Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động điều chỉnh góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN QUỐC HUY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC XOAY THEO HƯỚNG NẮNG CỦA BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các

số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Quốc Huy

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo khoa Cơ khí – Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa học

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Việt Hùng, người đã luôn theo sát bên tôi, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi cả về kiến thức, vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ giáo viên xưởng thực hành khoa Cơ khí – Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Huế, tháng 30 tháng 5 năm 2016

Học viên

Nguyễn Quốc Huy

TÓM TẮT

Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mẫu bếp hộp tự động xoay theo hướng nắng, hoạt động hiệu quả với hiệu suất thu và giữ nhiệt của bếp được cải thiện đáng kể Cụ thể:

Thứ nhất đã phân tích điều kiện thời tiết, khí hậu tại khu vực để làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo

Thứ hai, đã thiết kế và chế tạo một mẫu bếp hộp cải tiến theo hướng kết hợp các ưu điểm của bếp parabol và bếp hộp truyền thống

Thứ ba, tính toán và thiết kế được bộ điều khiển với hai phương án hoạt động theo nguyên lý hẹn giờ và sử dụng cảm biến Trong đó, phương án hẹn giờ sử dụng rơ

le thời gian kết hợp với một động cơ điện 1 chiều với công suất 0,05 KW và số vòng quay 96v/ph điều khiển bếp quay một góc 10˚ sau mỗi khoảng thời gian 30 phút Phương án điều khiển bằng cảm biến, sử dụng cảm biến quang trở kết hợp với bo mạch Arduino và động cơ bước để điều khiển bếp theo hướng Mặt Trời Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của hai phương án, đề tài lựa chọn phương án thiết kế, chế tạo bảng điều khiển theo chế độ hẹn giờ

Thứ tư, lựa chọn phương án truyền động cơ khí, đó là sử dụng bộ truyền động xích đơn giản, hiệu quả với tỉ số truyền 1

2 Thứ năm, tiến hành khảo nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của bếp hộp cải tiến và hiệu quả của bếp ở hai trường hợp bếp tĩnh và bếp động Kết quả chỉ ra rằng, hiệu suất thu, giữ nhiệt của bếp động cao hơn bếp tĩnh là 13%

Kết quả tính toán các thông số kỹ thuật để thiết kế, chế tạo bếp quay tự động, sẽ làm cơ sở khoa học cho sự phát triển của việc nghiên cứu các ứng dụng khai thác năng lượng mặt trời

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 9

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 10

2.1 Mục tiêu chung 10

2.2 Mục tiêu cụ thể 10

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

1.1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 12

1.1.2 Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời 16

1.1.3 Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 16

1.1.4 Tình hình phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời 22

1.1.5 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị - Các định luật cơ bản về bức xạ 25

1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 28

1.2.1 Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới 28

1.2.2 Nhận xét và đề xuất hướng nghiên cứu 29

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 31

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 31

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 31

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.3.1 Phương pháp phỏng vấn chuyên gia 31

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 31

2.3.3 Phương pháp tính toán, thiết kế 32

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 NGHIÊN CỨU, THU THẬP SỐ LIỆU VỀ ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU Ở TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 33

3.2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BẾP HỘP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 36

3.2.1 Lựa chọn nguyên lý làm việc 36

3.2.2 Tính toán thiết kế bếp 38

3.3 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA BẾP 41

3.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42

3.4.1 Mục đích và yêu cầu 42

3.4.2 Lựa chọn phương án điều khiển 42

3.5 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 49

3.6 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49

3.6.1 Bộ truyền đai 49

3.6.2 Bộ truyền xích 42

3.6.3 Bộ truyền trục vít 51

3.6.4 Lựa chọn hệ thống truyền động cho bếp 52

3.7 KHẢO NGHIỆM 53

3.7.1 Khảo nghiệm khả năng hoạt động của bếp hộp 53

3.7.2 Khảo nghiệm so sánh, đánh giá hiệu quả của bếp trước và sau khi lắp bảng điều khiển 56

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

4.1 KẾT LUẬN 59

4.2 KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Đặc trưng cơ chế nhiệt độ tại Thừa Thiên Huế 34 Bảng 3.2 Vài đặc trưng của độ ẩm – mây – nắng 35 Bảng 3.3 Nhiệt độ trung bình bếp theo thời gian nấu 54 Bảng 3.4 Bảng biến thiên nhiệt độ của bếp tĩnh và bếp động trong hai ngày khảo nghiệm 56 Bảng 3.5 Bảng giá thành thiết bị 58

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời 12

Hình 1.2 Góc nhìn mặt trời 13

Hình 1.3 Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng 15

Hình 1.4 Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời 17

Hình 1.5 Xe điện năng lượng mặt trời 18

Hình 1.6 Thiết bị vô trùng nước năng lượng mặt trời 18

Hình 1.7 Ô tô sử dụng nhiêu liệu Hydro 19

Hình 1.8 Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời 19

Hình 1.9 Mẫu máy nay năng lượng mặt trời 20

Hình 1.10 Đèn giao thông năng lượng mặt trời 20

Hình 1.11 Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella 21

Hình 1.12 Sạc pin bằng năng lượng mặt trời 21

Hình 1.13 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới 23

Hình 1.14 Số giờ nắng trung bình mỗi tháng và trong năm 2002-2003 tại Việt Nam 24 Hình 1.15 Hàm số phân bố E0λ theo λ và T 25

Hình 1.16 Định luật dịch chuyển Wien 26

Hình 1.17 Hiệu ứng lồng kính 28

Hình 3.1 Đồ thị so sánh nhiệt độ trong các tháng của Huế 33

Hình 3.2 Bản vẽ hình chiếu cạnh bếp hộp năng lượng mặt trời 37

Hình 3.3 Bản vẽ hình chiếu đứng bếp hộp năng lượng mặt trời 38

Hình 3.4 Hình 3D bếp hộp năng lượng mặt trời 38

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mặt thu nhiệt và thời gian 40

Hình 3.6 Bếp hộp năng lượng mặt trời hình hộp 41

Hình 3.7 Áp to mát 1 pha 35

Hình 3.8 Máy biến áp 43

Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo máy biến áp 43

Hình 3.10 Rơ le trung gian 44

Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo Rơ le trung gian 44

Hình 3.12 Rơ le thời gian 45

Hình 3.13 Sơ đồ nối dây của rơ le thời gian 45

Hình 3.14 Mạch chỉnh lưu toàn sóng với 4 điốt 46

Hình 3.15 Sơ đồ mạch cơ bản 47

Hình 3.16 Sơ đồ mạch bán kỳ dương 47

Hình 3.17 Sơ đồ mạch bán kỳ âm 48

Hình 3.18 Bảng hệ thống điều khiển tự động 48

Hình 3.19 Sơ đồ mạch điện của bảng điều khiển 49

Hình 3.20 Bộ truyền đai 50

Hình 3.21 Bộ truyền xích 50

Hình 3.22 Bộ truyền trục vít 51

Hình 3.23 Đồ thị biến thiên nhiệt độ của bếp 54

Hình 3.24 Khảo nghiệm bếp 55

Hình 3.25 Cơm sau khi nấu 55

Hình 3.26 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trung bình của bếp tĩnh và bếp động 57

Hình 3.27 Khảo nghiệm bếp động 57

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa (CNH-HĐH), nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong đó, nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên… đóng vai trò chủ chốt hiện nay Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng truyền thống này quá mức đã và đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đồng thời, với một trữ lượng có hạn, nguồn năng lượng truyền thống có khả năng dần cạn kiệt sau 50 đến 70 năm nữa đang khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng Vì vậy, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt… đang là những nguồn năng lượng triển vọng, được coi là nguồn năng lượng của tương lai, sẽ đáp ứng tốt các nhu cầu về năng lượng, tiết kiệm điện năng và góp phần bảo vệ môi trường

Trong số những nguồn năng lượng tái tạo nêu trên, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, có trữ lượng lớn và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng chính dần thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội là chiến lược phát triển năng lượng có ý nghĩa cao về mặt kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng

Hơn thế nữa, Việt Nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến, tổng

số giờ nắng trong năm lớn Ở khu vực miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng/năm và với cường độ bức xạ cao, lên đến 950W/m2 Vì thế, việc triển khai ứng dụng các thiết

bị sử dụng năng lượng mặt trời là rất triển vọng Năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp hoàn toàn phù hợp nếu được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng trên thế giới cũng như ở nước ta hiện nay còn rất hạn chế do nhiều nguyên nhân như công nghệ sản xuất mới, chi phí đầu tư ban đầu quá cao… Đặc biệt, hiệu suất của các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ các nhu cầu dân sinh hiện nay còn rất thấp Các thiết bị này chỉ tập trung vào đun nước nóng, nấu ăn, các hệ thống điện chiếu sáng nhỏ độc lập Hiệu suất của các loại thiết bị sử dụng bằng năng lượng mặt trời nói chung và bếp năng lượng mặt trời nói riêng còn hạn chế do nhiều nguyên nhân Một trong số đó là việc hiệu suất thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều về góc tới của chùm bức xạ nhiệt ánh sáng mặt trời tới bề mặt hấp thụ nhiệt hoặc ánh sáng của thiết bị do vị trí của mặt trời thay đổi liên tục trong ngày

Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều dạng nhưng có thể chia ra hai nhóm theo hai nguyên tắc là hội tụ (bếp parabol) và bẫy nhiệt hiệu ứng nhà kính (bếp hình hộp) Nhìn chung, hai loại bếp đều có nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, có hiệu suất thấp hoặc bất tiện cho người sử dụng Bếp parabol sử dụng mặt cầu phản chiếu và tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm nơi vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu

điểm đó Theo đánh giá chung, bếp này có nhiều bất cập như chế tạo phức tạp, bếp chỉ hoạt động tốt khi cường độ bức xạ cao, người sử dụng gặp phải các vấn đề sức khỏe về

da và mắt do ánh sáng phản chiếu trực tiếp vào cơ thể Trong khi đó, bếp hộp hoạt động như một bẫy nhiệt, theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, tích nhiệt từ ánh nắng mặt trời truyền vào vật dụng đun nấu Vật dụng đun nấu được tăng cường và duy trì nhiệt nhờ nhiệt trong môi trường không khí giữ kín trong hộp bếp Bếp hộp được khuyến cáo cáo sử dụng nhiều hơn bếp parabol do có nhiều ưu điểm như chế tạo đơn giản, bếp vẫn hoạt động tốt khi cường độ bức xạ của ánh nắng mặt trời không cao, không gây các ảnh hưởng về sức khỏe cho người sử dụng.… Thực tế sử dụng cho thấy, hiệu suất của bếp được cải thiện đáng kể khi người sử dụng quay bếp theo sự di chuyển của mặt trời một góc 5o mỗi 15 phút Điều này có ý nghĩa đáng kể tại thời điểm sử dụng bếp từ

8 đến 10 giờ và từ 14 đến 16 giờ khi mà góc tới của ánh nắng mặt trời hợp với bề mặt hấp thụ nhiệt của bếp là lớn nhất so với trường hợp thường đặt bếp cố địch và mặt bếp thẳng góc với mặt trời tại thời điểm giữa trưa Điều này đồng nghĩa với việc tại hai khoảng thời gian nêu trên, hiệu suất bếp là rất thấp

Vì vậy, nhằm tăng hiệu suất của bếp, giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, giải phóng người sử dụng do phải lệ thuộc vào giám sát bếp, sử dụng bếp thì nhu cầu về một loại bếp tự động xoay theo hướng nắng có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng

là một nhu cầu chính đáng Điều này đặc biệt ý nghĩa với người dân nghèo tại vùng đệm các khu bảo tồn sinh thái, rừng các loại khỏi nguy cơ cháy rừng, tàn phá rừng do người dân vào rừng chặt gỗ làm chất đốt, đun nấu gây ra Xuất phát từ nhu cầu thực

tiễn nêu trên, tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ

thống điều khiển góc xoay theo hướng nắng của bếp năng lượng mặt trời”

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu bếp tự động điều chỉnh theo hướng nắng mặt trời có giá thành thấp, sử dụng dễ dàng, hiệu suất sử dụng cao

2.2 Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu góc tới phát tia bức xạ của mặt trời theo từng thời điểm trong ngày tại khu vực thực hiện thí nghiệm

Thiết kế, chế tạo mẫu bếp phù hợp mục tiêu đề ra

Thiết kế cơ cấu truyền động hiệu quả

Thiết kế mạch điều khiển hiệu quả, dễ sử dụng và thay thế, giá thành thấp

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

vệ môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm

các khí có nhiệt độ rất cao Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của trái đất Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa

Cấu trúc mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng

lồ (Hình 1.1) Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy

ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn

gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này

gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km

Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng

6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các

hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng

hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ  ban đầu khi đi qua

5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của

bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ  là

sóng ngắn nhất trong các sóng đó Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà

năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài

Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt

mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và

các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là

một phổ rộng, trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 - 10 m và

hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 -

0,78 m đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối

với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thưc :

q=D T_ C T0( /100)4 [1.1]

Ở đây D T− - hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

D −T =2/4 [1.2]

β - góc nhìn mặt trời (Hình 1.2)

C0 = 5,67 W/m2.K4 - hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T  5762 oK -nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối)

Vậy

4 2

100

5762.67,5.4

60.360

32.14,3.2

Các tính toán bức xạ mặt trời:

- Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức

xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh) Như vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh z là 600 Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosz Còn đối với các góc z>700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0

- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán Đây

là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ)

- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự

phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức

xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra)

- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ

trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt)

- Cường độ bức xạ (W/m 2 ): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt

tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp

- Năng lượng bức xạ (J/m 2 ): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị

diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày)

- Giờ mặt trời : là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu

trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ

Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng sau :

- Góc vĩ độ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương

- Góc phương vị của bề mặt : góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến Góc  = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam,  lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông

-1800    1800

Hình 1.3 Góc hình học tia bức xạ mặt trời và mặt phẳng nghiêng

- Góc giờ : góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị

150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+)

- Góc tới : góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó

- Góc thiên đỉnh z: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới 

- Góc cao mặt trời : góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh

- Góc phương vị mặt trời s: góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức

xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây

- Góc lệch : vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương

-23,450    23,450

Góc lệch  có thể tính toán theo phương trình của Cooper:

 = 23,45.sin(360

365

284 +n) n là thứ tự ngày của 1 năm [1.4]

Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình

giữa góc tới  và các góc khác như sau:

cos = sin.sin cos - sin.cos sin.cos + cos.cos.cos.cos +

cosz = cos.cos.cos + sin.sin [1.6]

1.1.2 Phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời đã và đang được sử dụng nhiều trong thực tiễn như: sản

xuất điện từ pin quang điện, sưởi ấm không gian và làm mát thông qua thiết kế kiến

trúc, chưng cất nước uống và khử trùngbằng bình nước nóng năng lượng Mặt Trời,

nấu ăn bằng bếp năng lượng mặt trời v.v

Tóm lại, có thể chia phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời thành hai nhóm là:

+ Nhiệt năng: chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống

sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện

+ Quang điện: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành

điện năng

1.1.3 Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Như đề cập ở trên, hai dạng ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện

nay là hệ thống chuyển hoá năng lượng mặt trời thành nhiệt năng như hệ thống đun

nước nóng năng lượng mặt trời, bếp nấu ăn bằng năng lượng mặt trời, hệ thống sấy

năng lượng mặt trời và hệ thống chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng

như pin năng lượng mặt trời (Pin quang điện) Dưới đây là một số ứng dụng rất thiết

thực từ năng lượng mặt trời trong đời sống

- Bếp năng lượng mặt trời: Có hai dạng bếp nấu là bếp parabol và bếp hộp Với

bếp parabol, năng lượng mặt trời thu được qua các chảo thu nhiệt hình parabol hay

hình hộp Bếp parabol, nồi chứa thức ăn được đặt giữa một bán cầu được tráng gương

để phản xạ và tập trung tia mặt trời vào nồi chứa Để duy trì nhiệt độ, người ta đặt một

cái bao giữ nhiệt trong suốt bằng nylon bao quanh nồi chứa Chảo thu nhiệt cần phải

thường xuyên điều chỉnh quay theo hướng mặt trời để thu được nhiều nắng nhất Ứng dụng này được sử dụng để nấu ăn với số lượng lớn và được khai thác ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là Trung Quốc Ở bếp hộp thì nồi nấu đặt bên trong thành bếp và thu nhiệt nhờ hai tấm gương phản xạ được gắn hai bên cánh phản xạ của bếp Ngoài ra, phía trong là mặt nhôm được đánh bóng để phản xạ, biên dạng của mặt phản xạ được thiết kế là mặt kết hợp của các parabol tròn xoay sao cho nồi nấu có thể nhận được chùm tia trực xạ của ánh sáng mặt trời và chùm phản xạ từ gương phẳng khi đặt cố định Bếp có giá thành rẻ và hiệu suất khá cao nhưng cũng phải thường xuyên điều chỉnh bếp quay theo hướng mặt trời.

Hình 1.4 Hai loại bếp nấu năng lượng mặt trời

- Xe ô tô điện: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm

năng lượng mặt trời trên mui xe Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm năng lượng mặt trời được gắn trên áo người lái xe Những loại xe này chủ yếu được sử dụng cho mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật Người lái xe có thể theo dõi năng lượng tiêu hao và năng lượng thu được qua các loại đồng hồ lắp trên xe Trên thế giới hiện nay có một số giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có 2 giải tương đố nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quy định người tham gia phải vượt qua một quãng đường dài đến 3000 km xuyên qua Úc Giải thứ hai

là The North American solar challenge lần đầu được tổ chức vào năm 2008 với chặng đua từ bang Texas – Hoa Kỳ đến Canada

Hình 1.5 Xe điện năng lượng mặt trời

-Vô trùng nước: Việc vô trùng nước bằng năng lượng mặt trời có thể được thực

hiện bằng các hộp thu năng lượng mặt trời Có cấu tạo gồm một khung gỗ có phủ lớp màng mỏng được sơn đen để tập trung nhiệt lượng từ ánh nắng mặt trời Phía trong có một bình đựng nước Nhiệt lượng thu được từ ánh nắng sẽ đun nước tới khoảng 650 sau vài chục phút và sau đó sẽ được vô trùng Một hộp năng lượng mặt trời như vậy có thể vô trùng được khoảng 4 lít nước trong vòng 3 tiếng đồng hồ

Hình 1.6 Thiết bị vô trùng nước năng lượng mặt trời

- Sản xuất Hydro: Hiện tượng điện phân có thể phân tách phân tử nước thành

các nguyên tử hydro và oxy, sau đó hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu Nếu lượng điện cần thiết cho quá trình điện phân được cung cấp từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch thì khí CO2 sẽ bị phát thải ra môi trường, còn nếu hiện tượng điện phân được thực hiện bởi các tế bào năng lượng mặt trời thì sẽ không có ô nhiễm môi trường Một số công ty sản xuất ô tô trên thế giới đang thử nghiệm một số động cơ sử dụng

nhiên liệu hydro Hydro được lưu trữ trong một số thùng đặt trong than xe Sau đó, một hệ thống động lực sẽ chuyển đổi hydro thành điện năng để vận hành chiếc xe

