm - ống do Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng mới sản xuất,lắp đặt và 01 ống thủy tinh chân không do Công ty Sơn Hà cung cấp vàlắp đặt

Thời gian thí nghiệm: từ tháng 6 đến hết tháng 12 năm 2010 Các

đo đạc được thực hiện liên tục và tự động (bằng thiết bị chuyên dụngSWH Data logger - Solar hot Water Heater Data Logger, sẽ được trìnhbày chi tiết ở phần sau)

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Cho đến nay mặc dù khẳng định rằng sử dụng NLMT thay choviệc sử dụng điện để đun nước nóng (chủ yếu cho sinh hoạt gia đình) làtiết kiệm điện năng và do đó đem lại các lợi ích về kinh tế và môi trường

Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều các công trình thực nghiệm đủ tin cậy để

đo đạc, đánh giá hiệu quả thực tế của các lợi ích đó

Vì vậy, trong khuôn khổ đề tài nguyên cứu của luận văn sẽ tiếnhành đánh giá định lượng và khoa học hiệu quả thực tế về tiết kiệm nănglượng của thiết bị ĐNNMT trong các hệ thí nghiệm (được mô tả trongbảng 2.1, Chương 2) Để đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng, hiệuquả kinh tế cần phải xác định các thông số sau:

- Nhiệt độ nước lạnh vào và nước nóng ra

- Nhiệt độ môi trường

- Lưu lượng và khối lượng nước sử dụng hàng ngày

- Thời gian sử dụng nước nóng hàng ngày

- Bức xạ mặt trời

Các thông số trên cần được đo đạc và lưu trữ tự động với khoảngcách giữa các điểm đo là 05 phút (có thể điều chỉnh và đặt chương trìnhđược)

Sau đó sẽ tính ra được hiệu quả tiết kiệm của các thiết bị ĐNNMT(so với các thiết bị dùng điện hoặc dùng nhiên liệu hóa thạch như than,gas…) về các mặt tiết kiệm điện năng, hiệu quả kinh tế, các lợi ích môitrường (thông qua giảm phát thải CO2, SO2, bụi…)

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các phương pháp nghiên cứu thông dụng

- Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu có liên quan: Kết hợp vớiVăn phòng Tiết kiệm Năng lượng (Bộ Công Thương) và Công ty Cổ

phần Năng lượng Sơn Hà điều tra, tìm hiểu hiện trạng sản xuất, cung cấpthiết bị ĐNNMT trên địa bàn Hà Nội.

- Phương pháp thực nghiệm: kết hợp với Trung tâm nghiên cứuNăng lượng mới (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) thu thập, xử lý các

số liệu thực nghiệm, theo dõi khả năng vận hành của thiết bị

- Phương pháp phân tích, đo đạc các thông số kỹ thuật của thiết bịtrong thời gian vận hành

Thu thập số liệu tự động SWH Data logger

Thiết bị đo SWH Data logger (Solar hot Water Heater Data Logger)cần đáp ứng được các yêu cầu đặt ra đã nói trên Thiết bị phải gọn nhẹ, hoạtđộng tự động, tin cậy và cần được nuôi bởi một nguồn nuôi độc lập, khôngliên quan đến nguồn điện của các hộ sử dụng (vì nguồn điện lưới khôngđảm bảo lien tục) Trong thiết kế nguồn nuôi sử dụng 01 ắc quy 6V-2Ah vàđược nạp liên tục từ Pin mặt trời tinh thể Si 9V-2W thông qua mạch nạpgắn sẵn trong bộ mạch chính của SWH Data logger

Phương thức lưu trữ số liệu

Các số liệu đo tự động hang ngày được lưu trữ vào thẻ nhớ và đượcthu thập 03 tháng 1 lần Qua máy tính các số liệu được xử lý thành các bộ sốliệu dạng nguyên thủy, trung bình ngày, trung bình tháng và trung bình ngàycủa nhiều ngày, nhiều tháng Các số liệu được biểu diễn dưới dạng file exel

và đồ thị

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI

Các đặc thù của Hà Nội

Thành phố Hà Nội là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa cả nước

So với các địa phương khác trong cả nước thì Hà Nội thì có một số đặcđiểm riêng đặc thù về mặt ứng dụng NLMT:

- Hà Nội được cấp điện lưới 100% đến các hộ dân với chế độ “ưutiên” (công suất điện đảm bảo đầy đủ hơn, ít bị cắt điện, hệ thống hạ tầngnăng lượng tốt hơn…);

- Điều kiện kinh tế của người dân Hà Nội khá hơn do thu nhập caohơn, ổn định hơn, trình độ dân trí cũng cao hơn…

