Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”... Xuất phát từ thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NGỤY HOÀNG ĐÀN

TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC

CÓ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP BƠM NGHIỆT CHO KHÁCH SẠN NHA TRANG PLACE

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt lạnh)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS LÊ NHƯ CHÍNH

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng

mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

ĐIỂM CHUNG

Bằng chữ Bằng số

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Th.S Lê Như Chính

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng

mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Đánh giá chung:

ĐIỂM

Bằng chữ Bằng số

ĐIỂM CHUNG

Bằng chữ Bằng số

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014

Cán bộ phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014

Chủ tịch hội đồng

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong

việc hình thành tri thức một con người Từ những ngày bước chân vào giảng đường

đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn

và giúp đỡ tận tình của các thầy cô

Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ lòng biết ơn chân

thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí

cũng như các Thầy, Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt Lạnh đã tạo mọi điều kiện

cho em có kết quả học tập tốt và hoàn thành đề tài này

Đặc biệt em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy ThS Lê Như Chính đã trực

tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài, truyền đạt

những kinh nghiệm quý báu, cung cấp cho em những tài liệu cần thiết và hữu ích

cho quá trình nghiên cứu để em có thể thực hiện đề tài hoàn chỉnh về mặt nội dung

và hoàn thành trong thời gian quy định

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và những người bạn của em

những người đã luôn giúp đỡ, động viên em hoàn thành tốt đề tài này

Tuy nhiên, quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Mong nhận

được sự chỉ bảo của quý Thầy Cô và góp ý của các bạn

N Nha Trang, tháng 6 năm 2014

SSinh viên thực hiện

Ngụy Hoàng Đàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12

1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 12

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng năng lượng mặt trời 12

1.2 Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất 15

1.3 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ 19

1.4 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 21

1.5 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất 22

1.6 Bức xạ mặt trời truyền qua kính 25

1.7 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam 26

1.8 Đo cường độ bức xạ Mặt trời 27

1.9 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng lượng mặt trời 28

1.9.1 Cấu tạo 28

1.9.2 Nguyên lý hoạt động 29

2 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 31

2.1 Pin mặt trời 32

2.2 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời 33

2.3 Thiết bị sấy khô dung năng lượng mặt trời 34

2.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 34

2.5 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 35

2.6 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 36

2.7 Thiết bị đun nước nóng chạy bằng NLMT 36

2.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 37

3 Tổng quan về bơm nhiệt (Heat pump) 37

3.1 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 37

3.2.1 Máy nén 38

3.2.2 Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi 39

3.2.3 Van tiết lưu 39

3.3 Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt 39

3.3.1 Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất 39

3.3.2 Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sữa, nước giải khát có ga, cô đặc, chưng cất, sấy… 40

4 Tổng quan về công trình Nha Trang Place Hotel 40

5 Khả năng ứng dụng bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời 41

5.1 Tính hiệu quả kinh tế 41

5.2 Tính ưu việt 43

5.3 Tính hạn chế 43

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC 44

1 Tính toán lưu lượng nước cấp, tính thiết kế bể chứa, tính chọn két nước 44

1.1 Tính toán lưu lượng nước cấp sinh hoạt cho khách sạn 44

1.2 Tính toán thiết kế bể chứa 44

2 Chọn hệ thống cung cấp nước nóng 45

2.1 Chọn thiết bị nước nóng năng lượng mặt trời 45

2.1.1 Chọn tấm thu nhiệt 46

2.1.2 Chọn bồn bảo ôn 46

2.2 Chọn bơm nhiệt (Heat pumb) 47

2.2.1 Sơ đồ ứng dụng của bơm nhiệt 47

2.2.2 Sơ đồ kết hợp giữa bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời 47

2.2.3 Chọn bơm nhiệt 48

2.2.4 Tính kiểm tra bơm nhiệt (heat pump) 49

2.3 Tính toán thiết kế đường ống dẫn nước nóng, tính chọn bơm tuần hoàn 50 2.3.1 Thiết kế và tính chọn ống dẫn nước nóng 50

2.3.1.1 Tính chọn ống dẫn nước trong phòng 50

2.3.1.2 Tính chọn đường ống dẫn nước xuyên tầng 51

2.3.1.3 Tính chọn ống nước hồi 52

2.3.1.4 Tính chọn bơm tuần hoàn 52

2.3.1.5 Chọn bồn chứa nước hồi 56

2.4 Tính thiết kế đường ống dẫn nước lạnh, chọn két nước, tính chọn bơm 56 2.4.1 Tính thiết kế ống dẫn nước lạnh trong phòng 57

2.4.2 Tính chọn đường ống xuyên tầng 58

2.4.3 Tính chọn két nước 59

2.4.4 Tính chọn bơm nước cấp 59

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH XÂY DỰNG, LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO QUẢN VÀ SỬA CHỮA 64

1 Xây dựng, lắp đặt hệ thống cấp nước sinh hoạt 64

1.1 Xây dựng bể chứa 64

1.2 Lắp đặt thiết bị thu năng lượng mặt trời 64

1.3 Lắp đặt bơm nhiệt 65

1.4 Lắp đặt bồn chứa nước 65

1.5 Lắp đặt đường ống dẫn nước, các thiết bị phụ trợ 65

1.5.1 Lắp đặt đường ống dẫn nước 66

1.5.2 Lắp đặt bơm nước 67

1.5.3 Lắp đặt bồn cầu 68

1.5.4 Lắp đặt bồn tắm 69

2 Bảo dưỡng và sửa chữa 69

2.1 Bảo dưỡng máy nước nóng năng lượng mặt trời 69

2.2 Bảo dưỡng bơm nhiệt 70

CHƯƠNG IV: TÍNH GIÁ THÀNH HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 73

1 Tính giá thành sản phẩm 73

2 So sánh tính tiết kiệm của sản phẩm so với sản phẩm khác 74

3 Kết luận và nhận xét 74

PHỤ LỤC 76

Danh mục tài liệu tham khảo 106

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Máy nước nóng năng lượng Mặt trời 12

Hình 1.2: Hệ thống Solarhart bên cạnh các tấm PV 14

Hình 1.3: Góc nhìn mặt trời 16

Hình 1.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất 17

Hình 1.5: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 20

Hình 1.6: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán 23

Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng 24

Hình 1.8: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng 24

Hình 1.9: Hiệu ứng lồng kính 25

Hình 1.10: Nhật xạ kế - Pyranometer 28

Hình 1.11: Trực xạ kế 28

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời 30

Hình 1.13: Pin Mặt trời 32

Hình 1.14: Hệ thống pin Mặt trời 33

Hình 1.15: Nhà máy điện mặt trời 33

Hình 1.16: Tháp năng lượng mặt trời 33

Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT 34

Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời 35

Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 35

Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT 36

Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT 37

Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt 38

Hình 1.24: Ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng 39

Hình 1.25: Khách sạn Nha Trang Place 41

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy nước nóng năng lượng mặt trời tập trung tuần hoàn tự nhiên 45

Hình 2.2: Sơ đồ ứng dụng cơ bản của bơm nhiệt 47

Hình 2.3: Sơ đồ kết hợp giữa bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời 48

Hình 2.4: Đường ống cấp nước nóng 52

Hình 2.5: Đồ thị độ nhớt động học của nước 54

Hình 2.6: Hình ảnh bơm ly tâm 55

Hình 2.7: Đồ thị vùng làm việc bơm ly tâm 56

Hình 2.8: Đường ống nước lạnh 58

Hình 2.9: Đồ thị độ nhớt của nước 61

Hình 2.10: Đường đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp (cùng đặc tính) 62

Hình 3.1: Chi tiết ống qua tường 66

Hình 3.2: Chi tiết ống treo trần nhà 67

Hình 3.3: Chi tiết cùm đỡ ống 67

Hình 3.4: Chi tiết lắp đặt bồn cầu 69

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm 26

Bảng 1.2: Số giờ nắng trung bình cả năm 27

Bảng 1.3: So sánh tính kinh tế 42

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật tấm thu chân không MEGASUN MGS-VC1850 46

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật bồn chứa SUS304 47

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật bơm nhiệt MGS-20HP-D 49

Bảng 2.4: Lưu lượng tính toán thiết bị vệ sinh và đường kính ống nối 50

Bảng 2.5: Thông số ống nước nóng PN20 51

Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật bơm ly tâm 100 x 64 – FSKA 56

Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật bồn nước MEGASUN 56

Bảng 2.8: Lưu lượng tính toán và đường kính ống nối thiết bị vệ sinh 57

Bảng 2.9: Ống nước nóng PN20 57

Bảng 2.10: Thông số kỹ thuật bồn chứa nước inox 59

Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật bơm ly tâm 100x64 – FSKA 63

Bảng 3.1: Một số sự cố thường găp và cách giải quyết máy nước nóng năng lượng mặt trời 69

Bảng 4.1: Chi phí lắp đặt hệ thống 73

Bảng 4.2: Chi phí cho máy móc thiết bị 73

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống con người Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Trên thế giới các nước đang phát triển có nhu cầu năng lượng lớn đến 75%, các nước phát triển cần 25% tổng nhu cầu năng lượng của thế giới

Với tốc độ phát triển chóng mặt của xã hội hiện nay Do nhu cầu về sự tiện nghi ngày càng cao, trong đó nước nóng là một nhu cầu thực tiễn Tuy nhiên để đáp ứng được lượng nước nóng để phục vụ con người đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng khá lớn Trong khi đó Việt Nam là một trong những nước có ánh nắng mặt trời chiếu sáng nhiều trong ngày

Để đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng cũng như đảm bảo tiết kiệm về năng lượng ta ứng dụng năng lượng mặt trời vào sản xuất nước nóng

Xuất phát từ thực tiễn trên tôi được khoa cơ khí trường Đại Học Nha Trang giao cho đề tài tốt nghiệp:

“Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”

Trong thời gian thực hiện đề tài tôi nhận được sự giúp đỡ hưỡng dẫn tận tình của thầy Th.S Lê Như Chính, cùng với sự nghiên cứu tìm tòi học hỏi đến nay tôi đã hoàn thành cơ bản các nội dung của đề tài

Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do thời gian còn hạn chế và bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học cùng với trang thiết bị phòng thí nghiệm còn thiếu nên kết quả nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn

Nha Trang, tháng 06 năm 2014 Sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng năng lượng mặt trời

Ở thế kỷ XIX, các nước phương Tây vẫn chưa có khái niệm về giữ nhiệt cho nước Người ta chứa nước trong một thùng giống thùng phuy Nhiệt độ của nước được tăng lên bằng phương pháp thủ công, đó là dùng gỗ hoặc than đá để đốt nóng Phương pháp này rất tốn kém và bất tiện

Ở những vùng nông thôn có nhiều nắng hơn thì nông dân đã nghĩ ra phương pháp khác Họ chứa nước trong một thùng phuy sơn đen bên ngoài và đậy nắp Sau đó đem phơi dưới ánh nắng Mặt trời suốt cả ngày Phương pháp đó có vẻ khá hơn nhưng

những thùng phuy này nhanh chóng bị mất nhiệt về ban đêm, khi nhiệt độ hạ xuống

Hình 1.1: Máy nước nóng năng lượng mặt trời

Năm 1891, Clarence Kemp, bang Maryland, Mỹ, đã chế ra một loại bồn kim loại giữ được nhiệt của nước từ năng lượng mặt trời Ông đã đặt tên cho sản phẩm của mình là Climax và đây là máy nước nóng từ năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới được thương mại

Đầu năm 1900, Kemp đã đưa Climax đến với người dân các tiểu bang khác có nắng và nhiệt độ thường cao hơn Tại miền Nam California, Mỹ, hàng trăm máy được lắp đặt vào năm 1900

Sau đó, hệ thống thu nhiệt của Climax đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện dần, trong đó có việc sử dụng hộp thủy tinh bao xung quanh các ống kim loại giống như phương pháp hiệu ứng nhà kính Do đó, nước được nóng nhanh hơn Khối lượng riêng của nước nóng thường nhẹ hơn nước lạnh, khi thông qua ống dẫn thì nước nóng sẽ được dồn vào bình chứa (bình bảo ôn) và đảm bảo cho nhu cầu cả ngày và đêm

Năm 1909, William J Bailey của công ty thép Carnegie, Mỹ, đã nâng kỹ thuật lên một bước nữa bằng cách tách máy nước nóng năng lượng mặt trời ra làm hai phần: một phần hấp thụ nhiệt và một phần trữ nhiệt Phần hấp thụ nhiệt là các ống kim loại sơn đen và đặt trong một hộp kính, phần còn lại là một bồn chứa lớn để trữ nước nóng

Từ năm 1909, Bailey đã tung sản phẩm của mình ra thị trường và với những ưu điểm nổi trội, khiến Climax bị loại ra khỏi cuộc chơi Từ năm 1909 đến 1918, ông

đã bán ra thị trường hơn 4,000 máy hiệu Solar Day-Night

Trong những năm 1920-1930, những khám phá lớn về khí đốt tại Los Angeles,

Mỹ, đã làm đình trệ sự phát triển ứng dụng của năng lượng mặt trời Sau năm 1930, Heater là người kế nghiệp Bailey, đã phát triển rộng rãi dòng máy Solar Day - Night Heater Sau chiến tranh thế giới thứ hai, có những nước mà cả nửa số dân đã dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời, góp phần tiết kiệm điện

cho các ngành công nghiệp sản xuất khác

Sự xuất hiện ở một số nước trên thế giới và Việt Nam

Tại Nhật Bản, loại máy nước nóng năng lượng mặt trời có bồn nước hình trụ được đặt trong hộp kính rất được phổ biến Năm 1960, người Nhật đã tiếp cận khu vực Trung Đông bằng những ứng dụng của máy nước nóng năng lượng mặt trời Đổi lại,

họ được mua dầu mỏ với giá ưu đãi Nhưng không lâu sau đó, vào năm 1973, giá dầu mỏ tăng vùn vụt, máy nước nóng năng lượng Mặt trời trở nên có giá

Khi xuất hiện lệnh cấm vận một số nước Trung Đông, mỗi năm Nhật Bản xuất sang Trung Đông hơn 100,000 máy nước nóng năng lượng Mặt trời

Khi cuộc khủng hoảng giá dầu lần thứ hai xảy ra (năm 1979), doanh thu của nước Nhật tăng khủng khiếp chỉ bằng việc xuất khẩu máy nước nóng năng lượng Mặt trời, trung bình trên 250,000 máy/năm

Hiện tại, Nhật Bản đang có trên 10 triệu gia đình dùng máy nước nóng năng lượng Mặt trời

Tại Australia, Solarhart là nhà sản xuất tiên phong khi cải tiến bộ hấp thụ nhiệt

và bồn nước (bình bảo ôn) được thiết kế gọn nhẹ, rất thuận lợi khi lắp đặt trên mái nhà

Tại Israel, năm 1953, Levi Yissar là người đầu tiên đưa máy nước nóng năng lượng mặt trời về và sự kiện này đã thu hút nhiều tờ báo hàng đầu ở nước này

Đối với Chính phủ Israel thì việc ứng dụng năng lượng mặt trời là giải pháp có tính chiến lược Chính phủ đã thành lập một ủy ban đặc biệt chuyên trách về năng lượng mặt trời mà người đứng đầu là Levi Yissar Ông đã đặt mục tiêu đến năm

1967, cứ 20 gia đình tại Israel thì có một gia đình dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời

Đến năm 1983, hơn 60% gia đình tại Israel sử dụng máy nước nóng năng lượng Mặt trời và đến nay, con số này đã là 90% Người Israel là những người đầu tiên đưa ứng dụng năng lượng mặt trời để sưởi ấm hồ bơi

Hiện nay, khi nói đến năng lượng xanh của Israel, người ta nghĩ ngay tới tập đoàn năng lượng hàng đầu AORA với thương hiệu máy nước nóng năng lượng mặt trời Heps

Tại Việt Nam, sự xuất hiện của máy nước nóng năng lượng mặt trời tuy muộn nhưng đúng thời điểm và được coi là một trong những giải pháp tiết kiệm hàng đầu trong đầu tư

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, máy nước nóng năng lượng mặt trời nói riêng và các thiết bị dùng năng lượng mặt trời nói chung đã nhen nhóm xuất hiện tại Việt Nam nhưng mới chỉ ở dạng nghiên cứu của các trường đại học hoặc viện nghiên cứu

Đến đầu năm 2000, máy nước nóng năng lượng mặt trời đã có hình thức thương mại nhưng đa phần nhập ngoại như Solarhart và Edwards (Australia), Solar Meru (Malaysia), Solar Heps (Israel)

1.2 Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất

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

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

xạ điện tứ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng cúa chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế bắt đầu xảy ra

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

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

0,78 μm 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

5762 (

67 , 5 4

60 360

32 14 , 3 2

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β

cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn nên có thể

xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới trái đất Đầu tiên oxy phân tử bình thường O2 phân

ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có photon bước sóng ngắn hơn 0,18 μm, do đó các photon có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành phân tử ozon O3, Ozon cũng hấp thụ bức xạ từ ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxy, dưới tác dụng của các photon với bước song ngắn hơn 0,32 μm, sự phân tách ozon thành O2 và O xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ từ ngoài được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2, O3, đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ từ ngoài biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Hình 1.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ liên kết của chúng khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ

có bước sóng ngắn nhất Sau khi phân tử các phần khác nhau của khí quyển bức xạ

đi đến chúng ta mang theo màu xanh của trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức

xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượng mặt trời bức xạ tới truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó trên trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quảng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa

vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng

xem như chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những dao động quan trọng về

độ dài ngày và đêm trong năm

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường

đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt trời (góc giữa phương từ điểm quang sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào

đó trên trái đất là quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:

Eng = Eo(1+0,033cos

365

360n

) (W/m2)

Trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm

1.3 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ

Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau:

Hệ số khối lượng 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

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 cụ thể thu được ở các bộ phận thu được kiểu tập trung (hội tụ)

Tán xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển

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

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

mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ bao gồm cường

độ bức xạ Etrx, cường độ bức xạ tận Etrx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp

diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân 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 cụ thể được xác định theo các góc đặc trưng sau:

Góc vĩ độ Ф, là 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

900≤≤ 900

Góc nghiêng β, là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang

(β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)

Hình 1.5: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng

nghiêng

1800  1800

kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị

đó

Góc thiên đỉnh z, là góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới

là góc phụ của thiên đỉnh

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 (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây

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

Trong đó: n là thứ tự ngày của 1 năm

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

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

+ cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin

và: cos = cosz.cos + sinz.sin.cos(s - )

thiên đỉnh:

( = 0): cosz = cos.cos.cos + sin.sin

1.4 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang

Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được xác định theo phương trình:

z o

ng o

n E

365

.360cos.033.01

Thay giá trị cosz vào phương trình trên ta có E o.ng tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn là:

cos.cos.cos sin.sin

365

360cos.033.01

s s o

ngay

o

n E

sin.sin

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng Eoth bằng cách thay giá trị n và  trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng

và độ lệch  tương ứng

Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể

2 1

.

n E

x

1.5 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất

Tổng bức tán xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ Phần trực xạ được 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

Thành phần tán xạ đẳng hướng: Là phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời

Thành phần tán xạ quanh tia: Là phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời

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

Hình 1.6: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc Rg (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 Rg

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

Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nằm nghiêng là tổng của các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ Eb, e thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ từ các

bề mặt khác lân cận Er:

E = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp Vì vậy người ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa là tổng hợp của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất

là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt Như vậy tổng

xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ Eb.Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang

cos

 E b B b E d E R g E

(1 + cos)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời

Rg là hệ số phản xạ bức xạ của môi trường xung quanh

Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng

z z

n n

bng

n b

E

E E

E B

.

cos







Trong đó: En là cường độ bức xạ mặt trời theo phương bất kỳ

Ebng là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt nằm ngang Ebngh là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nằm nghiêng

diễn trên hình 1.8

Hình 1.8: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian τ, tính từ lúc Mặt trời mọc, τ = 0 đến khi Mặt trời lặn τ = τn/2

Với n = 24.h = 24.3600s như sau: E() = En.sin()

Với () = . là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất,  = 2./n

n

/10.72,73600.24

theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét

1.6 Bức xạ mặt trời truyền qua kính

Độ hấp thụ, truyền qua và phản xạ của vật liệu là hàm số của bức xạ truyền tới,

độ dày và chỉ số khúc xạ của lớp vật liệu đó Hầu hết các bộ thu NLMT đều sử dụng kính làm vật liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính chất quang học ưu việt của nó

Hiệu ứng lồng kính

Hình 1.9: Hiệu ứng lồng kính Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích lũy 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 Dλ giảm dần khi bước sóng λ tăng Còn bước sóng λm khi Eλ cực đại, là bước sóng mang nhiều năng lượng nhất, thì lại giảm theo định luật Wien λ = 2,9.10-3 /T

Bức xạ mặt trời, phát ra từ nhiệt độ cao To = 5762K, có năng lượng tập trung quanh sóng λmo = 0,5 μm sẽ xuyên qua kính hoàn toàn, vì D(λmo) ≈ 1 Bức xạ thứ

cấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T ≤ 400K, có khả năng tập trung quanh sóng λm = 8 μm, hầu như không xuyên qua kính, vì D(λm) ≈ 0 và bị phản xạ lại mặt thu Hiệu số năng lượng (vào – ra) > 0, được tích lũy phía dưới tấm kính, làm nhiệt

độ tại đó tăng lên

1.7 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, nằm ở vành đai nội chí tuyến nên độ dài của ngày không biến đổi lớn, khoảng 11 giờ vào mùa đông và 12 giờ vào mùa hè, với dải bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Ở Nam bộ số giờ nắng trong ngày có thể đạt đến 8 - 9 giờ, mùa đông cũng đạt được 5 - 6 giờ nắng Tổng số giờ nắng trong một năm ở Nam bộ vào khoảng 2200 -

2600 giờ Tính trung bình tổng bức xạ hàng năm ở niềm nam 110  150 Kcal/

cm2.năm

Ở miền Bắc tổng số giờ nắng có ít hơn, khoảng 1500 - 1700 giờ/năm Tổng lượng

Các tỉnh ven biển miền Trung có trên 2000 giờ nắng trong năm Ở Tây nguyên

và vùng núi tuy có ít hơn nhưng cũng đạt trên 1700 giờ

Theo kết quả nghiên cứu đề tài cấp nhà nước mang mã số 52C-01-01a đã tiến hành xử lý số liệu quan trắc của 112 trạm khí tượng thủy văn phân bố trên toàn quốc

về bức xạ Mặt trời và thời gian nắng, được thu thập trong khoảng thời gian từ 18 –

29 năm , mỗi ngày tiến hành 5 lần quan trắc vào các giờ 6h30, 9h30, 12h30, 15h30, 18h30

Bảng 1.1: Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm

2 Vùng núi Tây Bắc, Thanh Hóa, Hà

3

Thừa Thiên Huế, Ven biển Đà Nẵng đến Phú Yên, Kon Tum, Gia Lai, miền Đông Nam Bộ, TP.Hồ Chí Minh, Đồng bằng Sông Cửu Long

1.8 Đo cường độ bức xạ mặt trời

Ngoài phương pháp xác định cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất kỳ dựa trên vị trí địa lý (độ cao mặt trời) như trên, trong thưc tế người ta đã chế tao các dụng

cụ đo cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp tại điểm cần đo Thiết bị đo bức xạ mặt trời

thường có 2 loại: đo trực xạ (pryheliometer, actinometer) và đo tổng xạ (pyranometer, solarimeter)

Bộ phận thu nhiệt (collector)

Collector thu nhiệt có vai trò hết sức quan trọng

Trước đây phổ biến là loại collector phẳng làm bằng kim loại (dạng ống cánh với ống bằng đồng và cánh bằng đồng hoặc nhôm) Gần đây, loại collector phẳng bằng nhựa (PP-R có độ dẫn nhiệt cao) và loại collector sử dụng ống thủy tinh 2 lớp rút chân không khá phổ biến Như vậy là có 3 loại collector thu nhiệt: loại phẳng dạng ống cánh kim loại, dạng phẳng bằng nhựa và dạng ống chân không

Collector của máy nước nóng có dạng ống thủy tinh 2 lớp rút chân không với hiệu suất cao (>93%) và tuổi thọ tương đối cao nếu sử dụng đúng cách Giá thành

cũng như chi phí thay thế ống rất rẻ, và ống có thể chịu đựng được va đập của các trận mưa đã lớn

Lớp hấp thụ của ống nước được sơn bằng công nghệ phun mạ do đó tính hấp thụ bức xạ mặt trời cao đến hiệu suất thu nhiệt của ống khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời rất cao (95%), hiệu suất phát xạ nhiệt khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời thấp 6%

Nhược điểm duy nhất là đòi hỏi nguồn nước cung cấp đảm bảo phải liên tục và

có chất lượng tốt, nhằm tránh gây phá hủy các ống thu nhiệt do “sốc nhiệt” hay đóng bẩn sẽ làm giảm hiệu suất

Bình bảo ôn

Cấu tạo gồm 3 lớp: Ruột bình, lớp bảo ôn và vỏ bình

Ruột bình: Được chế tạo bằng thép không gỉ SUS304/2B dùng trong công nghệ thực phẩm và được hàn nối bằng phương pháp hàn cao tần do đó đảm bảo được thành phần của nước khi sử dụng không bị thay đổi do xúc tác của nhiệt độ

Lớp bảo ôn: Được làm từ hợp chất PolyUrethane bọt PU cách ly 55mm rất tốt

và giữ được nhiệt độ rất lâu (khoảng 72 giờ), khả năng thất thoát nhiệt không đáng

kể

Vỏ bình: Làm bằng thép không gỉ, độ dày tiêu chuẩn mang lại cho bình độ bền, đẹp, sử dụng tốt trong cả những môi trường khắc nhiệt (vùng ven biển, hải đảo…)

Giá đỡ máy

Làm bằng thép không gỉ 1.2mm định hình cao cấp rất bền - đẹp Giá đỡ được thiết

kế được biệt với góc nghiêng thích hợp giúp hấp thụ nhiệt tốt nhất tại mọi vị trí lắp đặt