Hình 1.7 Ô tô sử dụng nhiêu liệu Hydro

- Sưởi ấm: Một số ngư dân Canada đã thiết kế ra lều câu cá trên băng được sưởi

ấm bằng ánh nắng Mặt Trời dựa vào việc tận dụng sự phản xạ của ánh nắng Mặt Trời trên mặt băng tuyết để thu được nhiệt lượng mong muốn Trước tiên, những ngư dân này bao kín những kẽ hở trên căn lều của họ bằng một ít lá thiếc, sau đó dùng hai tấm nhựa để làm thành hai cánh cửa và một ít lưới chắn côn trùng để che bốn của sổ căn lều Ánh nắng sẽ làm nóng không khí bên trong lều và sưởi ấm cho những người ngồi câu cá trên băng theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Khối không khí lạnh bên ngoài lều

và không khí nóng bên trong lều sẽ được lưu thông qua những chiếc của sổ

Hình 1.8 Lều sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời

-Máy bay: Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang

điện trên cánh là một mẫu thử của máy bay năng lượng Mặt Trời, chiếc máy bay này

đã có chuyến bay vòng quanh thế giới vào năm 2012 Trước đó vào tháng 4/2012, The

Solar Impulse đã bay trên vùng trời Switzerland trong 87 phút ở độ cao 1.200m Thân chiếc máy bay này được làm từ vật liệu sợi carbon để đạt trọng lượng nhẹ nhất Thời gian để chế tạo ra chiếc máy bay độc đáo này lên đến 6 năm Với sải cánh tương đương máy bay Aribus 340 (63,4 mét) và cân nặng khoảng 1,5 tấn, chiếc máy bay này được trang bị 4 động cơ điện để có thể bay được cả ngày lẫn đêm nhờ vào năng lượng mặt trời được chuyển hóa thông qua các tế bào quang điện và tồn trữ trong các bộ pin

có hiệu suất rất cao Tốc độ lớn nhất theo nhiệt kế vào khoảng 44km/h và độ cao tối đa

là 8km

Hình 1.9 Mẫu máy nay năng lượng mặt trời

-Đèn giao thông: Đèn tín hiệu giao thông sử dụng năng lượng mặt trời có ưu điểm

là không cần sử dụng dây điện và khá linh hoạt, có thể tiết kiệm khá nhiều tiền điện khi hoạt động liên tục trong thời gian dài Chúng được thiết kế với một số bóng đèn LED thân thiệt với môi trường và không cần sạc lại trong một thời gian khá lâu Trong trường hợp mất điện lưới thì những đèn tín hiệu giao thông này vẫn tiếp tục hoạt động

Hình 1.10 Đèn giao thông năng lượng mặt trời

-Chiếu sáng: Cứ vào khoảng thời gian từ tháng 11 đến tháng 2 hàng năm thì

một ngôi làng nhỏ tên là Viganella ở Ý lại chìm vào bóng tối vì ánh nắng mặt trời không chiếu được đến đáy của thung lũng nơi ngôi làng tọa lạc Nhằm mang ánh sáng đến ngôi làng này, một tấm gương khổng lồ làm bắng kim loại có đường kính đến 8,5 mét đã được lắp đặt trên đỉnh một ngọn núi cao 1.100 mét trên dãy Anpo, tấm gương này được điều khiển bởi một máy tính để xoay chuyển theo hướng mặt trời và phản xạ ánh nắng xuống một diện tích khoảng 250 mét vuông tại trung tâm của ngôi làng trong vòng 6 tiếng đồng hồ của những ngày có nắng

Hình 1.11 Gương phản xạ ánh nắng mặt trời vào thung lũng Viganella

-Sạc pin: Điện thoại, máy nghe nhạc đều cần được sạc pin và việc sạc pin có

thể được thực hiện bởi một thiết bị mới là sạc năng lượng mặt trời Thiết bị này có gắn một tấm năng lượng mặt trời để tích quang năng thành điện năng Thiết bị này tương đối rẻ và rất tiện lợi, gọn nhẹ, giúp sạc điện cho các thiết bị cầm tay ở những nơi không có nguồn điện lưới

Hình 1.12 Sạc pin bằng năng lượng mặt trời

1.1.4 Tình hình phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời

1.1.4.1 Phân bố khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới

Trên thế giới, về phương diện khu vực thì Châu Á, Châu Âu, Bắc Mỹ có công suất khai thác điện mặt trời lớn nhất Về phương diện quốc gia, Nhật Bản, Mỹ, Đức…là các quốc gia dẫn đầu về khai thác năng lượng mặt trời với việc xây dựng các hệ thống điện mặt trời có công suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW Mỹ, Áo, Tây Ban Nha, Nhật Bản

và Pháp là các quốc gia dẫn đầu về khai thác nhiệt mặt trời tạo điện thông qua các hệ thống tập trung ánh sáng có công suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW (Hình 1.13) Chỉ riêng vào năm 1995, tại cộng đồng Châu Âu đã có 6,5 triệu m2 diện tích lắp đặt gương tập trung ánh sáng mặt trời với tốc độ phát triển là 15% trong năm trước đó

Các tác động về môi trường

So với các nhà máy điện truyền thống, điện mặt trời gây rất ít tác động đến môi trường Trong quá trình vận hành, các pin quang điện hoàn toàn không sử dụng bất cứ dạng nhiên liệu nào, do đó không thải ra khí hoặc chất lỏng độc hại và không sử dụng nước để hạ nhiệt Các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, nếu có, từ điện mặt trời là các chất hóa học sử dụng trong quá trình chế tạo, sản xuất pin và diện tích đất sử dụng

Trong qúa trình chế tạo một số loại pin quang điện, đặc biệt là pin Pallium arsenide, một số hóa chất độc có thể được sử dụng Các chất này được sinh ra trong các nhà máy, do đó việc kiểm soát chặt chẽ quá trình sản xuất và quản lý hợp lý các chất thải độc hại, các nguy cơ làm ô nhiệm môi trường sẽ giúp giảm thiểu Việc xử lý các pin mặt trời sau khi hết hạn sử dụng cũng là một vấn đề đáng lưu ý Tuy nhiên hầu hết các vật liệu có khả năng gây hại đều có thể được tái chế

Gần đây người ta đưa ra một số lo ngại về vấn đề diện tích đất đòi hỏi để có thể sản xuất một số lượng lớn điện mặt trời Tuy nhiên, thực tế là nếu tính gộp tất cả các giai đoạn đòi hỏi trong quá trình sản xuất điện, các mạng điện mặt trời chiếm một diện tích sử dụng (trên một đơn vị điện) ngang bằng với các nhà máy điện than hoặc điện nguyên tử Ngoài ra phải kể đến khả năng thích ứng của các hệ thống quang điện cục

bộ với các cấu trúc xây dựng, ví dụ như lắp đặt các dàn pin mặt trời trên mái nhà hoặc là việc tận dụng các khu vực đất trống bỏ hoang (ít giá trị) như trên sa mạc

(Nguồn WEC, 199)

Hình 1.13 Tình hình khai thác năng lượng mặt trời trên thế giới

1.1.4.2 Phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ 1.600-2.600 giờ/năm, đặc biệt là khu vực phía Nam Việt Nam hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời Tính trung bình toàn quốc thì bức xạ mặt trời dao động từ 3,8-5,2 kWh/m2/ngày Tiềm năng điện mặt trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam (bức xạ dao động từ 4,0-5,9 kWh/m2/ngày)

(Nguồn:Trung tâm khí tượng thủy văn Trung ương)

Hình 1.14 Số giờ nắng trung bình mỗi tháng và trong năm 2002-2003 tại Việt Nam

Tại miền Bắc, bức xạ mặt trời dao động khá lớn, từ 2,4-5,6 kWh/m2/ngày, trong

đó vùng Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng thấp nhất, với thời tiết thay đổi đáng kể theo mùa Theo các tính toán gần đây, tiềm năng kỹ thuật cho các

hệ hấp thu nhiệt mặt trời để đun nước là 42,2 PJ, tiềm năng hệ điện mặt trời tập trung/hòa mạng (intergrated PV system) là 1.799 MW và tiền năng lắp đặt các hệ điện mặt trời cục bộ/gia đình (SHS: solar home sytem) là 300.000 hộ gia đình, tương đương với công suất là 20 MW Việc khai triển điện mặt trời bắt nguồn từ "Chương trình nhà nước về Năng lượng tái tạo" trong giai đoạn 1980-1990, với các đề tài về pin mặt trời, sấy, làm lạnh, chưng cất nước và đun nước nóng Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí, phần lớn các đề tài chỉ dừng ở mẫu thí nghiệm hoặc sản xuất quy mô nhỏ, chưa được chuyển giao vào các ứng dụng quy mô công nghiệp Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực năng lượng mặt trời vẫn tương đối chậm, không

có tính đột phá do thiếu nguồn vốn đầu tư và đề tài Do đó việc sử dụng năng lượng

mặt trời để đun nước nóng và làm nguồn điện sinh hoạt hiện chỉ dừng lại ở quy mô

nhỏ

1.1.5 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị - Các định luật cơ bản về bức xạ

1.1.5.1 Định luật Planck

Định luật Planck thiết lập mối quan hệ giữa năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen

tuyệt đối với bước sóng và với nhiệt độ của vật

E0λ =

1

2 5

1

−

T C

, [m]- chiều dài bước sóng

T, [K]- nhiệt độ tuyệt đối,

Từ biểu thức trên ta có thể thiết lập đồ thị quan hệ E0λ =f(λ) ở các nhiệt độ khác

nhau Các đồ thị này có đặc điểm chung là hàm E0λ đạt cực đại ở một giá trị λmax nào

đó Giá trị λmax có thể xác định khi lấy đạo hàm biểu thức tình E0λ theo λ

5

2 2

C C

1.1.5.2 Định luật dịch chuyển Wien

Khi vật nhiệt độ T có cường độ bức xạ lớn nhất thì sóng λmax sẽ quan hệ với nhiệt

độ theo biểu thức:

λmax.T=2,898.10-1 mK [1.10] Vậy khi nhiệt độ T càng lớn thì λmax càng lớn

Hình 1.16 Định luật dịch chuyển Wien

1.1.5.3 Định luật Stephan-Boltzmann

Định luật Stephan-Boltzmann thiết lập mối quan hệ giữa năng suất bức xạ của

vật đen tuyệt đối với nhiệt độ Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối tỷ lệ với nhiệt độ

0

 =5,67.10-8 W/m2 .K4 -hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối,

C0 =108.0=5,67 ,W/m2 .K4 -hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối,

Định luật Stephan-Boltzmann có thể sử dụng cho vật xám (A ≠ 1)

Từ các biểu thức trên nếu đặt

Định luật Kirchoff thiết lập mối quan hệ giữa năng suất bức xạ riêng của một

vật với năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối A0 = 1 Ơ trạng thái cân bằng về

nhiệt,thì tỷ số giữa năng suất bức xạ và hệ số hấp thụ của bất kỳ vật thể nào cũng bằng

năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ và cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ

Giả sử có n vật có năng suất bức xạ lần lượt là E1, E2, E3, ,En và các hệ số

hấp thụ lần lượt là A1, A2, ,An các vật này có nhiệt độ như nhau, theo định luật

Kirchoff ta có:

A

E A

E A

1

[1.15]

E0 -năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ

Từ biểu thức điịnh luật Kirchoff suy ra: E=E0.A

Hay: A=  [1.16]

1.1.5.4 Hiệu ứng lồng kính

Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích luỹ năng lượng bức xạ của mặt trời phía

dưới một tấm kính hoặc một lớp khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NOx Giải thích hiệu ứng

lồng kính như sau: Tấm kính hoặc lớp khí có độ trong đơn sắc D giảm dần khi bước

sóng  tăng Còn bước sóng mkhi E cực đại, là bước sóng mang nhiều năng lượng

nhất, thì lại giảm theo định luật Wien  = 2,9.10-3/T

Bức xạ mặt trời, phát ra từ nhiệt độ cao T0 = 5762K, có năng lượng tập trung

quanh sóng m0 = 0,5m, sẽ xuyên qua kính hoàn toàn, vì D(m0)  1 Bức xạ thứ cấp,

phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T  400K, có năng lượng tập trung quanh

sóng m = 8m, hầu như không xuyên qua kính, vì D(m)  0, và bị phản xạ lại mặt

thu Hiệu số năng lượng (vào - ra) > 0, được tích luỹ phía dưới tấm kính, làm nhiệt độ

tại đó tăng lên

Hình 1.17 Hiệu ứng lồng kính

1.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN VỄ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.2.1 Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động ứng dụng vào bếp đun năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới

Thiết bị ứng dụng năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng nhiệt và điện phát triển mạnh mẽ trên thế giới trong nhiều năm gần đây Để năng cao hiệu suất thiết bị đã

có nhiều nghiên cứu, nhiều sản phẩm, cơ cấu định hướng thiết bị theo vị trí mặt trời như tấm pin quang điện Như nghiên cứu của Nang Kaythi Hlaing (2010) về hệ thống

vi điều khiển dựa trên hệ thống theo dõi mặt trời qua 2 trục: Mục tiêu chính của dự án này là để phát triển và thực hiện một nguyên mẫu của hệ thống theo dõi mặt trời qua hai trục dựa trên bộ vi điều khiển PIC Parabol phản xạ hay là chảo parabol được thiết

kế để thu năng lượng mặt trời Trọng tâm của chảo parabol là lý thuyết tính toán xuống đến một điểm cực nhỏ để có được nhiệt độ cực cao Hệ thống tự động theo dõi hai trục này cũng đã được thiết kế bằng cách sử dụng vi điều khiển PIC 16F84A Các ngôn ngữ lập trình lắp ráp được sử dụng để giao tiếp PIC với hai trục hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời A.Valan Arasu và T Sornakumar năm 2007 đã nghiên cứu, thiết kế và phát triển hệ thống theo dõi mặt trời điều khiển điện tử theo 1 trục: Một hệ thống theo dõi mặt

trời điều khiển điện tử theo 1 trục đã được chế tạo và phát triển cho bộ thu nhiệt Parabol dành cho hệ thống nước nóng Sơ đồ mạch điện tử với sự mô tả chi tiết và hiệu suất của

