Nhập môn năng lượng tái tạo báo cáo đề tài nhiệt mặt trời và các ứng dụng

Tổng quan về năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung tự nhiên theo thời gian của con người, hoặc có thể hiểu là nguồn năng lượng có thể

This Photo by Unknown Author is licensed under CC BY-NC-ND

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MÔN HỌC: NHẬP MÔN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

BÁO CÁO

ĐỀ TÀI: NHIỆT MẶT TRỜI VÀ CÁC ỨNG DỤNGGVHD: TS NGUYỄN XUÂN VIÊNSVTH:

DANH SÁCH NHÓM THAM GIA BÁO CÁO

Nội dung 1.1&1.2, câu hỏi trò chơi khi

Điểm của giảng viên

3

MỤC LỤCNỘI DUNG

CHƯƠNG 1 NHIỆT MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo 1

1.2 Nhiệt mặt trời là gì ? 2

1.3 Thuận lợi và khó khăn của công nghệ nhiệt mặt trời 15

CHƯƠNG 2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI2.1 Ứng dụng 8

2.2.So sánh với các ứng dụng của các nguồn năng lượng khác 13

2.3 Tiềm năng của công nghệ nhiệt mặt trời ở Việt Nam và Thế Giới 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

4

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 NHIỆT MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung tự nhiên theo thời gian của con người, hoặc có thể hiểu là nguồn năng lượng có thể tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục.

Năng lượng tái tạo bao gồm:

 Năng lượng từ các nhiên liệu hoá thạch như than đá, than bùn, dầu hoả, khí thiên nhiên, …

 Năng lượng do con người tạo ra như nhiệt điện, thuỷ điện, điện gió,…  Năng lượng hạt nhân như năng lượng từ các chất phóng xạ uranium,…  Năng lượng sạch như nước, gió, hydrogen, nhiệt – điện mặt trời,… Lợi ích của năng lượng tái tạo:

 Nâng cao độ tin cậy, an ninh và khả năng phục hồi của lưới điện quốc gia  Tạo việc làm trong các ngành năng lượng tái tạo

 Tăng cường sự độc lập về năng lượng

 Tăng khả năng chi trả vì nhiều loại năng lượng tái tạo có chi phí cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống

 Mở rộng khả năng tiếp cận năng lượng sạch cho các cộng đồng không có lưới điện hoặc các cộng đồng ở vùng sâu vùng xa, ven biển hoặc hải đảo.

 Năng lượng tái tạo tạo ra lượng khí thải thấp hơn nhiều so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch Việc chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo là chìa khóa để giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu.

5

1.2.Năng lượng nhiệt mặt trời là gì ?

Năng lượng nhiệt mặt trời là năng lượng có được nhờ việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nhiệt năng.

Công nghệ khai thác năng lượng mặt trời tạo ra nhiệt năng sử dụng trong nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng và thương mại.

Thu và trao đổi nhiệt:

 Nhiệt trong hệ thống nhiệt mặt trời được định hướng bởi năm nguyên tắc cơ bản: tăng nhiệt; truyền nhiệt; lưu trữ nhiệt; và cách nhiệt Ở đây, nhiệt là thước đo của lượng nhiệt năng mà một vật chứa và được xác định bởi nhiệt độ, khối lượng và nhiệt dung riêng của vật đó.

 Tăng nhiệt là nhiệt tích lũy từ mặt trời trong hệ thống Nhiệt lượng mặt trời được giữ lại bằng hiệu ứng nhà kính; hiệu ứng nhà kính trong trường hợp này là khả năng của một bề mặt phản xạ truyền bức xạ sóng ngắn và phản xạ bức xạ sóng dài Bức xạ nhiệt và hồng ngoại (IR) được tạo ra khi ánh sáng bức xạ sóng ngắn chiếu vào tấm hấp thụ, sau đó tấm này bị giữ lại bên trong bộ thu Chất lỏng, thường là nước, trong các ống hấp thụ sẽ thu nhiệt bị giữ lại và chuyển nó vào hầm chứa nhiệt.

 Nhiệt được truyền bằng dẫn nhiệt hoặc đối lưu Khi nước được làm nóng, động năng được truyền bằng cách dẫn đến các phân tử nước trong môi trường Những phân tử này lan truyền năng lượng nhiệt của chúng bằng cách dẫn nhiệt và chiếm nhiều không gian hơn các phân tử lạnh chuyển động chậm phía trên chúng Sự phân phối năng lượng từ nước nóng dâng lên đến nước lạnh chìm xuống góp phần vào quá trình đối lưu Nhiệt được truyền từ các tấm hấp thụ của bộ thu vào chất lỏng bằng cách dẫn nhiệt Chất lỏng thu được lưu thông qua các ống dẫn tới hầm truyền nhiệt Bên trong vòm, nhiệt được truyền khắp môi trường thông qua sự đối lưu.

6

1.3 Thuận lợi và khó khăn của công nghệ nhiệt mặt trời: Thuận lợi:

 Là năng lượng vô hạn và có khả năng tự tái tạo rất nhanh trong thời gian ngắn Theo tính toán của NASA, mặt trời còn có thể cung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỉ năm nữa.

 Giảm thiểu ô nhiễm môi trường: hạn chế thải ra các chất có hại cho môi trường, làm giảm bức xạ UV, giảm hiệu ứng nhà kính, không gây ô nhẽm nguồn nước, không gây ô nhiễm tiếng ồn, …

 Hiệu quả cao và chi phí thấp: người tiêu dùng chỉ cần bỏ ra một số tiền lúc đầu cho việc lắp đặt và chi phí bảo trì hàng năm cho sản phẩm thì đòi hỏi một chi phí rất thấp.

 Công nghệ lắp đặt đơn giản và dễ sử dụng, không chiếm nhiều diện tích như các dự án điện mặt trời.

 Do Việt Nam là một quốc gia hùng mạnh trong sản xuất nông nghiệp nên những sản phẩm ứng dụng hiện nay mang lại lợi ích lớn cho người nông dân nói riêng và nền nông nghiệp Việt Nam nói chung.

Khó khăn:

 Tính bền vững thấp: không phải nguồn cung cấp ổn định và liên tục do phụ thuộc vào thời tiết vì năng lượng mặt trời chỉ có thể được sản xuất khi mặt trời phát ra ánh sáng và nhiệt độ cao Trong những ngày mây mù, mưa liên tục hoặc trong những vùng có khí hậu không thuận lợi, lượng năng lượng mặt trời thu được có thể giảm đáng kể.

 Khó có thể ứng dụng rộng rãi ở bất cứ đâu đặc biệt là tại các điểm mù tại nhiều quốc gia khác nhau VD: ở những vùng thung lũng vì do nằm giữa những ngon núi cao nên khó đón nắng và mưa quanh năm.

7

 Khó kêu gọi đầu tư: trường hợp ông Nguyễn Văn Khoẻ đã đến chương trình kêu gọi vốn đầu tư – SHARK TANK VIỆT NAM “PHI VỤ BẠC TỶ”, ông bị 4/5 SHARK lắc đầu từ chối đầu tư vì lý do họ chưa thấy được tiềm năng và tính bền vững.

8

CHƯƠNG 2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI2.1 Ứng dụng

 BẾP MẶT TRỜI

Khái niệm: Là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun sôi nước

Cấu tạo: Thiết bị có các gương có các gương hay thấu kính Fresnel để hội tu ánh sáng vào điểm cần nung nấu Các bếp này có thể hoạt động công suất vài trăm Watt và nh độ lên tới 200 độ C

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của bếp năng lượng mặt trời rất đơn giản Đó là việc hội tụ ánh nắng về một điểm hay một vùng nhỏ Sau đó ánh sáng được chuyển thành sức nóng, dùng chất liệu dẫn nhiệt tốt làm bếp mau nóng hơn Sức nóng đấy được giữ lại để nấu chín thức ăn.

Các loại bếp năng lượng mặt trời thường dùng gương hoặc kim loại như giấy nhôm để hội tụ ánh sáng Một số khác dùng gương cầu lõm biến chùm sáng song song thành chùm sáng hội tụ Cơ chế này giống như như hội tụ nhiệt của mặt trời tại một điểm trước gương.

Màu đen có tính chất hút nóng, nên việc chuyển ánh sáng thành sức nóng sẽ nhanh hơn Vì vậy người thiết kế bếp hay dùng sơn đen để sơn cho các cạnh của bếp Các đồ dùng để nấu thức ăn nên là chất liệu dẫn nhiệt tốt như thế bếp nhanh nóng Sức nóng của bếp giúp thức ăn cũng nhanh chín hơn.

Có sức nóng rồi thì phải làm sao để giữ nóng, vì thế một tám thủy tinh, túi nylon hoặc chất dẻo trong suốt đủ để cho ánh sáng vào trong nhưng sức nóng thì không thể thoát ra ngoài giống như hiệu ứng nhà kính Không khí ở trong càng được cách ly với không khí bên ngoài thì sức nóng cao.

11

Đặc tính:

 Thiết kế nghiêng không tạo bóng của ấm đun trên bề mặt parabol  Hiệu suất tận dụng ánh sáng đến 98%, cao hơn sản phẩm tương tự,  Nhiệt độ tại điểm hội tụ gần 1000 độ C

 Công suất max tương đương bếp điện 1200 watt  Đun sôi ấm 4 lít nước trong 20 phút (mùa hè)  Diện tích bề mặt parabol: 2 m2

 Trọng lượng 15 kg Một số loại bếp

 Bếp kiểu hộp: có dạng hình hộp bảo vệ được làm bằng gỗ hoặc tôn, tiết diện ngang có thể tạo thành vuông hoặc hình tròn.

Chế tạo bếp:

Để chế tạo được bếp chúng ta phải xem xét mối quan hệ giữa đường kính mặt thu, dung tích của nồi và thời gian nấu thông qua đồ thị

 Ví dụ : Ta có thể chế tạo nồi có thể chứa 10 lít và dựa vào đồ thị, có thể nấu sôi 10 lit ở 25 độ C trong thời gian một giờ (3600s) ta chọn d2=0.8m.

Ưu điểm:

 Có thể làm bằng chất liệu rẻ tiền  Không thể cháy khét

 Người sử dụng bếp có thể ở trong mát  Thích hợp với việc di chuyển khi đi du lịch  không gây ô nhiễm môi trường

 An toàn khi sử dụng

12

 Không chịu được mưa

 Cứ phải nữa giờ lại phải xoay hướng

 Bếp năng lượng mặt trời parabol: là loại tốn nhiều chi phí nhất trong các loại bếp năng lượng mặt trời, bếp khó làm, nhưng nhiệt độ lên cao rất nhanh, có thể lên đến 380 °C Bếp parabol rất phổ biển tại Trung Quốc và các bếp này thường được nấu ăn cho nhiều người nên rất hữu dụng cho việc nấu ăn tập thể Một bếp parabol đường kính 1 mét nấu được cho 8 đến 10 người ăn.

Chế tạo bếp:

Mặt parabol phản xạ là bộ phận quan trọng nhất của bếp chúng có thể sản suất hàng loạt bằng phương pháp dập Đơn giản chúng ta có thể chế tạo bằng cách ghép các mảnh lại với nhau.

Ưu điểm:

 Bếp nóng rất nhanh lại có thể đạt nhiệt độ cao nên nấu thức ăn hay đun nước đều nhanh, có thể nấu các món chiên, xào…

 Có thể dùng được quanh năm kể cả những nước có ít nắng, chỉ cần không mưa  Nhờ chất liệu của bếp nên bếp có thể chịu được mưa

 Bếp chỉ nặng khoảng 9 kg  Chi phí thấp

13

 Chịu được mưa

Nhược điểm:

 Chi phí sản xuất cao, có thể lên đến mấy triệu một cái bếp.

 Vật liệu sản xuất bếp rất đặc biệt và đòi hỏi độ chính xác cao nên khó tự chế tạo bếp.

 Vì nhiệt nhiệt độ của bếp cao nên thức ăn dễ cháy và còn có thể gây bỏng  Bếp gây chói mắt nên khi nấu ăn phải có kính bảo vệ mắt.

 Người sử dụng bếp phải đứng ngoài nắng để nấu ăn, vì bếp không đậy kín để giữ nhiệt.

 Cứ khoảng 15 phút là phải chỉnh hướng một lần.

 THIẾT BỊ NƯỚC NÓNG (ĐUN NƯỚC NÓNG): Khái niệm:

Trong ánh nắng mặt trời có chứa các hạt photon mang năng lượng Khi chiếu vào vật liệu đặc biệt có hệ số hấp thụ nhiệt cao như đồng, nhôm,… Sẽ làm cho vật liệu đó nóng lên, nhiệt lượng này sẽ truyền trực tiếp cho nước, làm cho nước nóng lên Cấu tạo:

Một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để nung nóng nước trực tiếp bao gồm các bộ phận sau:1 Bộ thu nhiệt, 2.Bình bảo ôn, 3 Giá đỡ, 4 Bơm và thệ thống dẫn nước nóng vào sử dụng.

Nguyên lí hoạt động:

14

Khi bức xạ mặt trời chiếu vào bộ phận thu nhiệt, bộ phận thu nhiệt sẽ hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời và chuyển nhiệt năng Lượng nhiệt này sẽ được truyền trực tiếp cho nước trong các ống dẫn Nước nóng có tỉ trọng nhỏ sẽ đi lên theo đường nước dẫn nước nóng và đi vào bình chứa Nước lạnh trong bình nặng hơn sẽ đi xuống theo ống dẫn nước lạnh Quá rình cứ như thế tiếp diễn cho đến khi nước trong bình chứa đạt đến giá trị cao nhất

Phân loại:

Có hai loại thu nhiệt: dạng tấm phẳng và dạng ống chân không  Loại thu nhiệt tắm phẳng:

Loại thu nhiệt tắm phẳng: là loại tắm phẳng gồm nhiều ống nhỏ bằng đồng có tấm hấp thụ bằng nhôm hoặc đồng, bên trong ống là môi chất truyền nhiệt Nhiệt thu được từ tắm hấp thụ sẽ truyền vào ống và làm ấm môi chất bên trong.

Trên bề mặt của tắm hấp thụ được phủ một lớp sơn đặc biệt màu đen để tăng kha năng hấp thụ nhiệt Để làm giảm sự mất mát nhiệt độ, tắm hấp thụ được bao bọc và bảo ôn bằng lớp cách nhiệt đặt trong hộp kín bằng hộp kim nhôm chuyên dùng, bề mặt được lắp kín để bảo vệ khỏi tác động của thời tiết

Ngoài ra, hiện nay còn có tắm hấp thụ phẳng đúc bằng nhựa PPR màu đen theo một quy trình đặt biệt Lớp màng phủ chống tia U/V đảm bảo hiệu suất hấp thụ theo thời gian Tuổi thọ của thiết bị lên đến 25 năm Loại thiết bị này không đóng cáu cặn, sử dụng được với nhiều chất lượng nước khác nhau, từ nước phèn cho đến nước được sử khí với clo.

 Loại thu nhiệt dạng ống chân không:

Loại thu nhiệt dạng ống chân không:là loại ống chân không gồm các ống chân không gắn song song với nhau Mỗi ống có dạng ống thuỷ tinh hai lớp, ở giữa là chân không Bề mặt ống được tráng một lớp màng kim loại đặc biệt gồm ba lớp:

Lớp 1: chống tản nhiệt ( hợp kim inox + đồng )

Lớp 2: hấp thụ nhiệt năng ánh sáng mặt trời ( hợp kim đồng ) Lớp 3: truyền nhiệt hấp thụ cho nước bên trong ống ( hợp kim inox)

15

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bộ phận thu nhiệt, các ống thuỷ tinh chân không sẽ hấp thụ nhiệt từ các bức xạ mặt trời và chuyển nhiệt năng Lượng nhiệt này sẽ truyền trực tiếp cho nước trong các ống Nước nóng có tỉ trọng nhỏ sẽ đi lên bình bảo ôn theo bề mặt trên của ống Nước lạnh có tỉ trọng lớn hơn sẽ đi từ bình bảo ôn xuống theo bề mặt dưới của ống Quá trình cứ thế tiếp diễn cho đến khi nước trong bình đạt tới nhiệt độ cao nhất

Sau khi có nước nóng trong bình chứa, nhờ vào hệ thống bơm , van, ống dẫn,… sẽ đưa nước nóng đến các thiết bị cần sử dụng

*Bình bảo ôn:

Cấu tạo gồm ba lớp: ruột bình ,lớp bảo ôn, vỏ bình.

Ruột bình: được chế tạo bằng thép không rỉ dùng trong công nghệ thực phẩm và hàn nối bằng phương pháp hàn cao tần, do đó đảm bảo được thành phần của nước không bị thay đổi do xúc tác của nhiệt độ

Lớp bảo ôn: được làm từ hợp chất cách nhiệt, trong điều kiện nhiệt độ ổn định cho phép cách nhiệt tốt.

