Thiết kế chế tạo hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

Giá trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp không khí ở gần vùng bề mặt trái đất, đồng thời phụ thuộc vào số lượng và độ cao của các đám mây trên bầu trởi.Thông thường cường độ bức xạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ II

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : ThS LÊ LĂNG VÂN.

SINH VIÊN THỰC HIỆN : PHẠM THANH Ý LỚP : CƠ ĐIỆN TỬ.

KHÓA : 47.

Lời nói đầu

Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho đời sống của con người từ lâu chỉ là đối tượng để nghiên cứu của các nhà khoa học.Những hiệp định hợp tác khoahọc và kỹ thuật giữa các quốc

tài nguyên năng lượng và sản xuất năng lượng có nguy cơ cạn kiệt các nguyên liệu

dự trữ tồn tại một cách khách quan bắt buộc người ta phải tìm trước một nguồn năng lượng mới có công suất đủ lớn cho nhu cầu phát triển của xã hội loài người, trên thế giới đã được ký kết làm biến các niềm mong ước , mục đích sử dụng năng lượng này đang là vấn đề cấp bách

Việc khủng hoảng về năng lượng 1973 đã đặt ra cho thế giới nhận thấy rằng dự trữ về nhiên liệu hóa thạch mà đặc trưng là dầu mỏ không phải là vô hạn.Tất nhiên các nguyên nhân trực tiếp của cuộc khủng hoảng năng lượng này là mang nặng về tính chất chính trị và kinh tế

Ngoài ra trong những năm gần đây sự báo động đỏ về vấn đề môi trường trên thếgiới đang đặt ra một yêu cầu bức bách của sự phát triển công nghiệp đã phát vỡ môi trường cân bằng sinh thái tự nhiên.Các nguồn năng lượng, sử dụng nhiên liệu hiện nay không chỉ gây ô nhiễm bầu không khí, các nơi chứa nước thải độc hại sông ngòi biển cả mà còn gây ô nhiễm nhiệt “lỗ hổng tầng ozon của bầu khí

quyển”cho trái đất Do đó một nguồn năng lượng mới thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch và đảm bảo cho nhu cầu năng lượng trong tương lai không chỉ cần công suất đủ lớn mà cần phải sạch

Qua vấn đề được đặc ra ở trên với đà phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì hai nguồn năng lượng được chú ý đến là:nguyên tử năng và năng lượng mặttrời

Nhưng nguồn năng lượng nguyên tử như ta đã biết vụ nổ Trec-nô-bưn đã gây một thảm họa vô cùng to lớn cho con người.Thêm vào đó Viện sĩ N.N.SEMENOV

đã nói : “Tất cả các dạng năng lượng điều biến đổi ra nhiệt năng khi sử dụng, khi nào mức sản xuất năng lượng ≥ 5% bức xạ mặt trời đến trái đất (ước tính của các nhà khoa học lượng bức xạ mặt trời đến trái đất là 795x1015 kWh/a ) thì nó sẽ dẫn

đến những biến đổi không thuận lợi cho sự cân bằng nhiệt và khí hậu trên quả đất của chúng ta”.

Trái đất chúng ta sẽ tồn tại khi giải quyết được 3 vấn đề cơ bản đó là:

 Đảm bảo lương thực

 Năng lượng đảm bảo cung cấp đầy đủ cho con người

 Bảo vệ được các điền kiện thiên nhiên thuận lợi cho cuộc sống con người Một trong 3 vấn đề cơ bản đó, năng lượng mặt trời được các nhà khoa học gắn chặtvào để mà giải quyết

Chúng ta cùng nhau thấy rõ rằng không có gì có thể thay thế bức xạ mặt trời, một nguồn năng lượng cho các phản ứng quan hợp (quá trình cơ bản của tự nhiên)

để sản xuất ra các chất hữu cơ trong đó là thực phẫm Năng lượng mặt trời hoàn toàn có khả năng thỏa mản các nhu cầu năng lượng của con người trong tương lai

và cuối cùng năng lượng mặt trời là một loại năng lượng đặc biệt “sạch” việc sử dụng nó không dẫn đến việc ô nhiễm môi trường xung quanh và phá vỡ cân bằng nhiệt của hành tinh chúng ta

Việc nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn.Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta vẫn còn thấp.Trên cơ sở vấn đề bức xúc đó thì đề tài nghiên cứu này xin góp một phần công sức nhỏ của bản thân vào sự phát triển các nguồn năng lượng nói riêng và sự nghiệp phát triển chung củađất nước

Chương I : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Ở VIỆT NAM

1.1.Tổng quan về năng lượng mặt trời

một lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê,carbon, neon, canxi, và crom.

Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các

nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnhthoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử Dựatrên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định đượcrằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất Nguyên tố phổbiến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydro Vật chất của mặt trời bao gồmchừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác Nguồnnăng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạtnhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli Hạt nhân của Hydro có mộthạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩynhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng cóthể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tácdụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2neutrino và một lượng bức xạ γ

4H => He + 2 Neutrino + γ

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham giavào các “biến cố” sau đó Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vậtchất của mặt trời bị mất đi Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn khôngthay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồnnăng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024Kwh (tức là chưa đầy một phần

BỨC XẠ MẶT TRỜI BỨC XẠ KHÍ QUYỂN

triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng sốđiện năng sản xuất trong một năm trên Trái Đất)

1.1.2 Bức xạ mặt trời

1.1.2.1.Bản chất của bức xạ mặt mặt trời và bức xạ khí quyển:

Bức xạ mặt trời là bức xạ điện từ do bề mặt nóng sáng của mặt trời chiếu lên

các tấm hấp thu bức xạ mặt trời đặt trên bề mặt của trái đất Bức xạ mặt trời baogồm bức xa tử ngoại (tia cực tím) , tia sáng thường, và vùng hồng ngoại gần Bêncạnh bức xạ mặt trời mặt đất còn nhận bức xạ khí quyển, đó là bức xạ nhiệt do bầukhí quyển phát ra trong vùng hồng ngoại xa của phổ điện từ

Dựa vào quan hệ giữa bước sóng của bức xạ ánh sáng thường và bức xạ tiacực tím người ta thường gọi bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn, còn bức xạ khíquyển là bức xạ sóng dài Bức xạ mặt trời thường có bước sóng nằm trong khoảng0,3µm đến 3µm , bức xạ khí quyển có bước sóng nằm trong khoảng 5µm đến50µm Do vậy, trong thực tế hai dãy bước sóng này sẽ không trùng nhau

Bên cạnh bức xạ mặt trời và bức xạ khí quyển đến từ bầu trời, một tấm hấp thụ bức xạ còn có thể nhận bức xạ từ các vật thể khác trên mặt đất phát ra, khi ta đặt các tấm hấp thụ gần các vật thể ấy Bức xạ loại này gồm các sóng bước dài do bản thân các vật thể này phát ra, và bức xạ sóng ngắn thì chúng phản chiếu lại ánh sáng mặt trời chiếu đến chúng Các bức xạ này rất khó tính toán theo lý thuyết, trong thực tế chúng ta thường bỏ qua vi chúng không quan trọng lắm.

Bức xạ mặt chiếu đến bề mặt của trái đất có thế chia thành hai loại: trực xạ (tia) đến trực tiếp từ mặt trời, và tán xạ đến từ phần còn lại của bầu trời Trực xạ là bức xạ có khả năng tạo bóng và có thể tập trung được bằng các hệ thống quang học Tán xạ không thể tạo ra bóng và cũng không thể tập trung được

Tổng cường độ của trực xạ chiếu lên một bề mặt nằm ngang hướng lên được gọi là cường độ bức xạ của mặt trời Nếu ta gọi Ib là cường độ tia, θ là góc chiếu của tia sáng mặt trời chiếu lên một bề mặt ngang( góc giữa tia và phương thẳng đứng ), Id là cường độ tán xạ , thì cường độ bức xạ của mặt trời được tính bằng công thức : Ig = Ibcosθ + Id

Bức xạ của khí quyển chỉ là khuyếch tán, đo bằng bức xạ sóng dài chiếu lên một bề mặt nằm ngang hướng lên Nó được gọi là cường độ bức xạ khí quyển Giá trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp không khí ở gần vùng bề mặt trái đất, đồng thời phụ thuộc vào số lượng và độ cao của các đám mây trên bầu trởi.Thông thường cường độ bức xạ khí quyển bằng với cường độ của môt vật thể đen ở nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ của lớp không khí ở gần bề măt trái đất vài oC Trong khoảngnhiệt độ từ 10oC đến 30oC thì cường độ bức xạ khí quyển có giá trị nằm trong khoảng từ 300W/m2 đến 450W/m2

Tổng dòng năng lượng bức xạ sóng ngắn và sóng dài chiếu xuống một bề mặtnằm ngang hướng lên được gọi là tổng cường độ bức xạ.Nếu gọi Ia là cường độ bức xạ của khí quyển, thì tổng cường độ bức xạ được tính là Ig+Ia

1.1.2.2 Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời:

Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời gồm có sự tán xạ, hấp thụ, và

phản xạ Sự tán xạ tia mặt trời được tạo ra chủ yếu là do các phân tử khí và hơi nước, các giọt nước nhỏ, và các hạt bụi Quá trình này làm khoảng 6% bức xạ chiếu tới bị mất vào không gian, và khoảng 20% bức xạ chiếu tới được mặt trái đấtdưới dạng tán xạ

Các phân tử khí tán xạ ánh sáng mặt trời với một mức độ tỷ lệ với λ-4 , với λ

là bước sóng của bức xạ Chúng được gọi là tán xạ Reyleigh; sự phân tán này rất quan trọng đối với các phần tử có đường kính nhỏ hơn λ / 10 Ảnh hưởng này của bước sóng thể hiện qua màu xanh của bầu trời khi trời quang và màu đỏ khi mặt trời lặn Bầu trời trở nên xanh vì khi đó ánh sáng xanh có bước sóng ngắn được phân tán mạnh hơn là ánh sáng đỏ có bước sóng dài Màu đỏ xuất hiện trên bầu trời khi mặt trời lặn bởi vì hầu hết ánh sáng màu xanh đã bị phân tán khỏi tia nắng

Sự phân tán ánh sáng mặt trời từ những phần tử lớn hơn có kích thước đường kính khoảng 25λ trở lên thì không phụ thuộc vào bước sóng Kết quả là ánh sáng mặt

trời được phân tán bởi các giọt nước trong những đám mây, sương mù và những hạt bụi đều có màu trắng.