hệ thống theo dõi đã được công bố Vị trí của mặt trời được phát hiện thành công bằng cách sử dụng ánh sáng điện trở phụ thuộc, với độ chính xác 0.1o Độ chính xác này là lớn hơn nhiều so với yêu cầu là 0.5o Các lỗi tối đa của cơ chế theo dõi được tìm thấy là 0.18o Các cơ cấu theo dõi đã được chứng minh là đủ chính xác về các ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay dành cho hệ thống nước nóng Thử nghiệm rộng rãi của hệ thống thu năng lượng đun nước nóng Parabol đã chứng minh rằng các cơ cấu theo dõi là rất hiệu quả J Rizk và Y Chaiko (2008) Hệ thống năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh: Hiệu quả hơn cho việc sử dụng Pin năng lượng mặt trời Nghiên cứu cho thấy lợi ích tiềm năng của hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời đơn giản, bằng cách sử dụng một động cơ bước và cảm biến ánh sáng Phương pháp này đang gia tăng hiệu quả thu năng lượng bằng cách phát triển một thiết bị theo dõi mặt trời Một hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời được thiết kế, thực hiện và kiểm tra thực nghiệm Các chi tiết thiết kế và các kết quả thí nghiệm được trình bày Cơ cấu định hướng theo vị trí mặt trời được sử dụng để đưa mặt thu các thiết bị luôn hướng về phía mặt trời nhằm thu nhiều năng lượng nhất

Ở Việt Nam, cơ cấu định hướng mặt thu theo vị trí mặt trời chưa được quan tâm nhiều, đã có một số thử nghiệm từ các trường đại học ở quy mô phòng thí nghiệm Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí mặt trời nhằm nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời của tác giả Lý Ngọc Thắng – Bộ Công Thương Nghiên cứu này chế tạo cơ cấu định hướng theo vị trí mặt trời đơn giản áp dụng cho quy mô công suất nhỏ, đề tài đã được thực hiện nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện mặt trời có hệ thống định hướng theo vị trí mặt trời, thử nghiệm tại địa bàn Hà Nội Luận văn Thạc sỹ Phát triển dàn pin năng lượng mặt trời tự xoay (2011) của Nguyễn Hoàng Giang – Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Nghiên cứu này trình bày cách tính toán kết cấu, công suất cơ cần thiết để xoay dàn pin mặt trời theo hướng nắng; chế tạo và thử nghiệm cho dàn pin tự xoay có công suất trên 100W…

1.2.2 Nhận xét và đề xuất hướng nghiên cứu

Qua phân tích, đánh giá kết quả các nghiên cứu nêu trên có thể nhận thấy rằng việc thiết kế hệ thống điều khiển cho các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời nói chung khá hiện đại và đắt tiền Ở những nghiên cứu này, khi hệ thống được cấp điện, sẽ tự động đặt lại về chế độ toạ độ gốc (mặt phẳng bề mặt tiếp xúc vuông góc với mặt trời tại thời điểm đầu tiên trong ngày) Khi trời nắng, hệ thống sẽ tự nhận biết và tự động dò vị trí mặt trời và điều chỉnh sao cho thiết bị thay đổi góc xoay thích ứng với góc tới mặt trời Thiết bị được thiết kế chuyển động theo 1 hoặc 2 phương Những nghiên cứu trên đã tạo ra hiệu quả cao cho việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời trên thế giới

Nhưng xét ở Việt Nam, đặc biệt ở khu vực miền Trung, ngày mưa nắng thất thường, nếu sử dụng đến cảm biến quang nhiệt thì sẽ khó để đạt hiệu quả vì khi trời nhiều mây, hệ thống sẽ hoạt động khó khăn vì cảm biến khó nhận biết vị trí của Mặt trời và sau một thời gian Mặt trời xuất hiện ở vị trí khác sẽ mất thời gian dò tìm Hơn thế nữa, chi phí giá thành cho sản phẩm sẽ cao so với điều kiện kinh tế của người dân

Vì vậy, tôi đề xuất hướng nghiên cứu phù hợp mục tiêu chung và mục tiêu riêng

đề ra ở trên đó là:

+ Thiết kế, chế tạo bảng hệ thống tự động điều chỉnh góc xoay bếp năng lượng theo vị trí mặt trời theo nguyên lý hẹn giờ dựa trên khảo sát sự thay đổi vị trí mặt trời theo thời gian thực Nghĩa là ấn định thời gian bao lâu thì bếp năng lượng sẽ tự động quay một góc phù hợp đạt vị trí Mặt trời tại thời điểm đó;

+ Bếp chuyển động theo một phương cố định trên trục Các nghiên cứu của thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo 2 phương chỉ có thể tăng thêm 3% năng lượng

so với 1 phương Với chi phí thiết bị, chi phí bảo trì cao hơn, và có thời gian ngừng để sửa chữa cao, hệ thống định hướng theo 2 phương thực tế có thể ít khả năng phát triển mạnh như loại một trục

+Tính toán và lựa chọn để thiết kế hệ thống truyền động cơ khí (bánh răng, dây đai ) phù hợp cho bếp