Thử nghiệm chế tạo máy nước nóng năng lượng mặt trời từ các vật liệu rẻ tiền

Bài viết này trình bày việc chế tạo thử nghiệm một mô hình máy nước nóng năng lượng mặt trời đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả và dễ dàng sử dụng trong các hộ gia đình. Chúng tôi đã chế tạo thành công một máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời từ những vật liệu quen thuộc và dễ kiếm trên thị trường.

THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỪ CÁC VẬT LIỆU RẺ TIỀN LÊ PHƯỚC TRÍ - ĐOÀN THỊ XUÂN LOAN NGUYỄN PHƯỚC HẬU - NGUYỄN NỮ HỒNG ANH Khoa Vật lý Tóm tắt: Bài báo trình bày việc chế tạo thử nghiệm mơ hình máy nước nóng lượng mặt trời đơn giản, rẻ tiền, hiệu dễ dàng sử dụng hộ gia đình Chúng tơi chế tạo thành cơng máy nước nóng sử dụng lượng mặt trời từ vật liệu quen thuộc dễ kiếm thị trường Chúng tiến hành làm thực nghiệm đo đạc kiểm tra thông số vào ngày có độ nắng khác với nguồn nước cấp có nhiệt độ nằm khoảng 25 ± 30 C Kết cho thấy máy làm nhiệt độ nước tăng thêm 440 C lên tới 720 C vào ngày nắng to, tăng thêm 350 C lên tới 610 C vào ngày nhiều nắng, tăng thêm 160 C lên tới 420 C vào ngày hửng nắng Các kết cho thấy máy có hiệu hoạt động tốt vào ngày có nắng năm Từ khóa: máy nước nóng, lượng mặt trời, ứng dụng, hộ gia đình GIỚI THIỆU Các nguồn lượng sử dụng giới phong phú đa dạng, có hai nguồn lượng chủ yếu lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch lượng tái tạo Năng lượng hóa thạch lượng sinh q trình đốt cháy loại nhiên liệu hóa thạch than đá dầu mỏ Các nguồn nhiên liệu dễ dàng khai thác sử dụng với chi phí đầu tư khơng lớn Tuy nhiên, nguồn lượng hữu hạn khơng có khả tự tái tạo, lại tác động xấu đến môi trường gây hiệu ứng nhà kính hay tạo mưa axit Năng lượng tái tạo lượng từ nguồn tài nguyên bổ sung liên tục bị cạn kiệt, lượng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương sinh học Chúng nguồn lượng sạch, khơng gây nhiễm khơng khí, khơng đóng góp vào nóng lên khí hậu tồn cầu Tuy nhiên, hạn chế chung nguồn lượng tái tạo khó khăn để tạo Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017 Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế, tháng 12/2016: tr 438-448 THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 439 sản lượng điện lớn, đồng thời chi phí đầu tư ban đầu lớn [1-2] Trong loại lượng tái tạo lượng mặt trời nguồn lượng có tiềm vơ to lớn, miễn phí hiệu suất cao Nguồn lượng mặt trời nguồn lượng phong phú, xanh, sạch, thân thiện với môi trường, áp dụng nơi miễn nơi có ánh sáng mặt trời Chi phí thực nguồn lượng giảm nhanh chóng dự kiến tiếp tục giảm năm thực lượng tương lai đầy hứa hẹn cho phát triển kinh tế đảm bảo môi trường bền vững Hạn chế phụ thuộc vào thời tiết hoạt động vào ban ngày Nếu khắc phục nhược điểm lượng mặt trời sử dụng cách phổ biến rộng rãi [2] Nhiều thiết bị sử dụng lượng mặt trời nghiên cứu chế tạo nước [3-7] Trên giới, người ta chủ yếu sử dụng pin mặt trời để chuyển hóa quang thành dạng lượng khác Các ứng dụng lượng mặt trời đa dạng, ví dụ máy bay hay tơ chạy lượng mặt trời, trạm xe buýt chiếu sáng tự động, nhà kính trồng nơng sản lượng mặt trời, thiết bị biến khơng khí thành nước lượng mặt trời [3] Việt Nam có lợi lượng xạ mặt trời hàng ngày thuộc loại cao lại chưa khai thác hiệu Những ứng dụng lượng mặt trời nước ta chủ yếu nông dân bạn trẻ tự mày mò chế tạo nên Các ứng dụng bật kể đến xuồng chạy lượng mặt trời, sạc pin điện thoại lượng mặt trời, máy ấp trứng lượng mặt trời, máy rửa bát lượng mặt trời [4-7] Trong báo chúng tơi trình bày việc thử nghiệm chế tạo máy nước nóng lượng mặt trời vật liệu rẻ tiền, dễ chế tạo từ vật liệt dễ kiếm cho hiệu suất cao xốp, kính thủy tinh, ơng nước Mục đích nghiên cứu phổ biến máy nước nóng lượng mặt trời tới cộng đồng người sử dụng có mức sống vừa phải Việt Nam Quá trình kiểm tra cho thấy thiết bị hoạt động hiệu dễ sử dụng Bài báo gồm phần sau Mục phần Cơ sở lý thuyết, mơ hình vật liệu Mục phần Kết thảo luận Phần cuối trình bày kết luận CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MƠ HÌNH VÀ VẬT LIỆU Có thể phân loại hệ thống hoạt động máy nước nóng lượng mặt trời theo phương thức vận hành theo hệ thống gia nhiệt Theo phương thức vận hành bao gồm hai loại hệ thống tuần hoàn tự nhiên hệ thống tuần hoàn cưỡng Còn theo hệ thống gia nhiệt bao gồm hệ thống gia nhiệt trực tiếp hệ thống gia nhiệt gián tiếp Máy nước nóng lượng mặt trời thị trường có cấu tạo chung bao gồm ba phận chính: Bộ thu lượng mặt trời, bình bảo ơn chứa nước nóng, giá đỡ [8-11] Bộ thu lượng mặt trời bao gồm hai loại: Loại dùng phẳng hấp thụ nhiệt loại dùng ống 440 LÊ PHƯỚC TRÍ cs chân khơng hấp thụ Loại ống chân không hấp thụ sử dụng nhiều có giá thành cao, cơng nghệ nên có đặc điểm bật: hiệu suất thu nhiệt cao hơn, diện tích lắp đặt nhỏ hơn, khơng bị ăn mịn phù hợp với loại nước sinh hoạt nước giếng khoan, nước máy, tránh tượng đối lưu ngược dẫn đến mât nhiệt nước bình ban đêm Máy nước nóng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý đối lưu nhiệt bẫy nhiệt lượng: Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào thu lượng mặt trời với tính hấp thụ ánh sáng mặt trời cao tỉ lệ phát xạ thấp hấp thụ xạ mặt trời chuyển thành nhiệt Nước thu đun nóng tạo thành vịng tuần hồn đối lưu tự nhiên tuần hoàn làm cho nước bình chứa nóng dần lên Ngun lý hoạt động máy nước nóng lượng mặt trời mà chúng tơi tự chế đơn giản giống với máy nước nóng lượng mặt trời bán thị trường Ánh sánh mặt trời xuyên qua hai mặt kính trắng che phủ hộp, lớp kính sơn đen bên hấp thụ ánh sáng mặt trời chuyển thành nhiệt năng, làm cho nước bể nóng lên Hai kính phía cho phép tia sáng mặt trời dễ dàng xun qua, bên cạnh lớp khơng khí hai lớp kính ngăn truyền nhiệt bên ngồi Khi nước nóng đến mức định, lớp nước bề mặt bốc hơi, sau ngưng tụ lại mặt kính phía trên, nước thùng khơng bị thất thoát 2.1 Vật liệu giá thành Vật liệu máy nước nóng lượng mặt trời mơ hình cho bảng Bảng 1: Giá thành vật liệu dùng cho mơ hình máy nước nóng lượng mặt trời STT Vật liệu Thùng xốp Xốp Bể kính (sơn đen) Tấm kính nhỏ Tấm kính lớn Kích thước 29 × 39 × 29 cm3 50 × 100 cm2 21, × 31 × 25 cm3 24 × 33 cm2 29 × 39 cm2 Ống nhựa 50 cm Van Co nối Keo dán ống nước Tổng cộng Số lượng thùng bể tấm Giá tiền 30.000đ 20.000đ 150.000đ 40.000đ 60.000đ ống cái tuýp 30.000đ 15.000đ 10.000đ 5.000đ 360.000đ THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 441 Đối với máy nước nóng lượng mặt trời thực tế dùng cho hộ gia đình người có bảng vật liệu cho bảng Bảng 2: Giá thành vật liệu cho máy nước nóng lượng mặt trời thực tế STT Vật liệu Kích thước Thùng nhơm Xốp Bể kính (sơn đen) Tấm kính nhỏ Tấm kính to 100 × 120 × 40 cm3 50 × 100 cm2 94 × 114 × 34 cm3 99, × 119, cm2 100 × 120 cm2 Ống nhựa Van Co nối Keo dán ống nước (tùy theo vị trí lắp đặt) Tổng cộng 2.2 Số lượng thùng bể tấm Giá tiền ống cái tuýp ∼ 200.000đ 15.000đ 10.000đ 5.000đ ∼ 1.330.000đ 750.000đ 60.000đ 150.000đ 60.000 80.000 Thử nghiệm chế tạo Máy có cấu tạo hình chữ nhật kích thước 29 × 39 × 29 cm3 Đây kích cỡ thiết bị thực nghiệm, thực tế, để phục vụ sinh hoạt bể phải có kích thước lớn hơn, vào khoảng 100 × 120 × 40 cm3 tùy vào nhu cầu sử dụng hộ gia đình Dùng thùng xốp để làm lớp vỏ, ngồi dùng gỗ Tiếp theo lớp cách nhiệt làm xốp (hoặc vỏ trấu, cách nhiệt ) Lớp lớp kính sơn đen, để giúp tăng khả hấp thụ ánh sáng Phía hai lớp kính trắng (cách 3cm) để giữ nhiệt Ngồi máy cịn có đường ống nước vào, ống nước Việc chế tạo mơ hình đơn giản, cần đến hai ngày hồn thành Dưới sơ đồ mơ hình máy nước nóng lượng mặt trời (1) Vỏ bảo vệ (2) Lớp cách nhiệt (3) Bể kính sơn đen (4) Tấm kính (5) Tấm kính (6) Đường ống nước vào (7) Đường ống nước 442 LÊ PHƯỚC TRÍ cs (a) Sơ đồ mặt cắt mơ hình (b) Mơ hình thực tế Hình 1: Cấu tạo mơ hình máy nước nóng lượng mặt trời KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Với kích cỡ thực nghiệm, ngày máy cung cấp nước nóng đạt nhiệt độ khoảng 57 đến 61 độ ngày có nắng thường xuyên Vào ngày nắng to nhiệt độ nước lên đến 68 đến 72 độ Và vào ngày trời hửng nắng nhiệt độ khoảng từ 39 đến 42 độ Máy có khả lưu trữ nước nóng từ ngày đến 1,5 ngày lượng nước nóng đủ cho hoạt động sinh hoạt gia đình từ đến người Nhiệt độ nước vào ngày nắng gắt (nắng to) (Ngày Chủ Nhật, 25/9/2016) cho bảng THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (a) (b) (c) (d) Hình 2: Mơ hình máy hồn chỉnh 443 444 LÊ PHƯỚC TRÍ cs Bảng 3: Nhiệt độ nước vào ngày nắng gắt Thời gian 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h Nhiệt độ môi trường 30 32 33 35 36 36 34 32 30 Nhiệt độ nước cấp 25 26 27 27 28 28 28 26 26 Nhiệt độ nước sau máy 67 68 68.5 69 72 72 71 70.5 70 Hình 3: Nhiệt độ nước vào ngày nắng gắt Nhiệt độ nước vào ngày nắng thường xuyên không gắt (Ngày Chủ Nhật, 2/10/2016) cho bảng Bảng 4: Nhiệt độ nước vào ngày nắng thường xuyên không gắt Thời gian 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h Nhiệt độ môi trường 27 28 28 30 32 30 30 28 26 Nhiệt độ nước cấp 25 25 25 25.5 26 26 25.5 25 25 Nhiệt độ nước sau máy 57 58.5 59 60 61 60.5 60.5 60 60 THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NĨNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 445 Hình 4: Nhiệt độ nước vào ngày nắng thường xuyên không gắt Nhiệt độ nước vào ngày hửng nắng (Ngày Thứ Bảy, 8/10/2016) cho bảng Bảng 5: Nhiệt độ nước vào ngày hửng nắng Thời gian 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h Nhiệt độ môi trường 27 26 28 29 30 28 29 27 24 Nhiệt độ nước cấp 24 24 24.5 25 26 26 25 25 24.5 Nhiệt độ nước sau máy 39 39 40 41 42 40.5 41 41 40.5 446 LÊ PHƯỚC TRÍ cs Hình 5: Nhiệt độ nước vào ngày hửng nắng Từ kết cho thấy, điều kiện thời tiết có nắng khác máy nước nóng lượng mặt trời cho hiệu cao Với ngày nắng gay gắt, nhiệt độ trung bình 69, 670 C; với ngày nắng thường xun khơng gay gắt, nhiệt độ trung bình 59, 610 C; với ngày hửng nắng, nhiệt độ trung bình 40, 440 C Có thể thấy máy nước nóng lượng mặt trời tự chế có tính sản phẩm bình nước nóng sử dụng điện, ga Máy an toàn sử dụng hộ gia đình, gia đình có nhỏ Hơn máy cịn đảm bảo sức khỏe lâu dài, thoải mái tiện lợi sử dụng Máy khơng chiếm khơng gian nhà lắp đặt ngồi trời thích hợp cho hộ gia đình có diện tích nhà nhỏ hẹp Việc lắp đặt ngồi trời cịn có tác dụng chống nóng cho ngơi nhà lượng nhiệt đươc máy hấp thụ để làm nóng nước phục vụ cho nhu cầu khác hộ gia đình Đặc biệt, so sánh với loại máy nước nóng lượng mặt trời thị trường, máy nước nóng tự chế rẻ nhiều sử dụng vật liệu rẻ tiền dễ kiếm xốp, kính thủy tinh.Máy có cấu tạo đơn giản nên tự lắp đặt Tuy nhiên, hạn chế máy nước nóng lượng mặt trời máy không hoặt động hiệu vào ngày đơng lạnh cịn vào ngày âm u ngày không thấy mặt trời THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 447 KẾT LUẬN Chúng chế tạo thành cơng máy nước nóng lượng mặt trời vật liệu rẻ tiền, quen thuộc gần gũi với sống ngày Thiết bị có kết cấu hợp lý, cách chế tạo đơn giản, tận dụng loại vật liệu chỗ sẵn có thị trường Trong tương lai chế tạo thành sản phẩm thương mại với giá thành khoảng triệu bốn trăm ngàn đồng Việt Nam, phù hợp với mức thu nhập đại đa số người dân Việt Nam mà đạt hiệu cao tương đương với loại máy có sẵn thị trường Vào ngày nắng to máy gia nhiệt cao lên đến 440 C, thấp 41.50 C; vào ngày nắng thường xuyên máy gia nhiệt cao 350 C, thấp 320 C; vào ngày hửng nắng, máy gia nhiệt cao 160 C, thấp 150 C Máy nước nóng lượng mặt trời nghiên cứu mô hình có thiết kế đơn giản Trong tương lai máy có cải tiến để có nhiều chức lắp thêm phận chưng cất nước lọc nước để sử dụng sinh hoạt Hoặc lắp thêm phận thu nhiệt thải từ dàn ngưng máy điều hịa khơng khí để tiết kiệm lượng tăng hiệu suất gia nhiệt Hoặc tận dụng lượng nhiệt dư thừa ngày nắng nóng, biến đổi nhiệt thành điện năng, dự trữ vào bình bình ắc quy để sử dụng nguồn điện thông thường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Thiện, Nguyễn Thị Hồng Yến, Dương Thị Ái Như, Trần Quỳnh Phương Vấn đề lượng [2/10/2014] SLIDESHARE.NET http://www.slideshare.net/duongainhu/vn-nng-lng.html [Truy cập ngày 3/11/2016] [2] CPC Năng lượng tái tạo - Những thuận lợi khó khăn https://cpc.vn/home/Ttuc_Detail.aspx?pm=ttuc&sj=TN&id=9547#.WB3lgpCg82w [Truy cập ngày 3/11/2016] [3] NANGLUONGTIEUDIEM Những ứng dụng độc đáo từ hệ thống điện lượng mặt trời http://nangluongtieudiem.com/nhung-ung-dung-doc-dao-tu-he-thongdien-nang-luong-mat-troi/ [4] Trương Minh Toàn (2010) Nghiên cứu hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng lượng mặt trời có giữ nhiệt.) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng,152-158 [5] Bùi Ngọc Hùng (2013) Hệ thống nước nóng lượng mặt trời giá rẻ sử dụng lấy sáng Polycacbonat.) Hội nghị khoa học công nghệ trường lần thứ 13 – Khoa khí Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh 448 LÊ PHƯỚC TRÍ cs [6] Bùi Ngọc Hùng (2013) Hệ thống nước nóng hiệu suất cao sử dụng lượng mặt trời kết hợp lượng gió ) Hội nghị khoa học cơng nghệ trường lần thứ 13 – Khoa khí Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Văn Anh (ấp Bể Bạc, xã Cẩm Mỹ, Đồng Nai) (2014) Nghiên cứu chế tạo hệ thống nước nóng lượng mặt trời cho hộ gia đình [Truy cập ngày 3/11/2016] [8] SONHA Nguyên lý hoạt động Máy nước nóng lượng mặt trời http://www.maynuocnongnangluongmattroi.com.vn/vn/tin-tuc/thai-duongnang/nguyen-ly-hoat-dong-cua-may-nuoc-nong-nang-luong-m_158.html [Truy cập ngày 15/09/2016] [9] Chi tiết kỹ thuật cấu tạo bình nước nóng lượng mặt trời BINHNUOCNONG.VN http://www.binhnuocnong.vn/binh-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi/chitiet-ky-thuat-va-cau-tao-cua-binh-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi.html [Truy cập ngày 15/09/2016] [10] Kim Yến Lịch sử máy nước nóng lượng mặt trời [2/5/2010] ASHUI.COM http://www.ashui.com/mag/congnghe/congnghemoi/2639-lich-su-cuamay-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi.html [Truy cập ngày 15/09/2016] [11] Thanh Xuân Hiểu sử dụng máy nước nóng lượng mặt trời cách [23/09/2015] VNEEP) http://tietkiemnangluong.com.vn/tin-tuc/pho-bien-kienthuc/t17679/hieu-va-su-dung-may-nuoc-nong-nang-luong-mat-troi-dung-cach.html [Truy cập ngày 15/09/2016] LÊ PHƯỚC TRÍ - NGUYỄN PHƯỚC HẬU ĐOÀN THỊ XUÂN LOAN - NGUYỄN NỮ HOÀNG ANH SV lớp VLTT4, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế ĐT: 0165 962 2762, Email: lephuoctri2306@gmail.com ... MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 447 KẾT LUẬN Chúng chế tạo thành công máy nước nóng lượng mặt trời vật liệu rẻ tiền, quen thuộc gần gũi với sống ngày Thiết bị có kết cấu hợp lý, cách chế tạo. .. lượng mặt trời, máy rửa bát lượng mặt trời [4-7] Trong báo chúng tơi trình bày việc thử nghiệm chế tạo máy nước nóng lượng mặt trời vật liệu rẻ tiền, dễ chế tạo từ vật liệt dễ kiếm cho hiệu suất... dụng lượng mặt trời nước ta chủ yếu nông dân bạn trẻ tự mày mị chế tạo nên Các ứng dụng bật kể đến xuồng chạy lượng mặt trời, sạc pin điện thoại lượng mặt trời, máy ấp trứng lượng mặt trời, máy