Sự hấp thụ bức xạ mặt trời chủ yếu là do các phần tử khí ozon và hơi nước (hình 1.3) Sự hấp thụ ở ozon xảy ra ở tầng khí quyển, ở độ cao trên 40km Sóng

bị hấp thụ mạnh chủ yếu ở vùng tia cực tím của quang phổ ,vì vậy các bước sóng nhỏ hơn 0.3µm ít khi đến mặt đất Có khoảng 3% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bằng cách này

Ở tầng thấp hơn của khí quyển, có khoảng 14% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởihơi nước,chủ yếu xảy ra ở vùng tia hồng ngoại của quang phổ Các đám mây hấp thụ một lượng rất nhỏ bức xạ mặt trời, điều đó giải thích tại sao chúng không bay hơi dưới ánh nắng Ảnh hưởng của đám mây đến bức xạ mặt trời chủ yếu là tán xạ

Sự phản xạ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào bản chất của bề mặt phản xạ Phân

số của cường độ bức xạ của mặt trời phản xạ từ các bề mặt trên trái đất được gọi là

suất phản chiếu của bề mặt Tổng suất phản chiếu, bao gồm tất cả các bước sóng

gần như trùng với suất phản chiếu nhìn thấy được của quang phổ Bảng:1.1 dưới

đây là các suất phản chiếu tiêu biểu của một số bề mặt khi mặt trời ở vị trí đỉnh đầu Khi mặt trời ở vị trí thấp hơn trên bầu trời( khi góc chiếu đỉnh θz lớn) suất phảnchiếu của mặt nước sẽ có giá trị lớn hơn trong bảng Suất phản chiếu của các đám mây phụ thuộc váo độ dày cùa chúng

Cường độ bức xạ mặt trời thông thường sẽ bị giảm khi trời có mây, nhưngnếu mặt trời đang chiếu vào một vùng nào đó trong bầu trời mà lại có các đám mâysáng ở gần bên, thì cường độ bức xạ mặt trời sẽ có giá trị lớn hơn so với khi trờiquang

Các biến đổi do địa lý, mùa, thiên văn của bức xạ mặt trời đối với bề mặt tráiđất được kiểm soát thông qua các tác động của đám mây theo sự di chuyển của mặttrời Kết quả là các nghiên cứu về những biến đổi có liên hệ mật thiết đến nhữngnghiên cứu về thời tiết, và có rất nhiều trạm quan sát khí tượng đã được xây dựngnên để có thể có những dự báo đầy đủ về chúng

1.1.2.3 Bức xạ mặt trời khi trời quang;

Đây có thể xem là phần trình bày một cách đơn giản bức xa mặt trời xãy ra

trên bề mặt trái đất ở khu vực nhiệt đấy châu Á

Các thông số chính ảnh hưởng đến cường độ bức xạ mặt trời là góc chiếu đỉnh

θz của mặt trời ,lượng hơi nước chứa trong khí quyển w, và hệ số vẫn đục củakhông khí B

Lượng hơi nước chứa trong khí quyển w chính là lượng nước kết tủa được đobằng cm Để xác định chính xác lượng nước w cần phải có số liệu về lớp không khíbên trên Nếu những số liệu này không có sẵn, ta có thể dự đoán tương đương quacông thức

w = 0.18e Trong đó, e là áp suất hơi nước trong khí quyển trên bề mặt trái đất và đo bằngmilibars Ở vùng nhiệt đới ẩm và khô, w dao động từ 2cm vào mùa khô đến 5cm hoặc hơn vào mùa mưa

Hệ số vẫn đục không khí B bẳng 0 khi bầu khí quyển không có bụi , và giá trị của nó sẽ tăng lên khi không khí bị vẫn đục Giá trị của B được xác định trực triếp thông qua việc đo cường độ tia trực xạ trong các dãy khác nhau của quang phổ nhờcác lọc sắc Ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm và khô B dao động từ gần 0 vào mùa mưa đến 0,2 vào mùa khô Nếu có khói trong không khí thì giá trị của B có thể lớn hơn Thường B được tính theo công thức

B = 0.25 – 0.17V Trong đó V là tầm nhìn xa đo bằng km Giá trị dự đoán của B chính xác đến ± 0.02

Các giá trị của cường độ tia trực xạ Ib theo mức mức nước biển được đưa ra

trong bảng:1.2 dựa theo các giá trị của lượng hơi nước chứa trong khí quyển w,

góc chiếu đỉnh θ của mặt trời, và hệ số vẫn đục B Các hiệu chỉnh nhỏ do sự biến đổi lượng ozon trong khí quyển và sự biến đổi áp suất không khí ở bề mặt được bỏ qua Các giá trị của cường độ tia trực xạ cho trong khi được tính ở các ngọn núi

Ib(kW/m2)W(cm) Góc chiếu đỉnhn θ

Bảng 1.2: Cường độ tia cực xạ ở mức nước biển

Cường độ bức xạ tán xạ được xác định chủ yếu dựa vào góc chiếu đỉnh θ, hệ số

vẫn đục B, và suất phản chiếu của mặt đất tại từng vị trí Bảng 1.3 cho biết giá trị

của cường độ tán xạ Id dựa vào các giá trị của θ và B khi suất phản chiếu ở mặt đất

là 0.25 Đối với các giá trị suất phản chiếu 0.1, 0.2, và 0.3, ta nhân giá trị Id chotrong bảng tương ứng với các thông số hiệu chỉnh 0.90, 0.96 và 1.04

vùng nhiệt đới vào ngày 15 của các tháng 3,6,9 và 12 Giá trị trong bảng được áp dụng với lượng hơi nước cho trước là w = 0.2cm và hệ số vẫn đục B = 0 Khi lượng hơi nước w = 5 cm, ta lấy giá trị trong bảng nhân với hệ số hiệu chỉnh 0.93 ;còn khi hệ số vẫn đục B = 0.1 ,và 0.2, ta lấy giá trị bảng nhân với hệ số tương ứng 0.90 và 0.84

Năng lượng bức xạ mặt trời hằng ngày (MJ/m2)

Bảng1.4: năng lượng bức xạ mặt trời hằng ngày khi trời quang

1.1.2.4 Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng

Bức xạ mặt trời luôn phụ thuộc vào góc tới của nó đối với mặt phẳng hứng bức xạ Mà thực tế thì độ nghiêng của mặt phẳng hứng bức xạ và vị trí của mặt trời so với nó luôn thay đổi Đa số các thiết bị thu năng lượng mặt trời được đặt nghiêng một góc nào đó, còn các số liệu cho sổ tay bức xạ nhận trên mặt phẳngnằm ngang Vì vậy cần thiết phải tính toán dòng năng lượng tới trên mặt phẳng nghiêng từ các số liệu thu được trên mặt phẳng nằm ngang

N’ ;pháp tuyến mặt nghiêng N :pháp tuyến mặt cắt ngang

1.1.2.5 Năng lượng tia bức xạ và trực xạ

Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới mặt nghiêng và dòng năng lượng trực xạ

tới mặt phẳng ngang được gọi là “ hệ số nghiêng “ đối với tia bức xạ , được ký

hiệu bằng rb

Đối với trường hợp mặt nghiêng hướng nam ( γ = 0 ), ta có:

cosθ = sinδ sin(φ – β) + cosδ.cosω.cos(φ – β) (1.1) Đối với mặt phẳng ngang (β = 0) ,hướng nam, θ = θz nên:

cosθz = sinδ sinφ + cosδ cosɷ cosφ (1.2)

⟹ r b= cosθθ

cosθ z=

sθinδδ sin ⁡(φ−β) sθinδφsθinδδ +cosθφcosθδcosθɷ(1.3)

Trong đó :

 θ vĩ độ hay vĩ tuyến của địa điểm quan sát ở bắc hoặc nam bán cầu

 δ góc lệch là góc giữa tia mặt trời và mặt phẳng xích đạo, xác định ngày quan sát:

δ (đo bằng độ) = 23.45sin[360365(284 +nδ)] (1.4) Trong đó n là số ngày của năm

 Góc azimuth γ (Az) là góc lệch khỏi hướng nam của tia mặt trời trên mặt phẳng ngang

 θz góc Zenith , góc của tia mặt trời và pháp tuyến của mặt phẳng ngang (mặtđất) tại vị trí quan sát, xác định thời gian quan sát

 α góc độ cao mặt trời

 β góc nghiêng

 θh là góc tới của mặt nằm ngang

 θi là góc tới của tia trực xạ trên mặt phẳng nghiêng

 AZS là góc lệch Azimuth của mặt phẳng nghiêng đang xét, đó là góc giữa hướng nam và hình chiếu pháp tuyến của mặt phẳng nghiêng trên mặt phẳngngang Quy ước góc AZS>0

Khi mặt nghiêng lệch về hướng đông, và AZS < 0 khi mặt phẳng nghiêng

lệch về hướng tây (hình 1.4)

1.1.2.6 Năng lượng tia bức xạ nhiễu xạ

Hệ số nghiêng rd đối với bức xạ nhiễu xạ là tỷ số của dòng năng lượng

nhiễu xạ tới trên mặt nghiêng và tới trên mặt ngang Giá trị rd này phụ thuộc vào sự

phân bố bức xạ nhiễu xạ trên bầu trời và trên phần bầu trời mà mặt nghiêng thu

bức xạ Nếu giả thuyết bức xạ nhiễu xạ là đẳng hướng, ta có thừa số nghiêng rd xác

định bằng công thức :

r d= 1

2(1+cosθβ )(1.5)

Ở đây là góc nghiêng của mặt nghiêng đối với mặt ngang

1.1.2.7.Năng lượng tia bức xạ phản xạ

Bức xạ phản xạ là thành phần bức xạ tới mặt quan sát do phản xạ từ mặt nền

xung quang mặt quang sát và hệ số phản xạ bằng ρ, thì hệ số nghiêng đối với bức

xạ phản xạ sẽ là

r r=ρ(1−cosθβ2 )(1.6)

1.1.2.8 Năng lượng mặt trời tới mặt nghiêng

Gọi IT là tổng các thành phần bức xạ tới trên mặt nghiêng, thì:

IT = Ibrb + Idrd + (Ib + Id)rr (1.7) Trong đó : Ib,Id là các mật độ dòng năng lượng mặt trời ứng với các thành phần

trực xạ và nhiễu xạ đo được trên mặt nằm ngang

Cần chú ý rằng phương trình (1.3) chỉ đúng với mặt hướng nam (γ =0) ,còn các

phương trình (1.5), (1.6) là đúng với mặt nghiêng bất kỳ có góc nghiêng Gọi Ig là

tổng xạ trên mặt ngang, Ig=Ib+Id , thì (1.7) ta có :

I T

I g=(1−I d

I g)r b+I d

I g r d+r r( 1.8)

Khi ứng dụng phương trình (1.7) ta cần biết hệ số phản xạ ρ ,mà trong nhiều

trường hợp là không đo được Vì vậy người ta thường thừa nhận giá trị ρ = 0.2 để tính toán May mắn là thành phần phản xạ chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong tổng IT ,nên sai số không đáng kể

1.1.3.Năng lượng mặt trời ở Việt nam

1.1.3.1 Cường độ bức xạ

Theo kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước mang mả 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 liên tục trong khoảngthời gian 18 đến 29 năm, mỗi ngày tiến hành 5 lần 2 quan trắc vào các giờ 6h30; 9h30; 12h30; 15h30 và 18h30

 Giá trị cường độ tổng xạ trung bình ngày được tính theo công thức

 Q d - lượng tổng xạ cả ngày trung bình

 Q i - cường độ tổng xạ trung bình ở ký quan trắc đầu có giá trị Q > 0

 Q k - cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q > 0

 moc – khoảng thời gian giữa lúc mặt trời mọc và kỳ quan trắc đầu có

 S i – diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i

 Q i– cường độ bức xạ trung bình trong nhiều năm tại trạm quan trắc thứ i

3 Thừa thiên-Huế , ven biển từ Đà nẳng tới

Phú yên, Kom tum, Gia lai, các tỉnh miềnđông nam bộ, TPHCM, các tỉnh đồng bằng

sông cửu long

4 Đắk lak , Lâm đồng, khánh hòa, Ninh

thuận, Bình thuận, Bá rịa vũng tàu

Bảng1.5: Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm

Qua bảng 1.5 ta thấy cường độ bức xạ trung bình ở khu vực 4 là có giá trị lớn

nhất, và khu vực 1 có giá trị nhỏ nhất Càng đi vào phía nam thì cường độ bức xạ trung bình càng cao Do đó khả năng ứng dụng các thiết bị năng lượng mặt trời ở phía nam đạt hiệu quả cao hơn ở khu vực phía bắc ở nước ta

1.1.3.2 Số trời nắng trong cả năm:

Số trời nắng được đo bằng nhật quang ký cambell-Stocker, trong đó có một

số ít trạm dùng nhật quan ký Jordan, nhưng sự khác nhau giữa hai loại này là

không đáng kể Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ (CĐBX) có giá trị Q

≥ 140 W/m2, đã để lại vết cháy trên bảng đồ Dựa vào số liệu đo được của 112 trạm để tính số giờ nắng trung bình trong vùng lãnh thổ Số trung bình cả năm của các vùng lãnh thổ trong bảng và công thức sau:

khu IV cũ (đến Hà tĩnh)Quảng bình ,Quảng trị, vùng núi Thừa thiên-HuếVùng ven biển từ Quảng trị , Thừa thiên-Huế đến Ninh

thuậnPhan thiết (Bình thuận)Kon tum, Gia lai, đắk lak , Lâm đồngĐông nam bộ, TPHCM, đồng bằng sông cửu long

1.9301.4251.631

1.8182.2942.9612.4312.411

 T – Số giờ nẳng trung bình trong cả năm (h/N)

 Si – diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ I (km2)

 Ti – tổng số giờ nắng trung bình trong nhiều năm tại trạm đo thứ I (h/n)

i

S i – tổng diện tích của nhóm địa phương hoặc tất cả các địa phương trong toàn quốc (theo số liệu thống kê năm 19898)

1.1.4 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 năng lượng mặt

trời đều sử dụng kính làm vật liệu che phủ bề mặt bộ thu vì tính quan học ưu việt của nó.

1.1.4.1 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 không khí nào đó, ví dụ CO2 hoặc NO2 Giải thích hiện tượng hiệu ứng lồng kính như sau : Tấm kính hoặc lớp không khí có độ trong đơn sắc Dλ giảm dần khi bước sóng λ tăng Còn bước sóng λm khi cường độ bức xạ đơn sắc 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 T0 = 5762K, có năng lượng tập trung quanh sóng λm0 = 0.5μm, sẽ xuyên qua kính hoàn toàn , vì D(λm, sẽ xuyên qua kính hoàn toàn , vì D(λm0) ≈ 1 Bức xạ thứ cấp, phát từ vật thu có nhiệt độ thấp, khoảng T ≤ 400K, có năng lượng tập trung quanh sóng λm = 8 μm, sẽ xuyên qua kính hoàn toàn , vì D(λm, 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 dưới tấm kính làm nhiệt độ tại đó tăng lên

Eλ

D1

λ

0

Hình 1.5; Hiệu ứng lồng kính

1.1.4.2.Sự phàn xạ của bức xạ mặt trời:

Đối với các bề mặt nhẵn, biểu thức Fresnel của độ phản xạ bức xạ qua môi trường

thứ nhất có độ khúc xạ (chiết suất ) n1 đến môi trường thứ 2 có chiết suất n2 là:

2 (1 14)là phảnδ xạ trunδg bìnδhcùa haithànδh phầnδ ⫽ và⊥

Ei ,Er, tương ứng cường độ bức xạ tới, cường độ bức xạ phản xạ

Các góc 𝜃1, 𝜃2 là góc tới và góc khúc xạ (hình 1.6) có quan hệ với độ khúc xạ theo đinh luật Snell

nδ1

nδ2=

sin θ1sin θ2(1.15)

Như vậy nếu biết các đại lượng 𝜃1, 𝜃2 và chiết suất của môi trường n1 ,n2 ta có thể xác định được độ phản xạ r của bề mặt

Đối với tai bức xạ tới vuông góc 𝜃1,𝜃2 = 0 và các phương trình trên có thể kết hợp:

bề mặt ngăn cách của mỗi lớp vật liệu phủ gây ra tổn thất phản xạ Nếu bỏ qua nhiệt lượng hấp thụ của lớp vật liệu này và xét tại thời điểm mà chỉ có thành phẩn vuông góc với của bức xạ tới (hình 1.7) thì đại lượng (1 - r⊥) của tia bức xạ tới sẽ tới được bề mặt thứ hai , trong đó (1−r ⊥)2 đi qua bề mặt ngăn cách và r⊥(1 - r⊥) bị phản xạ trởi lại bề mặt phân cách thứ nhất v.v… Cộng tất cả các thành phần được truyền qua thì hệ số truyền qua của thành phần vuông góc:

d ⊥=(1−r ⊥)2∑r ⊥ 2 nδ=(1−r ⊥)2

1−r ⊥ =

1−r ⊥ 1+r ⊥(1.18)

Đối với các thành phần song song cũng có kết quả tương tự và hệ số truyền qua trung bình của cả hai thành phần:

d r= 1

2(1−r 1+r +

1−r ⊥ 1+r ⊥)( 1.19)

Nếu bộ thu có N lớp vật liệu phủ trong suốt như nhau thì:

d rN= 1

2(1+(2 N −1)r 1−r +

1−r ⊥ 1+(2 N −1)r ⊥)(1.20 )

Sự hấp thụ bức xạ trong vật liệu không trong suốt được xác định bởi định

luật bougure dựa trên giả thiết là sự bức xạ bị hấp thụ tỷ lệ với cường độ bức xạ qua vật liệu và khoảng cách x mà bức xạ đi qua : dE = - Ekdx với K là hằng số tỷ

lệ lấy tích phân dọc theo đường đi của tia bức xạ trong vật liệu từ 0 đến δ/cos𝛉2

(với δ là chiều dày của lớp vật liệu) ta có hệ số truyền qua của vật liệu khi có hấp thụ bức xạ:

D a=Q d

Q i=exp(cosθ−Kδδ2)(1.21)

Trong đó : Qd là cường độ bức xạ truyền qua lớp vật liệu

Đối với kính: K có giá trị xấp xỉ 4m-1 đối với loại kính có cạnh màu trắng bạc và xấp xỉ 32m-1 đối với loại kính có cạnh màu xanh lục

1.1.4.4 Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của kính:

Hệ số truyền qua, hệ số phản xạ và hệ số hấp thụ của một lớp vật liệu có thể được xác định như sau:

Đối với thành phần vuông góc của bức xạ:

Đối với bộ thu năng lượng mặt trời thực tế, Da thường lớn hơn 0.9 và

r ≈ 0.1 Vì vậy phương trình trên có giá trị D⊥ ≈ 1 (tương đương D⫽ ≈ 1)

1.1.4.5 Hệ số truyền qua đối với bức xạ khuếch tán

Do bức xạ khuếch là vô hướng nên về nguyên tắc lượng bức xạ này truyềnqua kính có thể xác định bằng cách tích phân dòng bức xạ theo tất cả các góc tới Tuy nhiên do sự phân bố góc của bức xạ khuếch tán nói chung không thể xác định được nên khó xác định biểu thức tính tích phân này Nếu bức xạ khuếch tán đến không phù thuộc vào góc tới thì có thể tính toán đơn giản hóa bằng các định nghĩa một góc tương đương đối với bức xạ có cùng hệ số truyền qua như bức xạ khuếch tán đẳng hướng

 Đối với bức xạ phản xạ từ mặt đất:

𝛉hq = 90 – 0.5788β + 0.002693β2 (1.25)

 Đối với bức xạ khuếch tán:

𝛉hq = 59.7 – 0.1388β +0.001497β2 (1.26)

1.1.4.6 Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ(DA)

Tích số DA của hệ số qua và hệ số hấp thụ được xem như ký hiệu biễu diễn tích chất của 1 tổ hợp bộ thu và kính (DA) Trong đó số bức xạ truyền qua kính và tới bề mặt thu, một phần lại bị phản xạ trở lại hệ thống kính.Tuy nhiên, không phải tất cả lượng bức xạ này mất đi mà một phần lớn trong số đó lại được phản xạ bộ thu nhờ hiệu ứng lồng kính và A là hệ số hấp thụ của bề mặt thu

Hình 1.8: Quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của bộ thu kiểu lồng kính

Đại lượng Rd là hệ số phản xạ của hệ thống kính đối với bức xạ khuếch tán

từ bề thu và có thể xác định từ phương trình Rd = Da(1-Dr) = Da – D như độ chênh lệch giữa Da và D ở góc tới 600 Nếu hệ thống kính có hai lớp (hay nhiều lớp) thì

Rd sẽ hơi khác so với độ phản xạ khuếch tán của bức xạ tới Sự phản xạ nhiều lần đối với bức xạ khuếch tán sẽ tiếp tục để phần năng lượng tới được hấp thụ có trị số:

Nói khác đi, sẽ có (DA) phần năng lượng bức xạ truyền tới bề mặt bộ thu Trong thưc tế A khá lớn và Rd khá nhỏ nên một cách gần đúng người ta xác định:

Hình 1.9 Đường cong (DA)/(DA) n của bộ thu có 1,2,3,4 lớp kính

1.1.4.7 Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ được của bộ thu:

Năng lượng bức xạ của mặt trời được bộ thu hấp thụ gồm 3 phần chính : trực

xạ, tán xạ, phản xạ của mặt đất Với bộ thu đặc nghiêng một góc β ta có tổng bức

xạ mặt trời hấp thụ của bộ thu như sau :

1.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam

1.2.1 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Hình 1.10 Máy nước nóng năng lượng mặt trời

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng đểđun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ởnhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang đượcứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng Các hệ thống

này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rấtlớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệmôi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nuớc nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng nhưtrên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánhnhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%,còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp

1.2.2 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời:

Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấycác sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chấtlượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng

để sấy các loại vật liệu như gỗ

Hình 1.11 Thiết bị sấy khô năng lượng mặt trời

1.2.3 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT:

Hình 1.12 Hệ thống sản xuất nước đá

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí làứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnhlớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triểnkhông có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bìnhcủa người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thànhđiện năng nhờ pin mặt trời là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giáthành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụngNLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ

Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thunăng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụngtrong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệtcho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phảirộng

1.2.5 Bếp nấu dung NLMT:

Hình1.14: Bếp nấu dùng NLMT

Ở Việt Nam bếp NLMT cũng đã được ứng dụng khá phổ biến.Năm 2000,trungtâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới-Đại học Đà Nẵng đã phối hợpvới các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án đưa bếp NLMT vào sử dụng ởvùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam,Qảng Ngãi,dự án đã phát triển tốt và ngàycàng được đông đảo người dân ủng hộ

1.2.5.1 Bếp hình hộp:

Có nhiệt độ khoảng 1500C được chế tạo từ các vật liệu rẻ tiển như các tấmcactông cách nhiệt bằng các loại giấy báo, vài vụn, trấu Bên trong hộp dán cácmặt phản xạ chủ yếu là giấy nhôm cán mỏng

Hình 1.15: Bếp hình hộp

1.2.5.2 Bếp 2 lớp nồi:

Bếp gồm hai lớp nồi, nồi phía trong màu đậm để hút sức nóng mặt trời, lớp vỏngoài để cho nắng rọi vào và giữ lại sức nóng không cho thoát đi Đáy nồi phíatrong bầu, nên nắng cũng soi vào được Nắp nồi trong, người ta có thể quan sátthức ăn trong khi nấu

Hình1.16: Bếp 2 lớp nồi

Hình1.19: Bơm nước dùng NLMT

1.2.7 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Hình 1.20: chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT: Thiết bị chưng cất nước thường có 2loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn

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

có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

lạnh-Chương II : THIẾT KẾ CHUNG VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Sơ lược về hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời:

Đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời là ứng dụng phổ biến nhất về nănglượng mặt trời ở Việt Nam Hệ thống đun nước nóng năng lượng mặt trời là mộtthiết bị làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời, hoàn toàn không tiêu thụ điện

Hệ thống bao gồm: bộ phận hấp thụ bức xạ mặt trời (được gọi là Bộ thu nhiệt) , bộphận dự trữ nước nóng ( Bình chứa), và phụ kiện đi kém (các van, ống nối dẫnnước và phần khung giá đỡ)

Hình 2.1: Hệ thống đun nước nóng bằng NLMT.