- Nhu cầu tiêu thụ lớn hơn do sử dụng nhiều thiết bị điện và thiết

bị có công suất lớn (gần 80% số hộ có tủ lạnh, 40 - 50% số hộ có điềuhoàn không khí…);

- Tiềm năng NLMT ở khu vực Hà Nội không cao và có 2 mùa cóbức xạ mặt trời rất khác nhau;

- Hà Nội tập trung nhiều cơ quan nghiên cứu, sản xuất kinh doanh

về NLMT, người dân Hà Nội tiếp cận tốt hơn với các thông tin vềNLMT về các lợi ích của nó nên có nhiều thuận lợi hơn trong việc ứngdụng các công nghệ năng lượng mặt trời nói chung và thiết bị ĐNNMTnói chung

Với các điều kiện nêu trên có thể nói cho đến nay việc ứng dụngNLMT ở Hà Nội chỉ mới tập trung chủ yếu đối với công nghệ nhiệt mặttrời nhiệt độ thấp.

Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Hà Nội

NLMT khu vực Hà Nội chỉ ở mức trung Mặc dù mật độ tổng xạtrung bình ngày của cả năm là 3,95kWh/m2.ngày là khá cao, nhưng sựphân bố NLMT trong các tháng trong năm lại rất không đều Có hai mùa

rõ rệt: mùa Đông - Xuân trong các tháng 12, 1, 2 và 3; mùa Hè - Thutrong các tháng từ tháng 4 đến tháng 11 Các tháng 1, 2, 3 và 12 lượngbức xạ quá thấp, đặc biệt là trong các tháng từ tháng 1 đến tháng 3.Trong các tháng này do mây mù nhiều nên lượng trực xạ rất thấp (tháng1: 0,73; tháng 2: 0,47; tháng 3: 0,44kWh/m2.ngày)

Từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm ở Hà Nội có bức xạ mặt trờikhá lớn, lân cận trên dưới 5kWh/m2.ngày Trong các tháng này các thiết

bị NLMT sẽ làm việc hiệu quả

Vì vậy khi ứng dụng các công nghệ NLMT ở khu vực Hà Nội cầnphải tính đến đặc điểm nói trên của khu vực

HIỆN TRẠNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐUN NƯỚCNÓNG MẶT TRỜI TẠI HÀ NỘI

Hiện trạng nghiên cứu

Hiện nay, tại Hà Nội có 4 đơn vị sản xuất kinh doanh thiết bịĐNNMT là: Công ty Cổ phần thương mại và dịch vụ Trọng Tín, Công ty

Cổ phần Năng lượng Toàn Mỹ, Công ty Cổ phần Phát triển Năng lượngSơn Hà, Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng mới (Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội) và các cơ sở phân phối thì có ở khắp mọi quận/huyện.Trong đó Công ty Cổ phần Phát triển Năng lượng Sơn Hà có thị phần lớnnhất, hàng năm lắp đặt hàng nghìn thiết bị Trung tâm Nghiên cứu Nănglượng mới là đơn vị nghiên cứu, thiết kế, sản xuất 100% thiết bịĐNNMT dạng tấm - ống trong nước Còn các công ty khác đều kinhdoanh thiết bị loại tấm ống thủy tinh chân không Tất cả các ống thủytinh chân không đều nhập khẩu (phần lớn từ Trung Quốc), trong nướccác công ty này chỉ gia công bình chứa, chân giá và các phần phụ khác

Công suất lắp đặt

Trong vài năm trở lại rất nhiều Công ty trên cả nước đã chuyểnsang kinh doanh sản xuất thiết bị ĐNNMT Theo số liệu thống kê củaCông ty Cổ phần Năng lượng và Môi trường (RECC) trên các nước cókhoảng 40 công ty, đơn vị có các hoạt động liên quan trực tiếp đến kinhdoanh, sản xuất thiết bị ĐNNMT Tại Hà Nội, Công ty Sơn Hà chiếmkhoảng 50% thị phần

Số thiết bị và tổng dung tích bình chứa của các thiết bị mà Công ty

đã bán và lắp đặt trong các năm 2008 đến 2010 cũng như tỷ lệ tăng sảnlượng của năm sau so với năm trước Từ đó ta có một số nhận xét sau:

- Tổng số thiết bị ĐNNMT lắp tăng dần theo hàng năm: 2.987năm 2008, 4.693 năm 2009 và 6.972 năm 2010

- Thị trường và nhu cầu sử dụng thiết bị ĐNNMT ở Hà Nội tăngrất nhanh: Năm 2009 so với năm 2008 tỷ lệ tăng số thiết bị và dung tíchtương ứng là 57 và 68%; năm 2010 so với năm 2009 tỷ lệ tăng số thiết bị

và dung tích tương ứng là 49 và 71% Trung bình tỷ lệ tăng hàng năm

của giai đoạn thống kê từ năm 2008 đến 2010 là 53% về số thiết bịĐNNMT lắp đặt và 69,5% về dung tích bình chứa

- Càng về sau dung tích bình chứa nước nóng càng tăng lên trênmột đơn vị thiết bị: Dung tích trung bình trên một thiết bị tăng từ 150 lítnăm 2008 lên 160 lít năm 2009 và 184 lít năm 2010

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI

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

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

Với thời gian đo từ tháng 2/7/2010 đến 31/12/2010 và với số điểmđo: 5 phút đo 1 lần (một ngày đo 17.280 số liệu) trong nhiều ngày vànhiều tháng ta thu được giá trị trung bình của nhiệt độ nước lạnh vàothiết bị ĐNNMT và nhiệt độ nước nóng lấy ra sử dụng hàng ngày đối vớicác hộ thí nghiệm được cho trong bảng 3.8 Qua bảng ta thấy nhiệt độnước lạnh vào T2 trung bình vào khoảng 250C còn nhiệt độ trung bìnhcủa nước nóng sử dụng T1 khoảng 48,70C Nhiệt độ T2 tương đối cao vìcác tháng đo chủ yếu là mùa nóng

Bảng 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

Hộ sử dụng Nhiệt độ

nước lạnh vào ( o C)

Nhiệt độ nước nóng ra ( o C)

Lượng nước

sử dụng (lít/ngày)

Năng lượng tiết kiệm tính ra kWh/ngày (*)

- m = lượng nước sử dụng, kg (hoặc lít);

- Cp = nhiệt dung đẳng áp của nước ở 25oC, Cp = 4,180 kJ/kg.độ;

- T1 là nhiệt độ nước nóng lấy ra, 0C

- T2 là nhiệt độ nước lạnh vào, 0C

Quy đổi: 1kJ = 2,788.10-4kWh.

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

Cột thứ 5 và thứ 6 bảng 3.8 cho lượng nước và lượng nhiệt năngcần để cấp nước nóng của các hộ thí nghiệm Do lấy trung bình nhiềungày trong các tháng đo nên ta thấy các hộ sử dụng nước nóng khôngkhác nhau nhiều

Giá trị trung bình của 5 hộ là 79,2 lít/ngày và 2,126kWh/ngày.Nhận xét sau:

- Nhiệt độ nước lạnh vào khá cao, lân cận 25,20C vì thời gian đo từtháng 7 đến tháng 11 là mùa nắng và mùa thu Nếu đo cả năm thì cáctháng đầu năm, từ tháng 1 đến tháng 3 nhiệt độ sẽ thấp hơn do bức xạmặt trời yếu hơn

- Nhiệt độ nước nóng ra trung bình đối với các bộ tấm - ốngkhoảng (46 - 470C), còn đối với bộ thu ống thủy tinh chân không cao hơn(bằng gần 55,80C) Trong thực tế nhiệt độ nước trong khoảng 11.00 đến15.00 giờ cao hơn nhiều, khoảng 52 - 580C đối với bộ thu tấm - ống và

63 - 680C đối với bộ thu ống thủy tinh chân không

- Lượng nước sử dụng trung bình ngày khác nhau phụ thuộc vào

số người trong hộ và việc sử dụng nước nóng Có hộ chỉ dùng cho tắmrửa thôi, nhưng có hộ còn dung để nấu ăn và rửa bát chén Nhưng lấytrung bình nhiều ngày trong năm thì vào khoảng 80 lít/hộ.ngày

- Tuy chưa đo được số liệu của các tháng 1 đến 6 nhưng các sốliệu trên có thể đại diện gần đúng cho cả năm vì rằng tuy hiệu nhiệt độnước nóng ra và nước lạnh vào sẽ nhỏ hơn trong các tháng đầu năm (từ 1

đến tháng 4) nhưng lượng nước sử dụng trong mùa lạnh cũng sẽ nhiềuhơn mùa hè nên tích số của hai thừa số đó đối với các mùa có thể xemgần đúng là không đổi.

Sau đây sẽ tính toán cụ thể về các thông số đã đo được trên cở sởquy ra các giá trị kinh tế:

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

Tiết kiệm về điện năng

Năng lượng tiết kiệm được đối với các hộ thí nghiệm khác nhau là

khác nhau và nằm trong khoảng từ 1,9 đến 2,25kWh/hộ.ngày (lấy giá trị trung bình là 2,126kWh/hộ.ngày)

Từ đó tính được điện năng tiết kiệm được (chưa tính hiệu suấtthiết bị đun điện) là:

E = 2,126 kWh/hộ.ngày x 365 ngày/năm = 776 kWh/hộ.năm.

Nếu giả thiết hiệu suất thiết bị đun điện khoảng 87% thì lượngđiện năng thực tế tiết kiệm được là: