Dự án sáng tạo KHKT bình nước nóng cho người thu nhập thấp

Chế tạo bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời bằng việc tận dụng các loại phế liệu, rác thải đã qua sử dụng.Tăng hiệu suất của bình nước nóng năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng v

PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TP BẮC GIANG

TRƯỜNG THCS NGÔ SĨ LIÊN

BÁO CÁO DỰ ÁN CUỘC THI KHOA HỌC KỸ THUẬT

ĐỀ TÀINƯỚC NÓNG CHO NGƯỜI THU NHẬP THẤP

NHÓM THỰC HIỆN:

1 Nguyễn Tiến Cường Nhóm trưởng

2 Lưu Toàn Thắng Thành viên

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Trần Văn Nin

I PHẦN CHUNG

1 Lý do chọn đề tài

Trong khi đa số nguồn cung cấp điện hiện nay của thế giới được tạo ra từ nhiênliệu hóa thạch như than, dầu và khí đốt, thì những nguồn năng lượng truyền thống nàyđang phải đối mặt với một số thách thức, bao gồm cả giá cả tăng cao, sự phụ thuộcvào nhập khẩu (đối với một số nước có nguồn nhiên liệu hạn chế), và cả những tácđộng xấu lên môi trường thể hiện qua sự biến đổi khí hậu gần đây

Như là một kết quả tất yếu, các chính phủ, doanh nghiệp và người tiêu dùng đang ngày càng nhận ra tầm quan trọng của các nguồn năng lượng thay thế, hay còn gọi là năng lượng tái tạo hoặc năng lượng xanh Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sinh học, địa nhiệt, thủy điện và năng lượng gió đã nổi lên như là lựa chọn tiềm năng để có thể giải quyết những quan ngại này Trái ngược với nhiên liệu hóa thạch - chúng là hữu hạn và có thể trở nên quá tốn kém để khai thác, nguồn năng lượng tái tạo là không giới hạn và luôn sẵn có Và trong số đó, người ta chú trọng đến năng lượng mặt trời hơn cả

Năng lượng mặt trời được tích trữ dưới dạng điện năng và nhiệt năng Điệnnăng được tạo ra bằng các tấm pin mặt trời Nhiệt năng từ bức xạ mặt trời được sửdụng trực tiếp để sấy khô, sưởi ấm hay sử dụng để tạo ra nước nóng dùng trongsinh hoạt hằng ngày qua các bình nước nóng năng lượng mặt trời Trên thị trườnghiện nay xuất hiện khá nhiều loại bình năng lượng mặt trời khác nhau Điểm chungcủa các thiết bị này là sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra nước nóng trong sinhhoạt hằng ngày và sản xuất Tuy nhiên giá cả của những thiết bị này thường rất cao,khoảng từ 5 triệu đến 21 triệu đồng

Mặt khác, trong đời sống hằng ngày, các loại vỏ chai nhựa được thải ra môitrường rất nhiều Vỏ chai nhựa và vỏ lon nước ngọt, vỏ lon bia là những loại phế thải

khó phân hủy, nếu không được xử lí đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường Có thể sửdụng các loại vỏ chai nhựa để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng Nó có thể đóng vai trònhư khí nhà kính trong hiện tượng hiệu ứng nhà kính.

Dựa vào thực tiễn này và những kiến thức vật lý trong trường học về sự hấpthụ và chuyển hóa năng lượng, chúng em nghĩ rằng có thể tạo ra một dụng cụ mà hấpthụ ánh sáng mặt trời và chuyển năng lượng ánh sáng đó thành nhiệt năng để làmnóng nước sử dụng Và nó sẽ thực dụng hơn nữa nếu chúng em có thể tận dụng đượccác vật liệu đã qua sử dụng, thường có trong cuộc sống hằng ngày giúp giảm chi phí

do dễ chế tạo

Vì vậy, chúng em đã có ý tưởng làm bình nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng cácloại vật liệu phế thải như vỏ chai nhựa tái chế và đưa ra đề tài “NƯỚC NÓNG CHO NGƯỜI THU NHẬP THẤP”.

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài giúp học sinh hiểu biết hơn về năng lượng mặt trời, nguồn năng lượngxanh

Đề tài làm cho nước lạnh trở nên nóng hơn, có thể dùng để nấu ăn, đun nướcuống, sử dụng sinh hoạt giúp cho các gia đình có thể tiết kiệm điện, tiết kiệm gas, tiếtkiệm thời gian mà không cần tốn quá nhiều tiền để mua các thiết bị

Đề tài phục vụ cho các gia đình chủ yếu ở vùng nông thôn, miền núi, vùng sâuvùng xa, điều kiện kinh tế còn khó khăn, chưa có điều kiện để mua Thái Dương Năng

Đề tài phù hợp với khí hậu Việt Nam nhiều nắng, và nhất là trong thời điểmgiao mùa hiện nay, ban ngày trời nhiều nắng, tối đến trời se lạnh khiến cho nhu cầu sửdụng nước nóng nhiều hơn

3 Vấn đề nghiên cứu

Chế tạo bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời bằng việc tận dụng các loại phế liệu, rác thải đã qua sử dụng.

Tăng hiệu suất của bình nước nóng năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng vỏ chai nhựa và vỏ lon bia, lon nước ngọt

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tham khảo tài liệu SKG, sách tham khảo, nguồn Internet

- Tham khảo ý kiến: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô giáo ở các bộ mônliên quan

- Lắp ráp hệ thống để tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh

- Thử nghiệm mô hình ở nhiều nơi khác nhau với quy mô khác nhau

- Tiến hành thử nghiệm sản phẩm, đo nhiệt độ của nước trong bình sau khiđược đặt ngoài nắng

- Phân tích vàxử lí số liệu thu được

- Nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu suất của mô hình

- Tính toán đưa mô hình vào thực tế cuộc sống hằng ngày

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu, tham khảo tài liệu về

 Nguyên lí hoạt động của bình nước nóng năng lượng mặt trời hiện cótrên thị trường Thái Dương Năng

 Tìm hiểu các loại vật liệu có thể thay thế nhưng rẻ và dễ tìm

 Các loại vật liệu hấp thụ và chịu nhiệt tốt

 Cách lắp ghép hệ thống để có thể hấp thụ nhiệt tốt nhất

 Bình đựng nước giữ nhiệt tốt nhất

 Cách làm tăng hiệu suất của bình nước nóng năng lượng Mặt trời

- Tiến hành tìm kiếm, thu lượm, tái chế các loại vật liệu

- Phân tích và sử lí số liệu về tính khả dụng của bộ thí nghiệm

6 Những điểm mới của đề tài

a) Lịch sử nghiên cứu

- Hiệu ứng nhà kính được nghiên cứu và gọi tên lần đâu tiên vào năm

1824 do nhà toán học, vật lý người Pháp Jean Baptisde Joseph Fuorier là Effect DeSerre Việc đưa ra định nghĩa trên giúp con người giải thích được nguyên nhân làmtrái đất nóng lên, từ đó có thể tính toán được nhiệt độ của trái đất trong tương lai

- Nhưng con người cũng rất thông minh khi đã áp dụng ngay hiệu ứng trêntrong việc làm tăng nhiệt độ của vật bằng cách sử dụng các loại vật dụng có vai trònhư khí nhà kính

- Trong đó có việc áp dụng hiệu ứng nhà kính để làm nóng nước Chúng tađều biết rằng nguồn năng lượng bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sẵn có

- Trong nước đã có rất nhiều sáng kiến do các nhà khoa học hay ngay cảnhững người nông dân chân đất đã nghĩ ra và áp dụng trong gia đình mình những hệthống, vật dụng dễ làm và đã đạt được thành quả khá cao, điển hình như:

+ Ông Ngô Quốc Tuấn, 60 tuổi, trú tại thôn Tân Thành, phường Đa Mai, thànhphố Bắc Giang Ông đã tạo ra nước nóng bằng cách xây bể giữ nhiệt

Hình 1 Ông Ngô Quốc Tuấn tại bể nước của mình

Nguồn báo Lao Động

+ Hay thầy giáo Trần Đình Thuy, giáo viên môn sử trường THCS VinhQuang, thị xã Kon Tum, tỉnh Kon Tum cũng đã chế tạo ra bình nước nóng năng lượngMặt trời sử dụng vỏ chai thủy tinh

Hình 2 Thầy giáo Trần Đình Thuy cùng với sản phẩm của mình

Nguồn báo Người lao động

b) Điểm mới của đề tài

- Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn Hiện nay trên thị trường có sản phẩm tạo

ra nước nóng từ năng lượng mặt trời là Thái Dương Năng Tuy nhiên dòng sản phẩmnày có giá thành rất cao, chỉ có những gia đình có điều kiện tốt mới có thể mua mộtsản phẩm về nhà dùng Tuy nhiên, đối với các gia đình ở vùng nông thôn có hoàncảnh kinh tế còn khó khăn, hay với các gia đình ở vùng núi cao, vùng sâu vùng xa,không thể mua một sản phẩm Thái Dương Năng về dùng trong gia đình

- Điểm mới của đề tài là đề tài đã tận dụng các loại rác thải để tạo ra một

hệ thống làm nóng nước nhờ năng lượng mặt trời với giá thành thấp và dễ làm phục

vụ nhu cầu cho các gia đình nông thôn, miền núi

- Để tăng hiệu suất của hệ thống, đề tài đã sử dụng vỏ chai nhựa để tăngkhả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời Với lượng ánh sáng không chiếu đến vỏ lon,chúng em đã làm tấm phản quang để phản xạ những tia sáng đó đến vỏ chai

- Đề tài đóng góp một phần vào chương trình sử dụng năng lượng sạch củađất nước và thế giới Đề tài có thể giúp cho người dân miền núi, các hộ gia đình chưa

có điều kiện về kinh tế sử dụng nước nóng mà không cần phải mất nhiều tiền Hơnnữa việc sử dụng hệ thống sẽ làm giảm việc sử dụng nước nóng bằng đun nấu, phầnnào góp phần làm giảm nạn chặt phá rừng

II KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Cơ sở lí thuyết

1.1 Năng lượng bức xạ mặt trời:

Bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời

cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết Bức

xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sứcsóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên TráiĐất Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng [5]

- Năng lượng mặt

trời có thể được chuyển hóa

và sử dụng với nhiều mục

đích khác nhau tùy thuộc vào

mục đích của con người

- Sự hấp thụ và

chuyển hóa năng lượng: năng

lượng mặt trời được hấp thụ

sau đó chuyển sang dạng Hình 4 Ứng dựng của năng lượng mặt trời

năng lượng khác: quang năng,

điện năng, nhiệt năng

1.2 Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính được nhà toán học, nhà vật lí người Pháp Jean BaptisdeJoseph Fuorier gọi tên Effect De Serre lần đầu tiên vào năm 1824 Dùng để chỉ hiệuứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời xuyên qua các cửa sổ hoặc máinhà bằng cửa kính và làm cho toàn bộ không gian nóng lên

Hình 5 Hiệu ứng nhà kínhCác khí nhà kính chứa trong bầu khí quyển như thể là một tấm kính dày baobọc trái đất Lúc này, dựa theo nguyên lí hiệu ứng nhà kính thì khi các bức xạ mặt trờichiếu xuống trái đất sẽ bị các khí nhà kính giữa lại, kết quả làm cho toàn bộ khí quyểnnóng lên và theo đó trái đất cũng nóng dần lên

Như vậy, hiệu ứng nhà kính có thể được định nghĩa: Hiện tượng các tia bức xạngắn của mặt trời xuyên qua bầu khí đến mặt trái đất và bị phản xạ lại trở thành cácbức xạ nhiệt sóng dài và được một số khí trong bầu khí quyển hấp thụ và thông qua

đó làm cho khí quyển nóng lên, được gọi là hiệu ứng nhà kính

1.3 Tác dụng của vỏ chai nhựa (nguyên lí bẫy nhiệt)

- Tăng khả năng hấp thụ nhiệt của ống dẫn nước Khi ánh sáng mặt trờichiếu đến vỏ chai nhựa, sau đi qua lớp vỏ chai, ánh sáng bị phản xạ lại nhưng mộtphần bức xạ được giữ lại bên trong vỏ chai nhựa, sau đó lại tiếp tục bị phản xạ quaytrở lại ở vỏ chai nhựa Sau nhiều lần như vậy, bức xạ ánh sáng mặt trời được giữ lại,tích trữ dưới dạng nhiệt năng, làm nóng ống dẫn nước và dòng nước đi qua trong ống

đó

- Các vỏ chai nhựa được lồng đồng trục, kín sẽ có khả năng làm giảm sựtruyền nhiệt với môi trường xung quanh, làm giảm sự mất nhiệt ra bên ngoài môitrường

1.4 Khả năng hấp thụ nhiệt của ống được bôi đen

Các vật có màu tối có khả năng hấp thụ đến 90% lượng bức xạ ánh sáng chiếuđến Vì vậy các vật màu tối sẽ hấp thụ bức xạ nhiệt tốt hơn các vật màu sáng Để tăngkhả năng hấp thụ bức xạ ánh sáng mặt trời, chúng ta tiến hành bôi đen các đường ốngdẫn nước

1.5 Hiện tượng đối lưu

Đối lưu là sự trao đổi nhiệt bằng các dòng vật chất chuyển động (chất lỏng,chất khí hay plasma), xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng của chất lưu

Dòng đối lưu có thể chảy nhờ lực đẩy Ac-si-met, khi chênh lệch nhiệt độ kéotheo chênh lệch mật độ chất lưu trong trường hấp dẫn, hoặc có thể bị cưỡng bức bằngmột dòng chảy có ngoại lực tác động như khi dùng bơm để đẩy,

2 Cấu tạo

Mô hình bao gồm:

+ Bình chứa nước có khả năng cách nhiệt, giảm lượng nhiệt tỏa ra môi trường+ Hệ thống hấp thụ bức xạ nhiệt bao gồm các nhánh chứa ống dẫn nước đượcbọc bởi vỏ chai nhựa

+ Các đường dẫn nước ra vào hệ thống và đường ống cấp nước vào bình chứanước

+ Tấm phản quang được làm từ vỏ lon bia, vỏ lon nước ngọt (gọi là vỏ lon) lótphía dưới hệ thống có tác dụng phản xạ những bức xạ mặt trời không đi qua hoặc điqua nhưng bị xuyên qua vỏ chai quay trở lại vỏ chai nhựa

3 Nguyên lí hoạt động của bình nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng

vỏ chai nhựa

3.1 Khả năng hấp thụ nhiệt của vỏ chai nhựa :

Ánh sáng mặt trời đi qua vỏ chai sẽ hội tụ ở tâm chai, tập trung ở các ống dẫnnước làm nóng nước chảy trong lòng ống

Tiến hành khảo sát khả năng hấp thụ

nhiệt của vỏ chai nhựa bằng cách đo nhiệt

độ trong lòng ống dẫn nước không chứa

nước, trong 2 trường hợp ống được đựng

trong vỏ chai nhựa và không được đựng

trong vỏ chai Cả hai ống đều được phơi

ngoài trời tại cùng một vị trí địa lí, vào

cùng một thời điểm

Kết quả cho thấy, nhiệt độ của ống

dẫn nước trong vỏ chai nhựa tăng nhanh và

cao hơn hẳn so với ống dẫn nước không

đựng trong vỏ chai nhựa

Hình 6 Mẫu ống kiểm chứng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời.

- Kết quả khảo sát: Nhiệt độ đo ở trong lòng 2 ống nghiệm:

 một ống đựng trong vỏ chai thủy tinh

 một chai không đựng trong vỏ chai thủy tinh.

Nhiệt độ tại các thời điểm đo ( 0 C ) Lần

Từ bảng số liệu ta có thể thấy nhiệt độ của ống đựng trong bình chứa trong vỏchai cao hơn hẳn và tăng nhanh hơn so với nhiệt độ trong ống nghiệm không đựngtrong vỏ chai

Như vậy, vỏ chai có khả năng làm tăng sự hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời củaống nhựa đựng trong nó

3.2 Nguyên tắc hấp thụ nhiệt của bình nước nóng năng lượng mặt trời

sử dụng chai nhựa:

Các vỏ chai nhựa đóng vai

trò là thấu kính để hội tụ ánh sáng

mặt trời vào trong lòng ống, ở

phía trong các vỏ chai có đường

ống dẫn nước, được bôi đen để

tăng khả năng hấp thụ bức xạ

nhiệt củaánh sáng mặt trời

3.3 Nguyên lý hoạt

động của bình nước nóng sử

dụng năng lượng mặt trời:

Theo nguyên lí bình thông

nhau, nước sẽ chảy xuống hệ

thống ống dẫn được bọc bởi vỏ chai nhựa Khi đi qua đường ống này, nước được làm

nóng lên nhờ sự hấp thụ nhiệt từ vỏ chai nhựa và ống nhựa được phủ sơn đen

Do hiện tượng đối lưu, nước nóng có trọng lượng riêng nhỏ hơn sẽ đi theo

đường dẫn lên bình chứa và nước lạnh có trọng lượng riêng lớn hơn sẽ được chuyển

xuống hệ thống

Quá trình lặp đi lặp lại như vậy, nước nóng đi lên và nước lạnh đi xuống tạo

thành hệ thống tuần hoàn để làm nóng nước trong bình

4 Tiến hành lắp ráp

4.2 Bước 1 Chuẩn bị dụng cụ

 Thu gom vỏ chai nhựa Vỏ chai nhựa sau khi thu về, được làm sạch, cắt 2

đầu sao cho vừa với đường ống dẫn nước

Hình 7 Nguyên lí hoạt động của bình nước nóng năng lượng mặt trời

bằng vỏ chai nhựa

giảm nhiệt lượng

truyền ra bên ngoài

4.3. Bước 2 Tiến hành lắp đặt hệ thống

Sau khi đã có được ống nhựa đen và vỏ chai nhựa, tiến hành luồn ống nhựa vào trong vỏ chai nhựa sao cho các ống dẫn nằm trong tâm của vỏ chai Sau đó nối với các ống đó các đầu nối, cút nối nhựa Và ghép thành hệ thống gồm nhiều ống song song nhau

Tiếp theo là nối hệ thống với bình chứa nước có các van cấp nước, thoátnước vào và ra cho cả hệ thống làm nóng nước

4.4 Bước 3 Thử nghiệm mô hình, kiểm tra, so sánh nhiệt độ khi sử dụng

hệ thống và không sử dụng hệ thống

Cách tiến hành đo:

- Đo nhiệt độ đông thời ở 2 bình nước

+ Bình đối chứng là bình nước gắn với hệ thống không có vỏ chai nhựa

+ Bình hệ thống bình nước gắn với hệ thống có vỏ chai nhựa

- Sử dụng hệ thống với 7 ống dẫn nước như hình vẽ

4.5 Bước 4 Thiết kế tấm phản quang

Đặt các tấm phản quang bên dưới ống nhựa

4.6 Bước 5 Phân tích, sử lí số liệu, nhận xét kết quả

5 Kết quả

Ngày thử

nghiệm

Điều kiện môi

trường

Thể tích bình chứa: 18l , Số nhánh của hệ thống: 7 nhánh

Nhiệt độ ban đầu ( 0 C )

Nhiệt độ theo từng thời điểm đo

( 0 C ) 8h 9h45 10h25 11h45 12h35 13h25 14h35 15h 16h 1 16h45 1

18/10/2015

Trời rét,

có nắng nhẹ, không mưa

Nhiệt độ môi trường

từ sáng sớm

Nhiệt độ môi trường

nhẹ, trời

âm u, không nắng Đến trưa

có nặng nhẹ

Nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ môi trường

27

- Nhiệt độ nước đo được trong ngày 26/10/2015

Ngày đo Điều kiện môi

trường

Nhiệt độ ban đầu ( 0 C )

Nhiệt độ theo từng thời điểm đo

( 0 C )

3h25

1 4h35

26/10/2015

Nắng nhẹ từ sáng sớm

Bình đối chứng

27

Bình hệ

Nhiệt độ nước đo ngày 26/10/2015

Độ tăng nhiệt độ nước trong này 26/10/2015

6 Nhận xét kết quả:

Từ bảng số liệu cho thấy :

 Nhiệt độ trong bình nước gắn với hệ thống ống dẫn được bọc bởi vỏ chainhựa có nhiệt độ cao hơn nhiều nước trong bình gắn với hệ thống không được bọc bởi

vỏ chai nhựa