Vỏ bình: được làm bằng thép không rỉ, sử dụng tốt trong môi trường khắc nghiệt Giá đỡ : được làm bằng thép không rĩ hoặc hợp kim nhôm

Lắp đặt: khi lắp đặt collector thì phải làm sao cho bề mặt collector nhận được hầu hết nhiệt trực tiếp từ bức xạ mặt trời Cần phải tìm một góc độ thích hợp cho collector để có thể có nước nóng ở bất kỳ thời gian và mùa nào khi chúng ta cần đến

Các lưu ý khi lắp đặt:

Mái nhà phải có nắng và không bị che khuất Phải có nguồn cấp nước ổn định

Bố trí đường ống càng ngắn càng tốt

Có thể dùng ống nhựa PPR, ống kim loại làm ống nước nóng

16

Nên chọn loại máy làm bằng inox tốt (inox 304) Nếu nguồn nước nhiễm phèn hoặc ô nhiễm nặng thì không nên dùng máy năng lượng mặt trời vì ở nhiệt độ cao, tính ăn mòn của nước tăng rất mạnh, thặm chí có thể ăn thủng bình inox

Sự cố thường gặp nhất của máy năng lượng mặt trời không phải là nước không nóng mà là bị rò rỉ nước Vì vậy ,ngay sau khi lắp máy một ngày bạn nên lên máy nhà kiểm tra và nếu thấy rò rỉ phải yêu cầu đơn vị bán máy khắc phục ngay Nếu để lâu, bệnh rò rỉ ngày càng nặng

 CHƯNG CẤT NƯỚC (nước lọc) Khái niệm:

Việc sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn chính là nguyên nhân dẫn đến nhiều loại bệnh tật cho người dân ở các nước nghèo, nơi mà điều kiện về ý tế về chăm sóc sức khỏe còn yếu kém và điều này dẫn đến một hệ quả tất yếu là sức khỏe của những người dân ở những nước này không được đảm bảo, hay lệ tử vong cao Do đó, cần thiết phải cung cấp nước sạch cho những vùng dân cư khang hiếm nước sạch.

Cấu tạo:

 Thiết bị chưng cất nước bao gồm các bộ phận sau:  Máng lấy nước ngưng

Nguyên lí hoạt động:

 Nước bẩn, nước mặn được đưa vào khay ở dưới và được đun nóng bởi sự hấp thụ năng lượng mặt trời Phần đáy của khay được sơn đen để tăng quá trình hấp thu năng lượng mặt trời Phần đáy của khay được sơn đen để tăng quá trình hấp thu năng lượng mặt trời Nước được xem là trong suốt trong quá trình hấp thu sóng ngắn năng lượng mặt trời Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước Khi nhiệt độ tăng, sự chuyển động của các phân tử nước trở nên mạnh và chúng có thể tách ra khỏi bề mặt thoáng và số lượng tăng dần Đối lưu của không khí trên bề mặt mang theo hơi nước và ta có quá trình bay hơi Sự bốc lên của dòng không khí chứa đầy hơi ấm, sự làm mát của bề mặt được phủ bởi không khí đối lưu bên ngoài làm cho các phân tử nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng chứa ở góc dưới (phụ thuộc quan hệ giữa sức căng bề mặt của nước và tấm phủ) Không khí lạnh chuyển động bên dưới tạo thành dòng khí đối lưu.

 Hiện nay người ta thường dùng kính làm tấm phủ vì thuận lợi cho quá trình ngưng tụ tạo thành giọt Ở vùng khí hậu nhiệt đới, hệ thống chưng cất nước sản xuất ra một lượng nước ngưng với lượng nước từ 90 tới 150 lít nước một ngày Trong một số trường hợp chúng ta có thể tạo một thiết bị đơn giản một cách nhanh chóng để lấy nước ngọt từ biển hoặc nguồn nước ô nhiễm.

 Máy lọc nước này sử dụng nguyên lý bốc hơi của nước để làm tắt các phân tử nước khỏi nguồn bẩn về nguyên lý ngưng tụ của nước để chúa nước vào một dụng cụ khác.

Ưu điểm và nhược điểm:

 Hệ thống lọc nước sạch và an toàn  Có thể làm sạch nước ở bất cứ nơi đâu

 Có thể sử dụng cho mục đích dân cư và các ngành công nghiệp lớn

18