Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời với chi phí thấp phù hợp với điều kiện khí hậu việt nam

Hệ thống chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rất lâu đời, nhưng hiện nay, hiểu quả của thiết bị này còn quá thấp nên được ứng dụng không rộng rãi.. Trong phạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~

NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC NGỌT

DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VỚI CHI PHÍ THẤP

PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

Chuyên ngành : Công nghệ Nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THẾ BẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Ngày …… tháng …… năm 2009

- -

Họ và tên học viên: NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17-04-1982 Nơi sinh:Hà Tây

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Nghiên cứu khảo sát tài liệu về công nghệ cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời

• Trình bày phương pháp tính cường độ bức xạ, nghiên cứu lý thuyết đưa ra mô hình tính toán nhiệt cho hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời

• Chế tạo mô hình cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng có đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

• Tiến hành thực nghiệm đo đạc thông số trên mô hình

• Đánh giá kết quả, hiệu quả kinh tế, rút ra những nhận xét, kết luận

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18-02-2009

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04-12-2009

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THẾ BẢO

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Để hoàn thành luận văn, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

1 TS NGUYỄN THẾ BẢO là thầy giáo trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn, cảm ơn thầy đã tận tình giúp đỡ, đưa ra những ý kiến nhận xét và những lời góp ý chân thành

2 Các thầy trong bộ môn Công nghệ Nhiệt lạnh, trường Đại học Bách khoa Tp HCM đã tận tình giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến sâu sắc về chuyên môn

3 Các anh chị em đồng nghiệp, đồng môn đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

TP HCM, tháng 11 năm 2009

Hệ thống chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rất lâu đời, nhưng hiện nay, hiểu quả của thiết bị này còn quá thấp nên được ứng dụng không rộng rãi

Trong phạm vi luận văn “Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng, phù hợp với điều kiện Việt Nam”, tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

từ đó cải tiến hệ thống cổ điển (đối lưu tự nhiên) bằng cách lắp đặt thêm một hệ thống ngưng tụ riêng biệt nhằm tăng khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời và tăng diện tích ngưng của hơi nước, từ đó làm tăng sản phẩm thu được Ngoài ra, luận văn đưa ra những điều kiện tối ưu để có thể thu được sản phẩm một cách tối đa:

Xác định chiều cao tối ưu của lớp nước

Độ nghiêng tấm phủ phù hợp

Tốc độ gió sao cho không bị tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Nghiên cứu lý thuyết đưa ra mô hình tính toán nhiệt cho hệ thống chưng cất nước ngọt

Dựa trên nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật của hệ thống, tác giả đã xây dựng phần mềm hỗ trợ tính toán để có thể xác định được các thông số tối

Nhiệm vụ luận văn

Lời cảm ơn

Tóm tắt luận văn

Mục lục

I Đặt vấn đề 1

II Mục đích nghiên cứu 2

III Đối tượng nghiên cứu 2

IV Giới hạn nghiên cứu 2

Chương II: TỔNG QUAN I Tình hình năng lượng: 3

II Nhu cầu nguồn nước ngọt: 4

III Thiết bị chưng cất nước ngọt đã được sử dụng: 5

III.1 Dạng sơ khai: 5

III.2 Dạng Single slope still: 6

III.3 Dạng Double slope still: 7

III.4 Dạng Double basin still: 8

III.5 Dạng cầu: 9

III.6 Dạng Multi-stage flash distillation (MSF): 10

III.7 Dạng Multi-Effect distillation (MED 11

III.8 Dạng Vapour compression distillation: 11

III.9 Dạng Reverse Osmosis membrane distillation: 12

III.10 Một số dạng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam: 13 IV Tổng quan về năng lượng mặt trời 15

IV.I Bức xạ tổng xạ: 16

IV.2 Năng lượng mặt trời ở Việt Nam: 18

Chương III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I Nguyên lý chưng cất nước ngọt: 19

II Cơ sở lý thuyết: 19

II.1 Tính cường độ bức xạ đến mặt phẳng nghiêng: 19

II.3 Phương trình truyền nhiệt và truyền chất tại thiết bị chưng cất truyền

thống hai mái nghiêng: 23

II.3.1 Hệ thống đối lưu tự nhiên: 23

II.3.2 Hệ thống đối lưu cưỡng bức: 32

III Phần mềm hỗ trợ tinh toán: 40

III.1 Sơ đồ thuật toán 40

III.2 Giao diện phần mềm: 40

Chương IV: THÍ NGHIỆM I Mục đích, ý nghĩa 42

II Mô tả hệ thống 42

III Thuyết minh các dụng cụ đo 42

IV Tiến hành thí nghiệm, xử lý kết quả thí nghiệm, nhận xét, bàn luận 43

Chương V: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ I Thực trạng tại vùng khảo sát: 75

II Tính hiệu quả kinh tế và khả năng thu hồi vốn 75

Chương VI: KẾT LUẬN I Kết luận 79

II Đề nghị 80

Chương 1: MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề:

Hiện nay nhà nước ta đang khuyến khích sử dụng các thiết bị dùng năng lượng mặt trời Hơn thế nữa, người dân sẽ ngày càng thấy tầm quan trọng cũng như sự tiết kiệm khi sử dụng thiết bị chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời và họ sẽ sử dụng ngày càng nhiều hơn Tuy nhiên điều quan trọng của vấn đề này là tính hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của thiết bị chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời Bởi vì hiện nay, một số loại

cổ điển hoặc cao cấp nhưng không phù hợp với lý do hiệu suất kém hoặc giá

cả chưa hợp lý

Chính vì thế nên tác giả chọn đề tài này với mục đích là để đưa ra một

mô hình hoàn thiện về thiết bị chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường và đáp ứng được hai yếu tố trên, đó là, hiệu suất cao, giá cả hợp lý

Hiện nay, tại một số vùng xa xôi hẻo lánh, vùng sâu vùng xa, các hải

đảo xa xôi ,đa số, đang sử dụng thiết bị chưng cất dạng hai mái nghiêng với chi phí không cao so với các loại khác nhưng hiệu suất khá thấp, nên đề tài

này, tác giả sẽ cố gắng đưa ra một mô hình với chi phí thấp để có thể cải thiện

hệ thống này Mô hình mà tác giả đưa ra có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, làm tăng khả năng trao đổi nhiệt và diện tích ngưng tụ, dẫn đến lượng nước sạch thu được sẽ cao hơn

II Mục đích nghiên cứu:

Đưa ra một mô hình hoàn thiện về thiết bị chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường và đáp ứng được hai yếu tố trên, đó là, hiệu suất cao, giá cả hợp lý

III Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là thống chưng cất nước ngọt

dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng

IV Giới hạn nghiên cứu:

Trong phạm vi đề tài “Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng, phù hợp với điều kiện Việt Nam”, tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết đưa ra mô hình tính toán nhiệt cho hệ thống chưng cất nước ngọt

- Xây dựng phần mềm tính toán

- Thực nghiệm, sử dụng số liệu đo đạc thực tế, số liệu khí tượng tại các thời điểm khác nhau để so sánh và đánh giá chương trình So sánh hiệu quả của hệ thống đã cải tiến so với ban đầu

Chương 2: TỔNG QUAN

I Tình hình năng lượng:

Hiện nay hàng năm thế giới khai thác và sử dụng khoảng 10 tỷ tấn nhiên liệu khoáng Như vậy sẽ thải ra môi trường khoảng hơn 200 triệu tấn axit sulfuric, chưa kể thêm các chất độc hại khác [14] Rất ít ai còn chưa cảm thấy tác động của con người lên môi trường Các hiệu ứng toàn cầu về tăng nhiệt độ, tăng mực nước biển, tăng mức tàn phá của thời tiết (lụt, bão, hạn và

sa mạc hóa…) là những chứng cớ không còn nghi ngờ rằng loài người đã đạt đến khả năng giải phóng những năng lượng làm thay đổi nghiêm trọng cân bằng của tự nhiên

Các nước công nghiệp đang nhận thức rõ hiểm họa cạn kiệt năng lượng (đặc biệt giá dầu mỏ hiện nay chưa có dấu hiệu bình ổn) và có những chính sách mạnh và cụ thể để phát triển năng lượng tái tạo cũng như tăng hiệu quả năng lượng Chính phủ các nước này khuyến khích sử dụng năng lượng mặt trời qua miễn thuế, cho vay dài hạn lãi suất thấp, tài trợ nghiên cứu phát triển…Họ đặt ra những mục tiêu rõ ràng về tỷ trọng mà năng lượng mặt trời cần đạt trong từng thời đoạn Ví dụ công đồng châu Âu đạt 12% năng lượng tái tạo vào năm 2010 Các nước có quy mô sử dụng năng lượng mặt trời rộng lớn là Nhật Bản, Mỹ, Israel, Úc, Hy Lạp, Áo, Đức,… [16]

Trong khi các dạng năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt, thì ánh sáng mặt trời được coi là một trong những kho năng lượng quý giá có thể thay thế được So với các dạng năng lượng khác, năng lượng mặt trời có

ưu thế hơn là vừa sạch, vừa rẻ, lại gần như vô tận Bởi thế, nó đã sớm được con người nghĩ đến và tìm cách khai thác Ở nước ta, từ hơn hai mươi năm trở lại đây đã sử dụng nhiều loại thiết bị thu ánh sáng mặt trời để phục vụ cho quá trình sản xuất như: thiết bị sấy, thiết bị đun nước nóng, thiết bị chưng cất nước và dàn pin mặt trời Các thiết bị này nhìn chung phù hợp với điều kiện khí hậu và đặc điểm địa lí nước ta

Sử dụng năng lượng mặt trời mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội, góp phần bảo tồn nguồn năng lượng truyền thống, bảo vệ môi trường và thực hiện điện khí hóa nông thôn, vùng sâu, vùng xa là việc làm cần thiết Vì thế Nhà nước cần có các chính sách hỗ trợ tích cực cho các cơ quan nghiên cứu, doanh nghiệp cung cấp các dịch vụ cũng như người sử dụng các công nghệ năng lượng mặt trời

II Nhu cầu nguồn nước ngọt:

Hình 2.1: Sự phân bố nước trên trái đất

Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên rất phong phú quanh ta, từ những dòng chảy, sông hồ, nước ngầm đến đại dương mênh mông là nơi muôn loài thuỷ sinh sinh sống, nước được sử dụng trong mọi mặt của đời sống con người và mọi loài động thực vật trên trái đất Tuy nhiên, nguồn nước sạch quí giá đang bị khai thác dần cạn kiệt, thiếu nước sạch không những ảnh hưởng đến đời sống con người mà còn ảnh hưởng đến các loại sinh vật trên trái đất cũng như mọi hoạt động sản xuất, sinh hoạt

Nước ngọt là một nhu cầu rất cơ bản cho sự sống của con người Theo báo cáo của Liên Hiệp Quốc, hơn 1 tỷ người trên thế giới không có nước sạch, khoảng 2,5 tỷ không có nhà vệ sinh và mỗi năm hơn 2 triệu người chết

vì thiếu nước sạch và điều kiện vệ sinh Năm 2007, hội nghị về nước sạch và bảo vệ môi trường đã diễn ra và nêu lên vấn đề bức xúc về sự thiếu hụt nước ngọt trầm trọng diễn ra nhiều nơi trên thế giới Do vậy, cùng với vấn đề thiếu

hụt năng lượng thì vấn đề nước sạch cũng là một trong những vấn đề được cả thế giới quan tâm

Còn ở Việt Nam chúng ta hiện nay thì sao? Các tỉnh miền núi như Sơn

La, Lào Cai…các hải đảo xa sôi, ngay cả các vùng có lượng nước lớn như Long An, Bạc Liêu, Đồng Tháp thì hiện nay đang thiếu nước sạch để uống, sinh hoạt trầm trọng Còn ở các thành phố lớn thì ô nhiễm nguồn nước sạch đang là một vấn đề đau đầu đối với người dân và các ngành có liên quan

Lượng nước tự nhiên có khoảng 96,5% là nước mặn phân bố ở biển và đại dương, phần còn lại được phân bố ở đất liền Điều này cho thấy rằng lượng nước ngọt cung cấp cho sinh hoạt của chúng ta hết sức hạn hẹp Vậy tại sao ta không tận dụng các nguồn nước mặn, ô nhiễm để sử dụng vào sinh hoạt

và sử dụng như thế nào? Đó chính là lý do ra đời của đề tài, ta sẽ sử dụng máy chưng cất dùng năng lượng mặt trời mục đích là tiết kiệm năng lượng (gas, điện…), tạo ra nguồn nước tinh khiết

III Thiết bị chưng cất nước ngọt đã được sử dụng:

III.1 Dạng sơ khai:

Từ ngày xưa con người đã biết cách tìm nguồn nước ngọt khi lạc trong rừng rậm, hoang mạc hay lênh đênh trên biển cả, các thiết bị chưng cất để lấy nước ngọt sơ khai đã được hình thành Nhưng nhược điểm của các phương pháp này là lượng nước thu được rất thấp

c) d)

Hình 2.2: Các thiết bị chưng cất đơn giản a) Chưng cất nước từ sự hô hấp của cây b) Dùng nhiệt để chưng cất nước c) Dùng năng lượng mặt trời chưng cất nước từ đất ẩm

d) Dùng năng lượng mặt trời chưng cất nước

III.2 Dạng một mái nghiêng (Single slope still):

Loại Single slope still là thiết bị chưng cất có một tấm kính đặt nghiêng phía trên bể chứa nước cần được chưng cất để hấp thụ các tia bức xạ mặt trời Tấm kiếng được đặt một góc nghiêng phù hợp để nước ngưng tự chảy xuống Dạng Single slope still có thể dùng một miếng bấc hoặc chia ra làm nhiều khay chứa làm tăng khả năng bay hơi của nước Lượng nước sạch thu được của Single slope still khoảng 1,5 – 2 lít/m2/ngày

Ưu điểm lớn nhất của loại này là tính kinh kế, dễ chế tạo, dễ lắp đặt Nhược điểm: hiệu suất thấp

a) b)

Hình2.3 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng

sin-gle slope still a)Dạng đơn giản b) Dạng có nước chảy phía trên

c)Dạng bấc d)Dạng nhiều khay

III.3 Dạng hai mái nghiêng (Double slope still):

Loại Double slope still là thiết bị chưng cất có hai tấm kính đặt nghiêng phía trên bể chứa nước cần được chưng cất để hấp thụ các tia bức xạ mặt trời, làm tăng diện tích hấp thu bức xạ và ngưng tụ Tấm kiếng được đặt một góc nghiêng phù hợp để nước ngưng tự chảy xuống Dạng Double slope still có thể dùng một miếng bấc tăng khả bay hơi của nước Hiệu suất thấp, lượng nước sạch thu được 2 – 2,5 lít/m2/ngày

Ưu điểm của loại này là tính kinh kế, dễ chế tạo, lắp đặt Nhược điểm: hiệu suất thấp nhưng cao hơn loại dạng single slope still

a)

b)

Hình 2.4 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng double

slope still a) Dạng đơn giản b) Dạng bấc

III.4 Dạng hai bể chứa (Double basin still):

Dạng Double basin still là dạng có 2 phần chứa nước và có hai lớp kính, mục đích làm tăng diện tích ngưng tụ, từ đó làm tăng lượng nước bay hơi Lượng nước sạch thu được khoảng 3 – 4 lít/m2/ngày

Ưu điểm: tính kinh kế, dễ dàng chế tạo, lắp đặt tại Nhược điểm: cách chế tạo có phần phức tạp hơn hai loại trên và phải bố trí một số van để điều khiển lưu lượng nước

a)

b)

Hình 2.5 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng double

ba-sin still a) Dạng đơn giản b) Dạng bấc

III.5 Dạng cầu:

Thiết bị gồm hai nửa bán cầu thuỷ tinh có đường kính bằng nhau Phía trên đỉnh có lắp một motor điều khiển cần gạt, gạt nước ngưng tụ xuống phía

dưới Nhược điểm: cách chế tạo phức tạp nên loại này ít được sử dụng

Hình 2.6: Thiết bị chưng cất nước dạng cầu Các dạng trên được coi là dạng chưng cất nước bị động Passive solar still, nếu được lắp thêm bơm hoặc quạt để tăng khả năng trao đổi nhiệt thì được xem là dạng chưng cất nước chủ động Active solar still Ưu điểm: làm

tăng khả năng trao đổi nhiệt từ đó làm tăng lượng nước sạch thu được Nhược điểm: chi phí chế tạo tăng lên đáng kể

Hình 2.7: Thiết bị chưng cất nước dạng Active solar still

III.6 Dạng nhiều cấp (Multi-stage flash distillation) (MSF):

Dạng Multi-stage flash distillation được cấu tạo như hình 8 gồm nhiều

buồng bay hơi, nước cấp vào được gia nhiệt bằng chính lượng hơi bay lên và Solar collector Lượng nước sạch thu được khoảng 8 -10 lít/m2/ngày

Ưu điểm: Hiệu suất tăng do nước cấp được gia nhiệt Nhược điểm: cấu tạo phức tạp dẫn đến chi phí tăng cao

Hình 2.8: Thiết bị chưng cất nước dạng Multi-stage flash

III.7 Dạng bay hơi, ngưng tụ áp suất thấp (Multi-Effect distillation) (MED) (humidification /dehumidification) :

Dạng Multi-Effect distillation có cấu tạo gồm: nhiều thiết bị bay hơi, ngưng tụ nối tiếp nhau, Solar colector và các bơm chân không làm giảm áp suất trong các buồng chưng cất Nước lạnh cấp vào chính là thiết bị ngưng tụ làm ngưng hơi (dehumidifier), nước được làm nóng bởi Solar colector sẽ làm bay hơi nước (humidifier) Ưu điểm: được trang bị thêm bơm chân không nên lượng hơi nước bay hơi rất lớn, hiệu suất tăng cao, lượng nước sạch thu được

từ 10 – 20 lít/m2/ngày Nhược điểm: do trang bị thêm bơm chân không nên chi phí tăng cao, thiết bị ngưng tụ phải được làm kín hoàn toàn nên khó khăn trong việc chế tạo

Hình2 9: Thiết bị chưng cất nước dạng Multi-Effect distillation

III.8 Dạng nén hơi (Vapour compression distillation):

Cấu tạo chính của Vapour compression distillation gồm bộ Solar lector, nhiệt trở bổ sung và máy nén ly tâm Nước được gia nhiệt bởi bộ col-

col-lector và điện trở làm bay hơi nước Lượng hơi nước này được máy nén ly tâm hút qua bộ trao đổi nhiệt mà ngưng lại thành nước tinh khiết

Ưu điểm : do được bổ sung nhiệt bằng điện trở nên lưu lượng nước sạch thu được rất cao, phụ thuộc vào thanh điện trở Nhược điểm: giá thành thiết bị cao, tuổi thọ thấp do dễ bị ăn mòn

III.9 Dạng màng thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis membrane distillation):

Đây là công nghệ thẩm thấu ngược, cấu tạo chính là một màng lọc có các lỗ nhỏ li ti khoảng 0,2μm Khi nước biển cấp vào được Solar collector làm nóng lên sẽ qua thiết bị màng thẩm thấu ngược, nước và hơi nước sẽ qua màng và ngưng tụ lại

Hình 2.10: Thiết bị chưng

cất nước dạng Vapour

compression distillation

Hình 2.11: Thiết bị chưng cất nước dạng Reverse Osmosis

Ngoài ra, loại thẩm thấu ngược xảy ra khi có độ chênh áp giữa hai phía của màng thẩm thấu, dung dịch từ nơi có áp suất cao sẽ đẩy nước xuyên qua màng lọc

Hình 2.12: Thiết bị chưng cất nước dạng Reverse Osmosis dùng cơ

Ưu điểm: sử dụng công nghệ cao nên lượng nước sạch thu được cũng lớn 15 – 20 lít/m2/ngày Nhược điểm: giá thành còn cao

III.10 Một số dạng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam:

Các thiết bị chưng cất nước ngọt hiện đang được nghiên cứu rất nhiều tại Việt Nam Công ty cổ phần Khoa học công nghệ P.E (Petech) hiện đang phát triển thiết bị chưng cất kết hợp bếp nấu Thiết bị gồm một collector tập trung có đường kính khoảng 1,5m đặt trên giá đỡ Nguồn năng lượng tập

trung sẽ nâng nhiệt độ của bình chưng cất lên khoảng 800C làm bay hơi nước Sau đó, hơi nước sẽ qua bộ phận ngưng hơi hình xoắn ốc để cho ra nước tinh khiết

Hình 2.13: Thiết bị chưng cất của công ty Petech

Ts Hoàng Dương Hùng kết hợp với Tổ chức Phục vụ Năng lượng mặt trời tại Đà Nẵng đang triển khai đại trà thiết bị chưng cất dùng gương phản

xạ Lưu lượng nước tinh khiết của các thiết bị này thu được không cao, chỉ vào khoảng 2,5 – 3 lít/ngày

Hình 2.14: Thiết bị chưng cất dùng gương phản xạ

Ngoài các thiết bị trên, hiện nay thiết bị chưng cất PGS TS Trần Tuấn (Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Tp HCM)đang thử nghiệm vật liệu màng ZnO; PGS TS Nguyễn Tiến Tài kết hợp Viện Hoá học tại Hà Nội nghiên cứu vật liệu chuyển pha để ứng dụng vào thiết bị chưng cất PGS Ts Nguyễn Tiến Tài cho biết, vật liệu chuyển pha trữ nhiệt có nguồn gốc Para-

phin, ví dụ như sáp ong Ban ngày khi trời quá nóng, nhiệt độ cao hơn bình thường, sáp ong sẽ hấp thụ nhiệt và chuyển từ thể rắn sang thể mềm, giữ cho nhiệt độ tổ ong không tăng Ban đêm, khi trời lạnh, sáp ong sẽ giải phóng nhiệt lượng đã trữ ban ngày và chuyển ngược lại từ thể mềm về thể rắn Nhờ vậy, tổ ong luôn có nhiệt độ ổn định Việc thu nhiệt lượng thừa (tích nhiệt) để sau đó tái sử dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuyển pha trữ nhiệt đảm nhiệm, tương tự như hiện tượng nạp – phóng nhiệt của sáp ong Nhờ vậy, khác với các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có chỉ hoạt động khi có mặt trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục hoạt động ngay cả khi trời đã tắt nắng

IV Tổng quan về năng lượng mặt trời:

Năng lượng bức xạ mặt trời thực chất là nguồn năng lượng nhiệt hạch

vô tận của thiên nhiên Hàng năm mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng năng lượng khổng lồ, gấp 10 lần trữ lượng năng lượng có được từ các nguồn nhiên liệu trên trái đất Trong những năm gần đây đã có nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng siêu sạch, vô tận này dưới nhiều hình thức khác nhau và đã đạt được nhiều kết quả

Một cách gần đúng, có thể xem mặt trời như là một quả cầu có đường kính ds =1,392.10 6 km, nằm ở một tiêu điểm của quỹ đạo elip của trái đất Mật

độ bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt của trái đất tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng Khoảng cách này thay đổi theo ngày trong năm Khoảng cách trung bình r0 =149,6.10 6 km được gọi là một đơn vị thiên

văn (AE) Vào ngày 3 tháng 1, khoảng cách giữa mặt trời và trái đất là nhỏ nhất và bằng 0,983 AE Khoảng cách lớn nhất vào ngày 4 tháng 7 bằng 1,017

AE

Do khoảng cách giữa mặt trời và trái đất rất lớn, nên bức xạ mặt trời tạo ra những chùm tia sáng gần như song song Khi đi qua lớp khí quyển của trái đất chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước, khí cac-

bonic và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp

đến bề mặt trái đất Bức xạ mặt trời ngoài lớp khí quyển gọi là bức xạ mặt trời

ngoài trái đất (hay bức xạ mặt trời vũ trụ)

Mật độ bức xạ mặt trời vũ trụ trên bề mặt vuông góc với chùm tia bức

xạ, cách tâm mặt trời một khoảng bằng r0=1AE được gọi là hằng số mặt trời

E =5777 ,K

IV.I Bức xạ tổng xạ:

Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần

chính đó là trực xạ và tán xạ Phần trực xạ đã đựơc khảo sát ở trên, còn thành

phần tán xạ thì khá phức tạp Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt

là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại

thay đổi khá nhiều Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần

(hình 2.6)

- Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ

toàn bộ vòm trời

- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt

trời xung quanh tia mặt trời

- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân

trời

Hình 2.15: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán

Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Dg (còn gọi

là albedo -suất phân chiếu) của mặt đất Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví

dụ bề mặt tuyết xốp có Dg = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời

Hình 2.16: Các thành phần bức xạ trên bề mặt nghiêng

IV.2 Năng lượng mặt trời ở Việt Nam:

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ

8030’ Bắc đến 23024’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 4,2 – 7,3 GJ/m2/ năm, số giờ nắng trong một năm nhiều, đặc biệt là ở các tỉnh phía nam [8]

Như vậy Thành phố Hồ Chí Minh có diện tích 2095,2 km2 trung bình một ngày bức xạ mặt trời chiếu xuống là 36,7 tỷ MJ nếu hiệu suất sử dụng được là 30% thì trung bình mỗi ngày thu được 11 tỷ MJ, tương đương với đốt 286,5 tấn dầu FO Vì vậy chúng ta hoàn toàn tin tưởng vào việc đầu tư để khai thác nguồn năng lượng sạch và vô tận này

Bảng 1: Số giờ nắng trung bình hàng ngày tại Tp.HCM ( theo trung tâm

chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM)

I Nguyên lý chưng cất nước ngọt:

Nguyên lý cơ bản của chưng cất nước tương tự như quá trình nấu rượu bằng phương pháp cổ điển Ta sẽ có một nguồn nóng có nhiệt độ cao làm nước bay hơi lên, khi gặp nguồn lạnh thì lượng hơi này sẽ bị ngưng tụ lại Lượng nước này gọi là nước cất hay nước ngọt Nguồn nước dùng để chưng cất là nước phèn, nước mặn

II Cơ sở lý thuyết:

Thiết bị này tính toán ứng dụng tại Tp Hồ Chí Minh hoặc các vùng hải đảo khan hiếm nguồn nước ngọt, nơi có lượng nước phèn, mặn Đây là thiết

bị chưng cất nước đơn giản, bao gồm một thiết bị chứa nước có bọc cách nhiệt, phía trên có đậy một tấm kính có độ nghiêng phù hợp, nhưng lượng nước ngưng sẽ được quạt hút sang thiết bị ngưng tụ Ưu điểm của phương pháp này là tăng độ chênh nhiệt độ giữa nước và kính, tăng diện tích ngưng tụ của hơi nước dẫn đến tăng tỉ lệ bay hơi của nước, tránh lượng nước ngưng trên tấm kính làm giảm các tia bức xạ đến bề mặt hấp thụ Đồng thời, nhiệt năng của hơi ngưng tụ sẽ được hấp thụ bởi lượng nước cấp bổ sung cho hệ thống

II.1 Tính cường độ bức xạ đến mặt phẳng nghiêng:

Hình 3.1: Vị trí tương đối của mặt trời trên mặt phẳng ngang và mặt phẳng

nghiêng

Hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ:

cosθ =sinδsinφcosβ −sinδ cosφsinβcosγ

+cosδsinφsin β cosγ cosω +cosδ sin βsinγ sinω

Góc đỉnh, hợp bởi tia bức xạ và mặt phẳng nằm ngang:

δφω

δφ

θ cos cos cos sin sin

β : góc nghiêng của Collector 0 ≤ β ≤ 900

γ : góc phương vị (-1800 ≤ γ ≤ 1800)

ω : góc giờ Là góc tạo bởi tia trực xạ và đường nối điểm khảo sát với

vị trí cao nhất (thiên đỉnh) của mặt trời trong ngày

θ : góc tới của tia bức xạ lên mặt phẳng nghiêng

θz : góc thiên đỉnh Là góc tạo bởi tia trực xạ và đường thẳng góc với mặt phẳng nằm ngang tại vị trí khảo sát

n : số ngày hiện tính của năm (ngày)

ω = (12 – t) 15 0 (5)

t : thời điểm lúc tính (giờ)

Hay nhiệt lượng toàn phần nhận được qua tấm hấp thụ được xác định như sau:

2

Cos1.2

Cos1.I

IRI

)(II).(

2

Cos1

.I).(

R.I

IT = b b τα b + d + β τα d + d + b τα g ρ − β (7)

Với :

• (τα)b : hệ số hấp thụ-truyền qua của thành phần trực xạ

• (τα)d : hệ số hấp thụ-truyền qua của thành phần khuyếch tán

• (τα)g : hệ số hấp thụ-truyền qua của thành phần phản xạ từ mặt đất

• (τα ) : hệ số hấp thụ-truyền qua trung bình

Theo [11], có thể lấy giá trị (τα) trong công thức (8) bằng với giá trị trung bình của (τα)b theo ngày với sai số nhỏ hơn 5%

Theo nghiên cứu của Hadara [12], (τα) có mối liên hệ với hệ số hấp thụ trung bình (τα)tb theo hệ thức (τα =(τα)) tb.Kτα Với Kτα = 0.96 cho một

tấm kính phủ

II.2 Xác định hệ số phản xạ, hấp thụ và truyền qua

Đối với kính che phủ, khả năng truyền qua của bề mặt phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, góc tới của chùm tia bức xạ, chiết xuất của môi trường

và hệ số suy giảm K khi xuyên qua lớp vật liệu này Hiện tượng phản xạ xảy

ra trên các bề mặt phân cách giữa hai môi trường tiếp xúc nhau Gọi ρ,τ và α

là lần lượt là hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua và hệ số hấp thụ của tấm phủ :

Hình 3.2: Quá trình truyền qua của tia bức xạ

Khảo sát tia bức xạ đi từ môi trường có chiết xuất n1, góc tới θ1 sang môi trường có chiết xuất n2 và góc tới θ1, theo định luật Snell :

1

2 2

1

sin

sinn

sin

)(

sin

r

1 2 2

1 2 2

θ

−θ

) (

tan

) (

tan

r

1 2 2

1 2 2

θ

− θ

Trong kỹ thuật năng lượng mặt trời, điều quan tâm là hệ số xuyên qua

τ của tia bức xạ, bỏ qua sự hấp thụ của tấm phủ trong suốt ta có thể tính gần đúng hệ số τrN xuyên qua N tấm phủ như sau :

r)

1N.2(1

r1r

−+

r)

1N.2(1

r1r

−+

−

Trong trường hợp trên chỉ xét đến hiện tượng phản xạ, nếu kể đến ảnh hưởng của hiện tượng hấp thụ, hệ số xuyên qua của τa của tấm phủ được tính như sau:

2

cos L K

n

n d

)

1(1

.]

)

1[(

)

(

ρα

−

−

ατ

=ρα

−α

II.3.1 Hệ thống đối lưu tự nhiên:

Quá trình truyền nhiệt và truyền khối trong thiết bị trình bày tại hình 3.3 Để đưa ra được các phương trình cân bằng năng lượng thì ta có các giả thiết sau:

- Lượng nước tổn thất do bay hơi rất nhỏ so với lượng nước có trong thiết bị chưng cất

- Lượng nhiệt cần thiết để làm nóng nước bổ sung không đáng kể

w a

w

C ( − ) <<

- Thiết kế tốt nên không có sự rò rỉ nước ra môi trường bên ngoài

- Diện tích tấm phủ, diện tích bề mặt nước và bể chứa là như nhau

- Bỏ qua Gradient nhiệt độ dọc theo chiều dày tấm phủ và chiều sâu của nước

Hình 3.3: Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị đối lưu tự nhiên

Với những giả thiết trên và hình 3.3: Phương trình cân bằng năng lượng tại kính, nước và bể chứa:

q q q

w b w rw ew cw T

b b b w T

b '' + − = +

α (17 a )

Trong đó:

- q cw: Lượng nhiệt truyền do đối lưu giữa bể nước và tấm phủ (W/m2),

và được tính bởi công thức Dunkle [16]:

) (

) 10

9 268 (

) 15 273 )(

( ) (

884 0

3 / 1

w

w g w g

w

p

t p p t

8 3 7 5

Với w: tốc độ gió (m/s)

ta: nhiệt độ môi trường xung quanh (0C)

- q ra: Lượng nhiệt truyền do bức xạ giữa tấm phủ và môi trường xung quanh (W/m2):

15,27315

b w b

Với h w b− : hệ số truyền nhiệt từ nước ra vách bể chứa (W / m2.0 C )

- q b: lượng nhiệt truyền từ đáy bể chứa ra môi trường xung quanh

(W/m2):

) (b a

h i : hệ số truyền nhiệt kết hợp đối lưu và bức xạ giữa lớp cách nhiệt và môi trường

Hoặc:

) ( b a

- Q T': tổng bức xạ mặt trời lên bề mặt nước sau khi qua tấm phủ (W/ m2)

- Q T'': bức xạ mặt trời lên bể chứa sau khi qua nước (W/ m2)

- αg, αw, αb : hệ số hấp thụ của tấm phủ, nước và bể chứa

- M g, M w, M b: nhiệt dung trên một đơn vị diện tích của tấm phủ, nước

và bể chứa (J/ m2.0 C)

- t g , t w ,t b: nhiệt độ tức thời của tấm phủ, nước và bể chứa (0 C)

Các công thức (15a), (16a), (17a) có thể được viết lại như sau:

Để đơn giản, thuận tiện cho việc tính toán thì các giá trị Q T, Q T' , Q T''

được lấy tương đương với Q T Nếu các giá trị τg, τw, τb được xem như là những hệ số truyền qua của tấm phủ, nước và bể chứa thì các công thức thức (15b), (16b), (17b) được viết lại như sau:

Hình 3.4 Sự phân bố của tia tới

Qua trên, hệ số truyền qua của tấm phủ:

αw w

n = 61504 lnH + 0 3577 ( 28 )

Với H w : chiều cao lớp nước trong bể chứa ( mm )

Theo [17] thì hệ số hấp thụ của nước đối với góc của tia tới bất kỳ: α

n

= + 1 2 0345 10 × − 3 − 1990 10 × − 4 2 + 5 324 10 × − 6 3 − 4 799 10 × − 8 4

(29) Với θ: góc của tia tới so với bề mặt của nước (độ)

Dựa vào công thức (15c), (16c), (17c) thì nhiệt độ tức thời của tấm phủ, nước và bể chứa sẽ được tính toán Lượng nước cất thu tại khoảng thời gian Δt:

A: diện tích của bể chứa ( m2 )

Hiệu suất tức thời của thiết bị chưng cất:

ηs ew

h

q AQ

Với Q h: tổng bứa xạ mặt trời lên mặt phẳng ngang (W / m2 )

Tại thời điểm xác định, tia bức xạ tới thiết bị sẽ phụ thuộc vào độ dốc của tấm phủ và góc của tia tới lên bề mặt tấm phủ Hình dạng hình học của thiết bị:

Hình 3.5: Sự phân bố góc của tia tới

Theo hình 3.5 trên ta có: tổng bức xạ tới thiết bị, ta có tỉ lệ theo các góc trong tam giác

1 1

khi 1

) - 180 (

<

khi ) 1 /(

1

) - 180 ( khi 0

β ψ

β ψ

β

β ψ

F

) - 180 (

<

khi ) 1 /(

khi 0

1

1 2

2 2

β ψ

β ψ

β

β ψ

F F

Với ψ : góc cao độ của mặt trờiαstheo phương thẳng đứng đối với hai

bề mặt nghiêng của tấm phủ

N SUN

Do vậy:

tan ψ = S’” / S”” = tan αs / cos Z = tan αs / cos ( γs - γ ) ( 34c )

Trong đó: γ: góc phương vị của tấm phủ thứ nhất