1.9.2 Nguyên lý hoạt động

Ánh sáng mặt trời mang theo một nguồn năng lượng rất lớn và một phần năng lượng này sẽ biến đổi thành nhiệt năng khi gặp các vật có thể hấp thụ và phát sinh nhiệt lượng

Tùy thuộc vào mức độ hấp thụ và phản xạ lại các tia bức xạ mặt trời của các vật thể cũng như giữ nhiệt của mỗi vật thể khác nhau Để giữ và tận dụng nguồn nhiệt lượng này, người ta chế tạo thiết bị đặc biệt để hấp thụ nhiều nhất và phản xạ ít nhất lượng nhiệt này nhằm các mục đích khác nhau, trong đó có việc cấp nước nóng

Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời trên nguyên lý chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành nhiệt năng (nước nóng) để phục vụ cho cuộc sống Sử dụng nước nóng bằng năng lượng mặt trời phá bỏ quan niệm sử dụng nước nóng mất tiền, tạo thói quen trong cuộc sống là yếu tố lâu dài giúp tang cường sức khỏe và nâng cao chất lượng cuộc sống hiện đại

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời

Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng mặt trời:

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý đối lưu nhiệt tự nhiên và hiện tượng hiệu ứng lồng kính, giúp biến đổi quang năng thành nhiệt năng và bẫy nhiệt lượng này Năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt thiết bị sẽ bị đun nóng nước, do quá trình đối lưu nhiệt, nước tại bình bảo ôn sẽ tăng lên, quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi nhiệt độ trong bình bằng nhiệt độ của nước tại thiết bị hấp thụ

Việc tạo ra nước nóng không phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường bên ngoài

mà phụ thuộc vào khả năng hấp thụ nhiệt của thiết bị năng lượng với các tia bức xạ ánh nắng mặt trời

Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động được không phụ thuộc vào các mùa trong năm mà phụ thuộc vào thời tiết, cứ có ánh nắng mặt trời là có nước nóng trong máy nước nóng năng lượng mặt trời Nhiều người do chưa hiểu rõ nguyên lý hoạt động của sản phẩm lại có quan niệm sai lầm và cho rằng: “Máy nước nóng năng lượng mặt trời chỉ hoạt động được mùa hè còn mùa đông không có tác dụng hoặc rất kém”

Đối với công nghiệp – khách sạn:

Khi có ánh sáng mặt trời, các tấm Collector sẽ hấp thu năng lượng làm nóng nước trong tấm Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa tấm Collector và bồn chứa năng lượng ở một khoảng nhiệt độ cài đặt, hệ thống điều khiển Solar BK sẽ cấp nguồn cho bơm hoạt động để chuyển lượng nước đã làm nóng về bồn chứa và chuyển nước lạnh lên tấm Collector để tiếp tục hấp thụ năng lượng Quá trình này diễn ra liên tục giúp nước trong bồn chứa nóng dần lên Nước nóng sau khi dự trữ ở bồn năng lượng

sẽ được chuyển qua bồn gia nhiệt trung gian trước khi cấp nước đến nơi sử dụng Tại bồn gia nhiệt trung gian, hệ thống điều khiển sẽ kiểm tra nhiệt độ yêu cầu Nếu nhiệt độ không đạt ngưỡng cài đặt, hệ thống gia nhiệt trung gian sử dụng điện (bơm nhiệt, điện trở), gas, dầu sẽ hoạt động để đáp ứng yêu cầu nhiệt độ

Ngoài ra, để đảm bảo nguồn nước cung cấp có áp lực mạnh và thời gian có nước nóng nhanh ở vị trí sử dụng Hệ thống Solar BK còn có thiết kế thêm hệ thống bơm tăng áp và bơm hồi được điều khiển tối ưu hóa hoạt động khép kín trong hệ thống đường ống nước nóng

2 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự và cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở nhiều nước năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm

1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được quan tâm Các nước công nghiệp phát

triển đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu

2.1 Pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết

bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu

có ánh sáng mặt trời đặc biệ là trong tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển rất nhanh, nhất là các nước phát triển Ngày nay con người

đã ứng dụng pin năng lượng mặt trời để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 1.13: Pin mặt trời Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao trung bình hiện nay khoảng 5USD/Wp nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng cho vùng sâu vùng xa nơi mà điện quốc gia chưa có Ở Việt Nam với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiệ thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục

vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa địa phương vùng sâu ,vùng xa nhất là vùng đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như nước ta