Với Bộ thu nhiệt, trước đây phổ biến là loại bộ thu nhiệt phẳng làm bằng kimloại (dạng ống cánh với ống bằng đồng và cánh bằng đồng hoặc nhôm) Loại này

có hiệu suất cao, độ bền cơ học cao, nhưng dễ bị ăn mòn nếu nước bị nhiễm phèn,mặn, thất thoát nhiệt cao hơn loại ống chân không Đồng thời chế tạo loại này cũngtốn kém do phải sử dụng kim loại đồng là chủ yếu

Gần đây, loại bộ thu nhiệt phẳng bằng nhựa và loại bộ thu nhiệt sử dụng ốngthủy tinh 2 lớp rút chân không khá phổ biến Loại bộ thu nhiệt phẳng bằng nhựa có

ưu điểm: thi công lắp đặt dễ dàng, ít xảy ra khả năng rò rỉ nước, tuổi thọ rất cao,không đòi hỏi chất lượng nguồn nước cấp vào tốt, dễ dàng vệ sinh trong trườnghợp bộ thu nhiệt đóng cặn bẩn, phù hợp sử dụng để cung cấp nước nóng ở quy môcông nghiệp Tuy nhiên hiệu suất và nhiệt độ nước nóng không cao bằng dạngphẳng ống cánh và dạng ống chân không; thất thoát nhiệt tương đương loại phẳngống cánh và cao hơn loại ống chân không; giá thành tương đối cao Loại ống thủytinh chân không có ưu điểm là hiệu suất cao, không bị ảnh hưởng hóa học củanước, tuổi thọ tương đối cao nếu sử dụng đúng cách Tuy nhiên nó cũng có nhượcđiểm là giá cả còn cao, khó lắp đặt, khó bảo trì khi bị đóng cặn và nếu nước khôngđược cung cấp đầy đủ thì dễ bị phá hủy do sốc nhiệt

Nguyên lý hoạt động:

Bộ thu nhiệt là bộ phận hấp thụ nhiệt từ năng lượng mặt trời và truyền chonước nằm bên trong nó Nhờ quá trình đối lưu nhiệt, nước nóng sẽ di chuyển lênphía trên rồi đi vào bình chứa Nước có nhiệt độ thấp hơn ở phía dưới bình chứa sẽtheo ống xuống và chảy vào phía dưới của bộ thu nhiệt Phần nước này lại đượcnhận nhiệt từ bộ thu nhiệt và nóng lên Quá trình cứ thế diễn ra làm cho lượngnước nóng trong bình chứa tăng dần lên, cho đến khi nhiệt độ của nước bên trong

bộ thu cân bằng với nhiệt độ phía trên bộ thu

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của hệ thống đun nước nóng NLMT.

Hệ thống sẽ cung cấp nước nóng để sử dụng trong sinh hoạt như tắm giặt, rửachén bát, làm nóng nước trước khi nấu; nhằm tiết kiệm năng lượng Nguồn nướcnóng của hệ thống khá dồi dào, an toàn, không tiếng ồn, độ bền cao, chi phí bảo trìthấp và bảo vệ môi trường Tuy nhiên do giá thành cao nên hệ thống đun nước.Những năm gần đây, thiết bị cung cấp nước nóng với quy mô hộ gia đình đượcnhiều cơ sở sản xuất với giá thành đã giảm so với trước và so với hàng nhập từnước ngoài Nhưng với mức thu nhập của người Việt Nam thì thiết bị này chưa thểphổ biến được Tuy nhiên, nếu tính bài toán kinh tế thì máy nước nóng năng lượngmặt trời rất nên dùng, vì tiết kiệm được điện năng và an toàn cho người sử dụng

Vì vậy, nếu có điều kiện thì nên lắp đặt một hệ thống đun nước nóng bằngnăng lượng mặt trời Còn nếu không thể chi trả cho một hệ thống bán sẵn thì cũng

có thể tự lắp đặt một hệ thống đơn giản, và giá thành rẻ hơn, mà bất cứ gia đìnhnào cũng có thể làm được

2.2 Thiết kế hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

2.2.1 Bộ thu nhiệt

Bộ thu nhiệt là thiết bị chủ yếu của hệ thống để hấp thụ bức xạ nhiệt mặt trời

Bộ thu nhiệt được tạo thành từ vật liệu có thể hấp thụ tốt năng lượng mặt trời.Đồng thời, một điều quan trọng là bộ thu nhiệt phải cấu tạo sao cho hạn chế được

sự mất nhiệt do quá trình tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, nhất là khi nhiệt độmôi trường xuống thấp

Bản thân bộ thu nhiệt tạo thành một hộp kín, do đó không khí nóng không thểthoát ra ngoài được Phía dưới và xung quanh được bọc cách nhiệt Phía trên làmột tấm kính hoặc nhựa trong suốt để bức xạ mặt trời có thể đi tới bề mặt hấp thụ,đồng thời làm tăng qua trình hấp thụ nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kính

Hình 2.3: Cấu tạo bộ thu nhiệt

2.2.1.1 Bề mặt hấp thụ của bộ thu nhiệt:

Là bề mặt trao đổi nhiệt giữa năng lượng bức xạ mặt trời với môi chất cần

nung nóng ( ở đây là nước) Hình 2.4 là cấu tạo của bề mặt hấp thụ dạng dãy ống.