Hình 1.14: Hệ thống pin mặt trời

2.2 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.15: Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.16: Tháp năng lượng mặt trời Điện năng còn có thể được tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện Hiện nay trong các nhà máy điện có các bộ thu chủ yếu sau đây Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào

một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới

phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới 15000C

Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập

Hiện nay người ta còn dung năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp năng lượng mặt trời” Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lương mặt

trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng công suất năng suất 200MW

2.3 Thiết bị sấy khô dung năng lượng mặt trời

Hiện nay NLMT được dùng khá phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm… Nhằm giảm tỉ lệ hao hụt, tăng chất lượng sản phẩm ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn để sấy các loại vật liệu như gỗ

Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT

2.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các nước Châu Phi

Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến Năm

2000 Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới – Đại học Đà Nẵng

đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30000USD) đưa bếp năng lượng Mặt trời – Bếp tiên lợi (BTL) vào sử dụng các vùng nông thôn ở tỉnh Quãng Nam, Quãng Ngãi dự án đã phát triển rất tốt Và ngày được đông đảo nhân dân ủng hộ Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các

xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT

2.5 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Thiết bị chưng cất nước có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23

quả chưng cất kém hơn

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước dùng NLMT để chưng cất nước ngọt từ biển và cung cấp nước sạch cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước dùng NLMT có

gương phản xạ đạt hiệu suất cao tại Khoa Công Nghệ Nhiệt Điện Lạnh – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

2.6 Động cơ stirling chạy bằng NLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt – động cơ stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại Động cơ stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam như động cơ stirling, bơm nước dùng NLMT

Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT

2.7 Thiết bị đun nước nóng chạy bằng NLMT

Hình 1.21: Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới vì chúng mang lại hiệu quả khá hơn

Các hệ thống này đã tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng một số lượng đáng

kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng

lượng và bảo vệ môi trường chung của nhân loại Các thành phố lớn ở nước ta đã và đang sử dụng khá nhiều các hệ thống này

hoặc khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất sẽ thấp hơn

2.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hòa không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất đặc biệt là ở những vùng xa, hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển không

có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đọan hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao

Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi dù giá thành cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là

bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế

3 Tổng quan về bơm nhiệt (Heat pump)

3.1 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt

Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt giống như máy lạnh, các thiết bị trong hệ thống giống nhau Nhưng chúng có mục đích sử dụng hoàn toàn khác nhau Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt lấy nhiệt thải

ra ở dàn ngưng để phục vụ cho một quá trình công nghệ nào đó

Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt Phương trình cân bằng nhiệt:

N Q

Qk  o

Hệ số bơm nhiệt:

) 8 2 ( 

sử dụng bơm nhiệt thì năng lượng tiêu tốn cho máy nén với công suất N (kw), ta thu được từ 4 đến 5N (kw) lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ và lượng nhiệt này sẽ phục vụ cho các công nghệ CBTP, nên khả năng tiết kiệm năng lượng khi dùng bơm nhiệt là rất lớn

Nguồn nhiệt thu Qo có thể lấy từ không khí bên ngoài môi trường, từ sông, hồ, biển, lòng đất… hay nhiệt của các sản phẩm cháy

Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt trong CNCBTP: Sản xuất nước nóng, sấy, gia nhiệt trong các quá trình như chưng cất, cô đặc…

3.2 Đặc điểm cấu tạo của các thiết bị trong hệ thống bơm nhiệt

3.2.1 Máy nén

Máy nén chạy cho hệ thống bơm nhiệt giống như máy nén lạnh, nhưng yêu cầu môi trường làm việc khắc nghiệt hơn máy nén lạnh vì nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng

tụ của bơm nhiệt thường cao hơn máy lạnh

3.2.2 Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi

Giống như trong máy lạnh nhưng do điều kiện nhiệt độ làm việc cao hơn nên áp suất trong thiết bị lớn hơn Do vậy thiết bị yêu cầu phải dày hơn Ta có thể sử dụng các thiết bị trong điều hòa không khí

3.2.3 Van tiết lưu

Van tiết lưu làm việc ở nhiệt độ cao hơn, hiện nay một số hãng sản xuất thiết bị

tự động đã nghiên cứu chế tạo các loại van tiết lưu cho các môi chất freon với nhiệt

độ lên tới 20 C

3.3 Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt

3.3.1 Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất

Bơm nhiệt thường được sử dụng để cấp nước nóng với quy mô lớn vì nó tiết kiệm điện năng và đạt hiệu suất cao

Hình 1.24: Ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng