Cơ điện tử tự thiết kế lắp ráp 49 mạch điện thông minh chuyên về năng lượng mặt trời trần thế san, trần khánh thành

Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, đây củng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và tính kiên nhẫn củ

c ơ ĐIỆN TỬ

Tự Thiết K ế - Lắp Ráp

Mạch Biện Thông Minh

TỈUYÊN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

DANH M Ụ C VẬT Tư - LINH KIỆN

HƯỚNG DẪN TỬNG BƯỚC - MINH HỌA

X Â Y D Ụ N G THÀNH M Ạ C H ĐIỆN Đ Ặ C BIỆT

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỶ THUẬT

« Mạdi IHệB Thâai MimTự Thiết Ki'- U p Ráp

TRẦN THẾ SAN - TRẦN KHÁNH THÀNH

Cơ ĐIỆN TỬ

Tự Thiết K ế- U p Ráp

Mạd Biệi THi| HA

CHUYÊN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỶ THUẬT

ổ ịiở i tkiêii

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng lửa đánh dâu một cột mốc rất quan trọng Từ dó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ câu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên ), kế tiếp là năng lượng nước (thủy điện), năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio-gas, .), năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn Xã hội loài người không thề phát triển nếu không có năng lượng.

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt, giả dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tim kiêm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học, kinh tế, các chính trị gia, và mỗi người chúng ta Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng.

Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ lù năng lương của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại.

Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, đây củng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và tính kiên nhẫn của bạn Còn gì thú vị hơn khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng mặt trời trong chính ngôi nhà của m ình?

Cuốn sách này giới thiệu chi tiết các dự án ứng dụng năng lượng mặt trời trong ngôi nhà hoặc trên mảnh vườn của bạn Các dự án đó tương đối đơn giản, chi phí trong tầm tay của bạn, nhưng hiệu quả cao, không đòi hỏi lý thuyết cao siêu, chỉ cần bạn nhận ra lợi ích của việc sử dụng năng lượng mặt trời và quyết tâm thực hiện Bạn có thể thực hiện từng bước theo hướng dẫn trong từng dự án, khi đạt kết quà, bạn hoàn toàn có thề chính sửa, cải tiến đề nâng cao hiệu suất và giảm chi phí tùy theo sự năng động và tính sáng tạo của bạn Các dự án này còn có thể được thực hiện trong trường học, trường phổ thông và trường dạy nghề, giúp cho thầy cô giáo có thêm phương cách thí nghiệm, học đi đôi với hành, giúp cho học sinh tính sáng tạo và hứng thú học tập.

C lh ư ă n ỹ 1

ư u THẾ C Ủ A N Ă N G LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng hiện tại

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng

ta sử dụng khối lượng năng lượng

khổng lồ Cuộc sống của chúng ta

xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn

tài nguyên thiên nhiên và tiêu thụ

năng lượng

Hình 1-1 minh họa tỷ lệ tiêu

thụ năng lượng tổng quát ở Vương

Quốc Anh

Các số liệu do Anh cung cấp,

đại diện cho mức tiêu thụ năng

lượng ở các nước phát triển.

Điều đó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lượng bằng công nghệ năng lượng mặt trời.Phần năng lượng, 13%, được dùng để tạo ra điện năng cung cấp cho chiếu sáng và các thiết bị gia dụng Trong Chương 10, “Pin mặt trời”, sẽ trình bày phương pháp tạo ra điện năng sạch từ năng lượng mặt trời, hoàn toàn không thải ra khí CƠ2

24% năng lượng 1

dùng dể nấu nước /

5% năng lượng dùng dể nấu ăn

13% năng lượng , dùng dể chiếu sáng

và cung cấp cho các thiết bị gia dụng

Hình 1-1 Tỷ lệ sử dụng năng lượng trong gia đình ở Vương Quốc Anh.

7

Năng lượng được dùng cho nấu

ăn, 5%, cũng có thể được tạo ra từ

năng lượng m ặt trời

Lý do chọn

năng lượng mặt tPời

Năng lượng m ặt trời là dạng năng

lượng sạch, xanh, miễn phí, và có

giá trị sử dụng tốt nhất M ặt trời

đã xuất hiện cách đây 5 tỷ năm và

tiếp tục thêm 5 tỷ năm nữa, quá

đủ cho loài người

Chúng ta đang tìm các công

nghệ sử dụng dạng năng lượng

này một cách hiệu quả nhất, do

đây là năng lượng sạch, rấ t thân

thiện với môi trường

Bạn hãy xem bản đồ phân bố

năng lượng m ặt trời ở Bắc Mỹ

(Hình 1-2), đây thực sự là nguồn

tài nguyên khổng lồ Tuy năng lượng m ặt trời chủ yếu tập trung ở phía Tây Hoa Kỳ, nhưng các vùng khác vẫn có đủ năng lượng mặt trời để khai thác m ột cách kinh tế

và hiệu quả

Tái sử dụng và không tái sử dụng

Hiện tại, hầu h ết năng lượng được lấy từ nhiên liệu tàn dư sinh học, khí tự nhiên, than đá, và dầu mỏ Thực chất, đây là hydrocarbon, về thành phần hóa học, chúng hầu như chỉ gồm các nguyên tử carbon

và hydro Khi hydrocarbon kết hợp với oxy trong không khí và nhiệt,

sẽ xảy ra phản ứng tỏa nhiệt Nhiệt này được sử dụng trực tiếp hoặc được chuyển sang các dạng năng lượng khác để sử dụng

': Z - ỷ 2 3 3 2 - 3 tff; p i ,i HH 4.43 M U 4.43 4.95 5 5 4 ■ ■ > 5 5 4 KVVhmi KWh/m i ứ S k w iv m ' 0 0 1 kw tvm ' m k V V t V m ' m k V A V m

Hình 1-2 Phân bố năng lượng mặt trời ở Bắc Mỹ.

8

Nguồn gốc của năng lượng

tàn dư sính học

Năng lượng tàn dư sinh học, sở dĩ

được gọi như vậy là do chúng được

tạo thành từ tàn dư của động vật

và thực vật từ rất nhiều năm

trước Sự hình thành các nhiên

liệu này xảy ra trong kỷ địa chất

carbon thuộc đại cổ sinh, cách nay

khoảng 360 đến 286 triệu năm

Trái đất thời kỳ đó có lẽ rất thú vị,

chỉ một màu xanh của rừng dương

xỉ khổng lồ, biển và đại dương phủ

đầy tảo lục

Cây cối chết đi, và theo thời

gian, các lớp đá và trầm tích lần

lượt phủ lên tàn dư thực vật giàu

carbon Trải qua nhiều năm, nhiệt

và áp suât tích tụ tác dụng lên các

lớp carbon, tạo thành dạng nhiên

liệu tàn dư như chúng ta thấy ngày nay

Nỗi lo về nhiên liệu tàn dư sinh học

Từ lâu, loài người đã lo lắng về khả năng cạn kiệt nguồn năng lượng này Khi Cách mạng Công nghiệp phát triển mạnh, nguồn năng lượng chính là than đá Nhiều người cho rằng than sẽ cạn kiệt, nếu không có nguồn năng lượng thay thế kịp thời, cả châu

Âu sẽ lâm vào khủng hoảng

Chất thải từ năng lượng tằn dư

Bạn hãy quan sát Hình 1-3 Đây quả là cơn sốc Khí thải từ năng lượng tàn dư tâng mạnh trong thế

kỷ vừa qua, lượng khí CƠ2 khổng

lồ trong khí quyển đã và đang gây

9

ra sự m ất cân bằng sinh thái, có

thế dẫn đến sự thay đổi khí hậu

một cách rõ rệt

Đỉnh Hubbert và đỉnh dẩu mỏ

Năm 1956, nhà địa vật lý Hoa Kỳ,

Marion King Hubbert, đưa ra công

trình nghiên cứu, dự đoán khai

thác dầu mỏ của Mỹ sẽ đạt đỉnh

vào cuối thập niên 1960, và sản

lượng dầu thế giới đạt đỉnh khoảng

năm 2000 Trên thực tế, sản lượng

khai thác dầu của Hoa Kỳ đạt giá

trị đỉnh vào đầu thập niên 1970,

dự báo này không hoàn toàn chính

xác, nhưng phần kế tiếp của công

trình có tính cảnh báo r ấ t quan

trọng

Hubbert cho rằng sự khai thác

nhiên liệu tàn dư sinh học tuân

theo đường cong hình quả chuông,

trong khi sản lượng tăng từ từ, thì

công nghệ trở thành yếu tố chính

làm tăng m ạnh sản lượng khai

thác, tiếp theo sản lượng sẽ tăng

chậm lại do chi phí tăng nhanh

Hình 1-4 Dự báo của Hubbert về

sản lượng khai thác dẩu mỏ.

Khi chi phí khai thác tăng nhanh, sản lượng sẽ giảm từ từ, sau đó giảm nhanh

Điều này có nghĩa là nếu chúng

ta vượt qua sản lượng đỉnh, nguồn cung cấp nhiên liệu tàn dư sinh học sẽ bắt đầu giảm nhanh, tác động m ạnh đến cuộc sống của mọi người Khi đó giá dầu tăng nhanh

do cung không thể đáp ứng cầu

Năng lượng hiện nay

Cơ quan năng lượng quốc tế dự báo khai thác năng lượng của 33 trong

số 48 nhà sản xuất dầu mỏ hàng đầu th ế giới đang giảm Điều đó đang trở thành hiện thực

Không chỉ có đỉnh sản lượng dầu mỏ, hiện nay còn có đỉnh than

đá, đỉnh khí tự nhiên, và đỉnh uranium T ất cả các nguồn tài nguyên này đều có giới hạn, không thể khai thác mải mãi.Đỉều đó có nghĩa là những người tin tưởng vào năng lượng

h ạ t nhân có thể bị sốc Năng lượng h ạ t nhân từng được coi là nguồn thay th ế hữu hiệu cho nhiên liệu tàn dư sinh học, nhưng mọi người đều phải đối m ặt với cùng một vấn đề Nếu tấ t cả đều chuyển sang năng lượng h ạ t nhân, tốc độ tiêu thụ uranỉum sẽ tăng nhanh, chưa kể các nguy cơ về an toàn h ạ t nhân

Các Vấn đế

vể năng lượng b ạt nhân

N ăng lượng h ạ t n h ân thực sự rất nguy hiểm , an toàn hạt nhân là

một trong các vấn đề khó giải

quyết trọn vẹn Các nhà máy điện

hạt nhân là mục tiêu tiềm ẩn của

chủ nghĩa khủng bố Nếu chúng ta

muốn có thế giới an toàn và sạch,

nàng lượng hạt nhân không phải

là lựa chọn tôi ưu

Vốn đầu tư cho năng lượng hạt

nhân rất lớn Khi ngành công

nghiệp hạt nhân bắt đầu xây dựng

các nhà máy điện, họ phải chi

những khoản tiền rất lớn cho công

nghệ, do đó điện hạt nhân rất đắt

Mặt khác, năng lượng mặt trời là

quà tặng của tự nhiên, bạn chỉ cần

đặt các tấm pin mặt trời lên nóc

nhà là có điện đế sử dụng, hầu như

không cần phải bảo trì trong

nhiều năm

Chất thải từ năng lượng hạt

nhân cũng là vấn đề rất khó giải

quyết Chất thải này luôn luôn

tiềm ẩn nguy cơ phóng xạ, gây ra

các vấn đề cho con người và môi

trường sinh thái Chu kỳ bán rã

của uranium và polonium khá dài

Chất thải này phân hủy rất chậm,

do đó chỉ có thể chứa trong các

thùng đặc biệt, chôn sâu dưới đất

hoặc dưới đáy biển Quá trình xử

lý chúng rấ t phức tạp, chi phí cao,

và chưa th ậ t sự an toàn

Vấn đề môi trưởng

Du hành vào không gian với giá rẻ

vẫn còn là ước mơ xa của loài

người, và chúng ta hiện chỉ có một

hành tinh đủ điều kiện đế sinh

sống Do đó, chúng ta cần và phải

bảo vệ trái đất Trái đất chỉ có

lượng tài nguyên giới hạn để loài

người khai thác Khi nguồn tài nguyên này cạn dần, chúng ta cần tìm nguồn khác để thay thế Nếu không có nguồn thay thế, loài người sẽ đối diện với các khó khăn rất lớn

Vấn đề thay đổi khí hậu

Hiện nay, vấn đề thay đổi khí hậu toàn cầu đã và đang tiếp tục xảy

ra với đầy đủ các bằng chứng khoa học, và nguyên nhân là do các hoạt động của con người Sự thay đổi khí hậu, với thiên tai ngày càng trầm trọng trên phạm vi toàn cầu, là kết quả từ các hoạt động của chúng ta trong khoảng

200 năm qua Thay đối khí hậu là vấn đề nghiêm trọng nhất hiện nay, nghiêm trọng hơn nhiều so với mọi nguy cơ khác

Cách thức sử dụng năng lượng mặt trời

Khi suy nghĩ nghiêm túc về vấn

đề này, thật ngạc nhiên là hầu hết các nguồn năng lượng xung quanh chúng ta đều liên quan chặt chẽ với quá trình hoạt động của mặt trời (Hình 1-5)

Mọi nguồn năng lượng, trình bày trên Hình 1-5, đều đến từ mặt trời Ngay cả nhiên liệu tàn dư sinh học, dầu mỏ, khí tự nhiên, than đ á, đều có nguồn gốc từ mặt trời Nhiên liệu này là tàn dư của động vật và thực vật đã chết, chịu nhiệt độ và áp suất rất cao trong nhiều triệu năm Động vật ăn cây

cỏ và các động vật khác trong chuỗi thức ăn, thực vật lớn lên nhờ

năng lượng m ặt trời chiếu xuống này, khí CO2 lại trở về khí quyến,

Sinh khối là kết quả của năng

lượng mặt trời, thực vật lấy C 02 từ

khí quyển Khi đốt cháy nhiên liệu

Bạn hãy tham quan nhà máy thủy điện, có thể bạn sẽ ngạc nhiên khi biết nước đổ xuống là do

NHIÊN LIỆU TÀN DƯ SINH HỌC

Nhiên liệu tàn du' sinh học có nguồn gốc từ dộng vật

và thực vật từ nhiều triệu năm trước, hình thành từ

năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất.

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng nhận dược từ mặt trời m ộ t /

cách trực tiếp khi ánh nắng chiếu <-

lên các bộ thu năng lượng.

NĂNG LƯỢNG NƯỚC

(thủy điện)

Nước cung cấp cho các dòng

sông là từ chu kỳ thủy văn do

hoạt động của mặt trời Một sổ

NĂNG LƯỢNG GIÓ

Các turbine gió được dùng

để bơm nước hoặc phát điện '■'*— nn dộng của không khí quả của quá trinh hoạt

ỈA dộng của mặt trời, tạo ra các vùng cao áp và hạ áp trong khí quyển.

NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Sinh khối là thuật ngữ biểuThị

sản lượng sinh vật Mặt tròi cung

cấp năng lượng cho quá trinh

quang tổng hợp của thực vặt ^

Thực vặt và chất thải từ vật nuôi

là nguồn cung cấp khi sinh học.

NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN

Năng lượng sóng biển (khác với năng lượng thủy triểu phát sinh

do chu kỳ quay của mặt trăng) dược tạo ra do gió thổi trên bể mặt nước.

Hình 1-5 Các nguồn năng lượng chính

hoạt động của mặt trời, nhưng

điều quan trọng cần chú ý là chu

kỳ thủy văn phụ thuộc vào hoạt

động của m ặt trời và khí quyển

Năiig lượng gió dường như

không có quan hệ với mặt trời,

nhưng thực ra gió là dòng không

khí chuyển động từ nơi có áp suất

cao đến nơi có áp suất thấp, sự

biến thiên áp suất khí quyển là

kết quả của nhiệt từ mặt trời cung

cấp cho không khí

Năng lượng thủy triều ít chịu

ảnh hướng từ mặt trời, thủy triều

tuần hoàn quanh trái đất là kết

quả của lực hấp dẫn từ mặt trăng

tác dụng lên các khối nước của các

đại dương bao quanh trái đất Tuy

nhiên, năng lượng sóng, có chu kỳ

ngắn hơn nhiều, là kết quả của gió

thối trên bề m ặt nước, do đó chịu

ở Mỹ, bạn có thể thấy (Hình 1-6), vào thời điểm hiện tại hầu hết năng lượng được lấy từ nhiên liệu tàn dư sinh học Đây là nền kinh

tê tiêu thụ nhiều carbon, dựa trên nhập khấu nhiên liệu tàn dư sinh học từ các nước khác, chủ yếu là Trung Đông Điều này khiến cho

Mỹ lệ thuộc vào dầu mỏ nhập khẩu từ nước ngoài và là nước thổi

ra khí C02 nhiều nhất thế giới Kê tiếp là thủy điện, nhưng chỉ chiếm

l°/( tổng sản lượng điện của Mỹ

Các dạng năng lượng còn lại chỉ chiếm khoảng 5%

68% năng lượng tiêu thụ

là từ nhièn liệu tàn dư

sinh học, dấu mỏ khi tự

nhiên, than đá -AívSs&í-w

5% là từ các nguồn năng

lượng khac, kể cả gió

và mặt trời.

Hình 1-6 Các nguồn năng lượng được sử dụng ở Mỹ.

Các dạng năng lượng này bao

gồm năng lượng m ặt trời, gió,

sóng biển và thủy triều Đây chính

là phần cần phát triển đế bảo đảm

nguồn cung cấp năng lượng ổn

định hơn và thân thiện với môi

trường hơn

Thủy điện có các hạn chế nhất

định Tổng công suất thủy điện có

thế khai thác phụ thuộc chủ yếu

vào điều kiện địa lý, có thế gây ra các vấn đề cho hệ sinh thái trong khu vực xung quanh đập thủy điện Các nhà máy thủy điện nhỏ là giải pháp tốt cho vấn đề sinh thái, nhưng công suất thấp không đủ cung cấp cho công nghiệp

Giải pháp được chú ý nhất hiện nay là năng lượng m ặt trời

chúng ta, nhưng có kích thước rất

lớn, đường kinh khoảng 1,392 triệu

km Năng lượng từ m ặt trời đến

trái đất tương đối ít, nếu so với

năng lượng khổng lồ cua mặt trời,

nhưng lượng bức xạ m ặt trời đến

trái đất bằng khoảng 10.000 lần

tổng năng lượng tiêu thụ hàng năm

của chúng ta, trung bình khoảng

1.700 kWh/m2 mỗi năm

Ngày nay, ý tưởng đào hoặc

khoan sâu xuống lòng đất hàng

Trong hành trình đến trái đất, khoang 19% năng lượng m ặt tròi

bị khí quyển bao quanh trái đất hấp thụ, 35% bị các đám mây hấp thu

Khi xuống đến trái đất, một phần năng lượng mặt trời bị tốn thất do công nghệ chuyển đổi năng lượng này thành các dạng d l sử dụng hơn

Cơ chế hoạt động của mặt trời

Mặt trời thực sự là lò phản ứng hạt nhân khổng lồ Khi có lò này, tại sao chúng ta không tận dụng mà phải xây dựng các lò khác, nhỏ hơn nhiều, tốn kém và không an toàn?Mặt trời thường xuyên chuyển đổi hydro thành heli, từng phút, từng giây

Nhưng điều gì ngăn cản mặt trời trở thành vụ nổ nhiệt hạch khổng lồ? Đó chính là lực hấp dẫn! Mặt trời liên tục bị tranh giành giữa hai trạng thái, dãn nở do năng lượng của các phản ứng phức tạp xảy ra trong lòng m ặt trời, và

co lại dưới tác dụng của lực hấp

dẫn do khối lượng vật chất khổng

lồ gây ra

Mọi nguyên tử bên trong m ặt

trời đều hút lẫn nhau, diều này gây

ra lực nén rấ t lớn khiến cho m ặt

trời co lại Trong khi đó, năng

lượng phát sinh do các phản ứng

hạt nhản có xu hướng làm cho mặt

trời dãn nở T hật may mắn, hai

tập hợp lực này cân bằng với

nhau, do đó m ặt trời vẫn ổn định

Cấu tpúc của mặt trời

Hình 2-2 minh họa cấu trúc của

mặt trời, chúng ta hãy bắt đầu từ

tâm của m ặt trời ra ngoài, đầu

tiên là lõi m ặt trời, kế tiếp là vùng

bức xạ, vùng đối lưu, vùng quang

cầu, vùng sắc cầu, và ngoài cùng là

nhật hoa

Lõi mặt trờ i

Lõi m ặt trời có hai tính chất, tạo điều kiện cho phản ứng hợp hạt nhân - thứ n h ất là nhiệt độ cao đến 15 triệu độ Celsius, thứ hai là

áp suất rấ t cao Kết quả của điều này là phản ứng hợp hạt nhân xảy ra

Trong phản ứng hợp h ạt nhân, bốn nhân hydro hợp lại với nhau tạo thành một nhân heli

Quá trìn h này có hai sản phẩm

- tia gamma, đó là các photon năng lượng cao; và các hạt neutrino, một trong các loại h ạ t cơ bản còn ít được biết đến trong vũ trụ, loại h ạ t này không có điện tích và hầu như không có khối lượng

Hình 2-2 Cấu trúc của mặt trời.

Vùng bức xạ

Kế tiếp lõi m ặt trời là vùng bức xạ

Đay chính là vùng phát ra các tia

bức xạ Trong vùng này nhiệt độ

giảm dần, từ 15 triệu độ xuống

Đây là vùng hoàn toàn khác, các

photon hành trình theo phương

thức đối lưu Đối lưu là quá trình

chuyển động của các hạt từ nơi có

nhiệt độ cao (và áp suất cao) đến

nơi có nhiệt độ thấp (và áp suất

thấp) Biên giữa vùng này và vùng

bức xạ chênh lệch hàng triệu độ;

tuy nhiên khi hướng ra phía ngoài,

nhiệt độ chỉ còn khoảng 6.000°c

Quang cẩu

Kế tiếp là vùng quang cầu Đây là

vùng chúng ta cỏ thế thấy được đôi

chút, do vùng này phát ra sóng

điện từ trong đó có dải tần sô thấy

được (ánh sáng) Nhiệt độ vùng

này khoảng 5.500°c Nếu so với

toàn bộ m ặt trời, lớp này tương

đối mỏng, nhưng cũng dày khoảng

hơi cao hơn quang cầu Vùng này

•chứa đầy các nguyên tử hydro bị

độ Celsius Các Hình 2-2 và 2-3 trình bày vài tính năng trên bề mặt của mặt trời

Các tính năng của mặt trời

Các lỗ nhật hoa (vết đen) hình thành phía trên các vùng tập trung từ trường Các tai lửa, là sự phun trào vật chất từ mặt trời vào không gian Các vòng từ trường duy trì vật chất này treo lơ lửng phía trên mặt trời Nhật quang ở các vùng cực trên trái đất là kết quả tương tác của các dòng hạt đến

từ mặt trời và từ trường trái đất

lượng m ặt trời đi qua không gian

đến quỹ đạo trái đất

Phía ngoài khí quyến trái đất,

tại điểm bất kỳ trong không gian,

năng lượng nhận được từ m ặt trời

hầu như không đổi Tuy nhiên,

trên m ặt đất, điều này thay đổi rõ

rệt do:

• Trái đất thay đối vị trí trong

không gian

• Sự quay của trái đất

• Khí quyển trái đất (không khí,

mây, bụi)

Các khí trong khí quyển duy

trì tương đối ổn định Trong những

năm gần đây, với lượng ô nhiễm

ngày càng tăng trong không khí,

các nhà khoa học đã nhận thấy

hiện tượng ánh sáng suy giảm, do

các h ạ t lơ lửng trong không khí

xuất phát từ nhiên liệu tàn dư sinh

học, ngăn cản một phần năng

lượng m ặt trời đi đến trái đất

Mây không th ậ t sự trong suốt,

liên tục di chuyển trong khí quyển,

Khi suy nghĩ về trái đất trên quỹ đạo, bạn có thể thấy trái đất quay xung quanh trục, nghiêng 66

độ so với m ặt trời Khi trái đất quay với tốc độ không đổi, sẽ có các điểm trên quỹ đạo trái đất nơi

m ặt trời chiếu sáng lâu hơn trên một phần của m ặt đất - hơn nữa,

do vị trí của trái đất trong không gian, phần này sẽ có xu hướng gần

m ặt trời hơn theo giá trị trung bình trong ngày Điều này dẫn đến chu kỳ 4 mùa trong năm (Hình 2-4)

Kết quả là m ặt trời dường như xuất hiện ở vị trí khác trên bầu trời, bạn có thể phải dịch chuyển thiết bị thu năng lượng m ặt trời theo vị trí của m ặt trời Hình 2-5 minh họa tấm thu năng lượng dịch chuyển theo các khoảng thời gian khác nhau trong năm tùy thuộc sự thay đổi vị trí m ặt trời nhằm đạt được hiệu quả thu năng lượng cao nhất có thế

Tháng 3 (Mùa xuân)

Tháng 9 (Mùa thu)

Mùa hè

từ mặt trời

Nói chung hầu như toàn bộ năng

lượng của chúng ta đều có nguồn

gốc từ m ặt trời dù trực tiếp hay

gián tiếp

Năng lượng m ặt trừ i

Các thiết bị được cấp năng lượng

mặt trời là cách thức trực tiếp thu

năng lượng m ặt trời, lưu giừ, và

chuyền sang dạng hữu dụng Các

thiết bị này thu năng lượng mặt

trời và chuyển đổi một cách trực

tiếp thành nguồn năng lượng hữu

dụng

Năng lượng gió

Nhiệt từ m ặt trời tạo ra các dòng

đối lưu trong khí quyển, làm xuất

thế thu năng lượng m ặt trời và

chuyến thành điện năng

Mặt trời điều khiển các chu kỳ thủy vàn, nước bốc hơi vào bầu trời, tích tụ thành mây và rơi xuống trái đất qua các cơn mưa hoặc tuyết Nước tích tụ trên cao

và đồ xuống qua các dòng sông Con người thu gom nước này trong các hồ lớn có đập chắn, nước chảy xuống làm quay turbine tạo ra điện năng

Sinh khôi

Thay vì đốt nhiên liệu tàn dư sinh học, một số loại thực vật được trồng để lấy năng lượng thay cho nhiên liệu tàn dư hữu cơ Thực vật

là sinh khối, tạo ra gỗ có thế đốt cháy Mía được trồng để lấy đường, lên men và chưng cất để có ethanol-sinh học, dùng thay cho xăng trong các động cơ đốt trong Dầu thực vật, trong nhiều trường hợp có thể được dùng trực tiếp trong các động cơ diesel hoặc chưng cất thành dầu diesel sinh học Sự phát triển của các thực vật này chủ yếu do tác động của mặt trời

19

Hình 2-7 Năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng thông qua

các tấm pin mặt trời.

Năng lượng sóng biển

Sóng biền phát sinh do gió thổi

trên bề m ặt các đại dương Bạn đã

biết gió được tạo ra từ năng lượng

mặt trời; tuy nhiên, bạn cần chú ý

phân biệt giữa năng lượng sóng

biển và năng lượng thủy triều

Thủy triều phát sinh từ lực hấp

dẫn của m ặt trăng trên đại dương

Nhiên liệu tàn dư sinh học

Các nhà khoa học khắng định

nhiên liệu tàn dư sinh học có

nguồn gốc từ năng lượng mặt trời

Loại nhiên liệu này được tạo ra từ

năng lượng sạch của mặt trời, đó

là thực vật bị nén với áp suất cao

qua nhiều triệu năm chuyến thành

than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Và

đây chính là vấn đề cần nhiều triệu năm để hình thành loại nhiên liệu này, chúng sẽ nhanh chóng cạn kiệt nếu chúng ta tiêu thụ với tốc độ như hiện nay Tuy

có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời, nhưng chúng ta phải sử dụng chúng một cách thông minh và cẩn trọng

Như bạn đã biết, có nhiều cách

đề sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả Hình 2-6 minh họa tổ hợp năng lượng gió và pin mặt trời Hình 2-7 minh họa các tấm pin mặt trời lắp trên nóc nhà Trong các chương sau sẽ trình bày nhiều dự án thu năng lượng trực tiếp từ mặt trời

C h ư ơ n g 3

Đ ỊN H V Ị THIẾT BỊ THU

N Ă N G LƯ Ợ NG M Ậ T TRỜI

Điều quan trọng cần chú ý là mặt

trời Hên tục thay đổi vị trí trên

bầu trời, hàng giờ, hàng ngày, và

hàng năm Tuy đây là điều thú vị,

nhung khá bất lợi đối với những

người sử dụng năng lượng m ặt trời,

cần phái định vị chính xác thiết bị

thu năng lượng m ặt trời đê đạt

được kết quá tối ưu Chuyển động

cua m ặt trời trên bầu trời, thực

chất là chuyền động của trái đất

trên quỹ đạo xoay quanh m ặt trời

Trong chương nãy, bạn sẽ xét

hai khái niệm cơ bán - vị trí cùa

mặt trời thay đồi theo thời gian

trong ngày, và vị trí đó bị tác động

theo thời gian trong năm

Vị tr í mặt trờ i thay đổi theo

thời gian trong ngày

Người xưa đã nhận thấy hiện

tượng vị trí m ặt trời thay đối tùy

thuộc thời gian trong ngày Có giả

thiết cho rằng các công trình cổ,

chẳng hạn Stonehenge, được xây

dựng để chinh thẳng hàng với vị

trí của mặt trời vào những thời

điềm xác định trong nãm

Vị trí m ặt trời là chuẩn tương

đối tin cậy để xác định thời gian

Người Ai-Cập cổ đại đã biết điều

đó, ba ngọn tháp Cleopatra ở

London, Paris, và New York vốn

Hình 3-1 Tháp Cleopatra - đồng hồ mặt trời sơ khai?

Hình 3-2 Bóng cọc thay đổi theo thời gian trong ngày.

được dùng như một dạng thiết bị

chi thời gian hàng ngày dựa trên

vị trí của m ặt trời

Nếu đóng một cây cọc xuống

đất bạn sẽ thấy khi mặt trời di

chuyến trên bầu trời, bóng cọc sẽ

chuyến động theo (Hình 3-2) Buổi

sáng, bóng cọc dài và mảnh; đến

trưa, vị trí của bóng thay đổi và

trở nên ngắn hơn Vào cuối ngày,

bóng cọc dần dần dài ra

Hiệu ứng này là do trái đất tự

quay quanh trục của mình, vị trí của mặt trời trên bầu trời thay đổi

so với vị trí của bạn trên m ặt đất.Hiện tượng này được áp dụng

đế chê tạo đồng hồ mặt trời

Vị trí mặt trởỉ thay đổi theo thời gian trong năm

Vấn đề này tương đối khó hiểu, nhưng rất cần thiết Trái đất hơi nghiêng trên trục của mình; khi trái đất quay xung quanh mặt trời theo chu kỳ 365,25 ngày, các phần khác nhau của trái đất sẽ hướng

về phía mặt trời theo các khoảng thời gian khác nhau Đó là lý do ngày mùa đông luôn luôn ngắn hơn ngày mùa hè

Tháng 3 (Mùa xuân)

Tháng 12 (Mùa đông)

Tháng 9 (Mùa thu)

Hình 3-4 Sự thay

đổi mùa theo vị trí

mặt trời.

Mùa ở bán cầu bắc hoàn toàn

ngược lại với bán cầu nam vào

cùng thời gian trong năm

Hình 3-3 cho thấy, do độ

nghiêng này, vào những thời gian

xác định trong năm, tùy theo vĩ độ,

bạn sẽ thấy số giờ nắng trong ngày

thay đổi Ngoài ra, nếu xem xét

quan hệ giữa vĩ độ và m ặt trời, bạn

sẽ thấy khi trái đất quay, góc m ặt

trời sẽ khác nhau vào thời điểm

bất kỳ trong ngày, tùy theo mùa

Hình 3-4 minh họa ngôi nhà ở

bán cầu nam Chúng ta có thế

thây mặt trời chiếu từ phía bắc

nhiều hơn phía nam Ngược lại,

nếu ngôi nhà ở bán cầu bắc, mặt

trời sẽ ở phía nam

Điều này m inh họa sự thay đổi của quỹ đạo m ặt trời trên bầu trời khi bạn vẽ quỹ đạo đó vào những thời kỳ khác nhau trong năm Nguyên tắc định vị m ặt trời là theo hướng kính tùy thuộc vào bán cầu nơi bạn đang sống

Điều đó có ý nghĩa như thê nào trong thực tế?

Về cơ bản, bạn cần thay đổi vị trí của thiết bị thu năng lượng mặt trời để đạt được hiệu suất cao nhất

có thể

24

tương ứng với bán cầu nơi bạn

đang sống - bắc hoặc nam Sau đó bạn phải tính vĩ độ, gấp các cạnh theo góc vĩ độ tương ứng

Cắm cọc nhỏ tại điểm giao nhau của tất cả các đường, chừa lại một mảnh bìa để tạo góc theo đường chân trời

Lật mặt sau đĩa đồng hồ và đánh dấu cọc theo hướng chính bắc (hoặc nam) Bạn có thể sử dụng đồng hồ này để đo thời gian ban ngày và so sánh với thời gian chính xác trên đồng hồ hiện đại

NAM BÁN CẤU

BẲC BÁN CẦU

Hình 3-5 Mẫu dồng hồ mặt trời.

Quan sát bóng cọc di chuyển trên

đĩa đồng hồ m ặt t7Ời sẽ giúp bạn

phát hiện nhiều điều thú vị

Các nguyên tắc định vị

bộ thu năng lượng

Bạn cần quan sát cẩn thận và ghi

lại các nhận xét về biến thiên vị

trí của m ặt trời ở nơi bạn đang

sông Cần chú ý sự biến thiên theo

mùa của quỹ đạo m ặt trời trên bầu

trời (Hình 3-6)

Bạn hãy ghi lại các quan sát

của mình, nên vẽ theo sơ đồ, đặc

biệt chú ý các khu vực bị che bóng,

kẻ cả bóng do cây cối hoặc các

công trình xây dựng xung quanh

Bạn cũng cần biết ngày dài

Bạn cũng cần chú ý phương hướng Nếu ở bán cầu bắc, bạn cần

bô trí các phần tử nhiệt quay về phía nam, các phần tử đòi hỏi ít nhiệt hơn quay về phía bắc

Các Itguổn trê n In te rn e t

Đồng hồ m ặt trời là công cụ thú vị đé nghiên cứu các tính chất của

m ặt trời Đồng hồ được giới thiệu ớ đáy thuộc loại đơn giản nhất Nếu muốn tìm hiếu nhiều hơn về vấn đề này, bạn có thể tìm trên Internet Một sô web site phổ biến được nêu dưới đây:

www.nmm.ac.uk/server/show/conWebDoc.353

www.liverpoolmuseums.org.uk/nof/sun/#plus.m aths.org/issuell/ features/sundials/

DlJ AN 2: TAM PHAN CHIEU ANH NANG

• Bang keo trong

• Ghim kep giay

Doi vdi tam phan chieu bSng go

• Ba tam van ep day 12 mm co

kich co- 60 cm x 60 cm

• Cac ban le go

• Cac vit dau chim

• Gia dd xoay

Doi vdi ca hai

• Kep tren den pha

• Gia dot

• Khoi dat set deo

Dung cu dung cho bia carton

Phan dau da trinh bay ve quy

dao m at trOi tren bau trOi, phan

nay se hdbng dan phoong phap sO

dung mat trOi de cap nhiet va

chieu sang to nhien

Hinh 3-3 trinh bay vi tri gifira mat trcfi va trai dait tac dong den cac mua, so thay doi quy dao mat trOi tren bau trOi theo mua Bieu nay la rat quan trong, neu muon thiet ke cac cau hinh thu nang loqng toi uu, ban can biet vi tri chieu sang cua mat trOi

Tam phan chieu anh n&ng la thiet bi cho phep ban quan sat tuo'ng tac cua tia sang den tO mOt trOi, va diem bat ky tren mat dat

TO do ban co the lap mo hinh goc tdi cua tia sang, xem ket phan bong che va do cac quy dao tia sang di den toa nha

Tam phan chieu la cong cu rat hOu dung de xac dinh cac phan bong che, cac doi toong che chtin anh ndng

Vdi tam phan chieu, co the xay dong mo hinh thang do, cho phep tim cac chodng ngai, chdng han cay coi, che khuat tam thu nang loong Tam phan chieu la cong cu rat hull ich trong thiet ke bo thu nang loqng, cho phep giam bot cac tinh toan phiifc tap

Trong do an nay, se gidi thieu hai thiet ke khac nhau Thd nhat

la tam phan chieu bhng bia carton, tOo'ng doi don gian, neu ban chi muon thi nghiem ve each thufc hoat dong cua tam phan chieu Thiet ke nay chi can it vat to, mot cap keo, nhong co the mau ho hong Thiet ke thuf hai vdi gia dd

chdc chdn hon, doqe lam bdng go

va co tinh chuyen nghiep hon, cho

Bảng 3-1 Chiều cao đèn chiếu theo các tháng trong năm

Khoáng cách giữa tâm tấm phản chiếu và nguồn sáng khoảng 2 mét.

phép sử dụng trong thiết kê kiến

trúc hoặc trong dạy học

Tấm phản chiếu của chúng ta

gồm ba tấm Tấm thứ n h ất là đế,

trên đê là tấm thứ hai có thề xoay

nghiêng Với bộ phản chiếu bằng

gồ, bạn có thể dùng vòng bi gá ở

hai đầu đê xoay nghiêng theo góc

bất kỳ

Đối với bộ phản chiếu bằng bìa

carton, đơn giản chỉ dùng chốt lắp

qua tâm của cả hai tấm

điều này có thể thực hiện theo

nhiều cách Đơn giản nhất là dùng

đèn pha có kẹp, để kẹp đèn này

lên vật thể cố định, chẳng hạn cửa

ra vào Các bộ đèn chiếu cũng rấ t

hữu ích do chúng cung cấp chùm

sáng song song và có thể điều

chinh độ cao Nếu thường xuyên sử dụng bộ phản chiếu, bạn nên dùng thanh gỗ dài lắp thẳng đứng với

đê và điều chỉnh độ cao theo dữ liệu trên Bảng 3-1

Bạn cần chú ý ba điều chỉnh chính có thể thực hiện cho tấm phản chiếu

• Điều chỉnh theo mùa - bằng cách dịch chuyển đèn lên, xuống sử dụng các số trên Bảng 3-1, có thế' mô phỏng thời gian trong năm

• Điều chỉnh theo vĩ độ - bằng cách xác lập góc giữa tấm trên cùng và tấm đế

• Điều chỉnh theo giờ trong ngày

- bằng cách quay toàn bộ tấm phản chiếu, bạn có thể mô phỏng sự quay của trái đất xung quanh trục, và mô phỏng theo giờ

Hai diều chỉnh được nêu trên Hình 3-7

Có hai thí nghiệm - đơn giản

dùng phương pháp này đê chuấn

hóa tấm phản chiếu, đánh dấu vài

dấu trên m ặt tấm bìa carton đế

biểu thị giờ trong ngày

Thí nghiệm thứ hai là quan sát

mô hình thay cho ngôi nhà thực

Bạn hãy làm ngôi nhà mô hình

bằng bìa cứng (Hình 3-9), có các

cửa sổ, cửa ra vào, cửa lấy sáng

trên mái Bằng cách quay tấm

Phương hương

Bạn cần chú ý phương bắc và

nam cho bảng mô hình Hãy xác

định nơi bạn đặt mô hình thuộc

bán cầu nào và điều chỉnh mô

hình cho phù hợp (Việt Nam

Các nguồn trê n Internet

Bạn có thể thu thập thêm thông tin về tấm phản chiếu trên Internet tại các web site:

www.pge.com/003_save_energy/003c_edu_train/pec/toolbox/arch/heliodon/heliodon.shtml

arch.ced.berkeley.edu/resources/bldgsci/bsl/heliodon.html

en.wikipedia.org/wiki/Heliodon

29

phản chiếu một vòng, bạn có thế

thấy vị trí ánh nắng đi vào ngôi

nhà, phần nào của căn phòng có

nhiều nắng Điều này rấ t hữu

dụng, cho phép bạn định vị các

phần tử thu nhiệt ở nơi có nhiều

bức xạ m ặt trời nhất

Chúng ta còn có thê tạo các mô

hình kiểu mảng thu năng lượng,

và lùm cây, xem xét các cây cối

che bóng lên mảng thu năng lượng

vào những thời gian xác định

trong năm Bạn có thể dùng các

mô hình thu nhỏ để thực hiện

nhiều khí nghiệm lý thú về năng

lượng m ặt trời

Ngày nay với công nghệ thiết

kê có sự trợ giúp cua máy tính

(CAD), có thế thiết kế mô phỏng

tấm phản chiếu ánh nắng trên

máy tính Các kiến trúc sư sử dụng

phần mềm CAD đề xem xét ánh

sáng m ặt trời chiếu vào các tòa

- nhà, các chướng ngại che bóng

trên tấm thu năng lượng m ặt trời

Tuy nhiên, tấm phản chiếu vẩn là

30

Dự ÁN 3: THÍ NGHIỆM VỚI CÁC TIA SÁNG

• Dây cao su

Bạn hãy dùng băng keo dán tấm

giây lên tường Lấy một đoạn dây

thừng, dùng băng keo dán một đáu

dây vào tâm tấm giây Giữ đầu dày

theo một phía tám giấv, buộc đèn

pin vào đầu dầy sao cho đầu đèn

pin ơ phía trong biên tấm giấy

Bạn hãy hình dung đèn pin là

m ặt trời, căng sợi dây và hướng

đèn pin về phía mặt giấy Bạn sẽ

thấy điểm sáng trên mặt giây

điều này trên cả hai phía tâm của

tấm giấy vài lần với các góc khác

nhau (Hình 3-11)

Từ đây bạn rút ra được điều gì?

Công suất của đèn không thay đổi,

nghĩa là lượng ánh sáng phát ra từ

đòn pin không thay đổi Tuy nhiên, diện tích chiếu sáng trên mặt giấy sẽ thay đổi Khi đèn vuông góc với mặt giấy, diện tích này là hình tròn ở tâm tờ giấy Khi đèn nghiêng một góc, hình tròn chuyến dần thành hình e líp với diện tích tăng dần Điều này

có ý nghĩa như thế nào đối với chúng ta? Mặt trời cung cấp lượng ánh sáng không thay đồi; tuy nhiên, khi chuyển động trên bầu trời, mặt phắng cùa tấm thu năng lượng phái thay đổi theo vị trí cua mặt t)'ò'i Khi mặt trời ở đỉnh đầu tấm thu năng lượng phải song song với mặt đất để nhận được năng lượng cao nhất, nếu bị nghiêng, ánh sáng thu được sẽ giảm theo góc nghiêng

Bạn cũng có thể nhận thấy, khi nghiêng đèn, vùng chiếu sáng tăng nhưng cường độ sáng giảm.Bạn còn nhớ bó bút chì? Bạn hãy giữ chúng và cột lại bằng sợi dây cao su Bạn hãy hình dung mồi cây bút là một tia sáng mặt trời Bạn hãy hướng chúng xuống mặt giấy và vạch trên giấy, bạn sẽ thấy các đường song song Sau đó

Hình 3-11 Các vùng chiếu sáng trẽn giấy thay dổi theo góc nghiêng.

3 1

bạn hãy nghiêng các cây bút chì

theo một góc và lại vạch trên giấy

(Hình 3-12) Bạn sẽ thấy khoảng

cách giữa các đường vạch rộng dần

khi tăng góc nghiêng Mỗi cây bút

chì tượng trưng cho một tia sáng

Hình 3-12 Bó bút chì dùng trong

thí nghiệm.

32

sử dụng năng lượng mặt trời hiệu

quả nhất là dùng năng lường này

đề cấp nhiệt cho ngôi nhà, và nấu

nước nóng đế dùng hàng ngày,

tắm rửa, giặt giũ, nấu nướng

Khi nghĩ về lượng nhiệt khống

lồ từ mặt trời, dường như sẽ là

nghịch lý khi đốt nhiên liệu tàn dư

sinh học đế lấy nhiệt năng

Chúng ta có thè dùng trực tiếp

nàng lượng m ặt trời để cấp nhiệt

cho các tòa nhà - được gọi là cấp

nhiệt thụ động - hoặc sử dụng bộ

lưu trữ trung gian và môi chât

phản phối, chắng hạn nước hoặc

không khí Ưu điểm sử dụng nước

hoặc không khí làm môi chất lưu

trữ nhiệt là chúng ta có thề tập

trung thu năng lượng nhiệt qua

các bộ thu, sau đó sứ dụng mạng

phân phôi thông qua hộ thống

đường ống, và đưa nhiệt năng đên

nơi sử dụng

Trong chương này bạn sẽ xem

xét các vấn đề cơ bản của hệ thống

nấu nước nóng từ năng lượng mặt

trời Đến cuối chương, bạn sẽ hiểu

nguyên lý vận hanh của hệ thống

này, có đủ kiến thức đê bắt đầu

nghiên cứu và tự lắp đặt hệ thống nước nóng

Sử dụng năng lượng mặt trời

để cẳp nhiệt

Có nhiều lợi ích môi trường rõ rệt khi sử dụng năng lượng tái sinh đế cấp nhiệt Khi xét ở mức toàn cầu,

sự tiêu thụ nhiên liệu tàn dư sinh học đế cấp nhiệt là rất lớn Sứ dụng các dạng năng lượng tái sinh

đê cấp nhiệt sè giảm rõ rệt tiêu thụ nhiên liệu tàn dư sinh học, đồng thời làm giảm mức độ ô nhiễm và khí CƯ2 trong khí quyển

Sử dụng mái nhà dể lắp tấm thu nhiệt mệt trời

Mái nhà có lẽ là nơi thích hợp nhất

đê lắp các tấm thu nhiệt mặt trời Nói chung, bạn có diện tích lớn chưa được sử dụng, đang chờ đợi thế hệ năng lượng mới xanh và sạch

Thứ nhất, bạn cần xem xét tính toàn vẹn kết cấu và độ bền vững của mái nhà Bạn cần nhớ, mái nhà không chỉ đỡ trọng lượng của các tấm thu nhiệt và mọi bộ phận liên quan, mà còn phải chịu các lực tác động khác, kể cả sức nặng của bạn khi lắp đặt hệ thống thu nhiệt

Thứ hai, bạn phải xét hướng

mái nhà sao cho có thể nhận được

năng lượng nhiều nhất từ mặt

trời Nếu bạn ờ bán cầu bắc, mái

nhà tốt nhất là quay về phía nam

Nếu mái không hướng về phía

nam, hiệu suất thu nhiệt năng sẽ

giảm, tỷ lệ với góc lệch theo

phương nam

Nhiệt mặt trời

Vào ngày hè nóng nực, khi dạo

trong công viên, nếu chạm nhẹ

vào phía ngoài chiếc xe màu đen,

bạn sẽ thấy rấ t nóng, nhưng với

ngày, chẳng hạn đê tắm, giặt, nấu

ăn Nước nóng từ nhiệt m ặt trời

có thế gọi tắ t là “nước nóng m ặt

trời” Chúng ta có thế sử dụng

nước này đế sươi ấm ngôi nhà, quá

trình này được gọi là “sưởi ấm

bằng nhiệt m ặt trời”

Điều bạn cần làm là xác định

nhu cầu về nước nóng, xem xét

quan hệ với năng lượng khả dụng

tư m ặt trời

Nước nóng mặt trời

Nhu cầu của chúng ta về nước

nóng hàng năm tương đối ổn định

Bạn sử dụng nước nóng hàng ngày

với lượng hầu như ít thay đổi vào mùa hè, còn mùa đông có thế nhiều hơn đôi chút

sưởi ấm bằng nhiệt mặt tPỞỈ

Chúng ta có thể sử dụng năng lượng m ặt trời để sưởi ấm một cách trực tiếp và thụ động, thay vì

hệ thống chủ động Điều này được gọi là thiết kè năng lượng m ặt tròi thụ động Bạn có thể thiết kê ngôi nhà với nhiều cửa kính hướng về phía m ặt trời đế' thu năng lượng, giữ ấm và chiếu sáng tự nhiên Tuy nhiên, các yêu cầu sưởi ấm rất khác nhau giữa mùa đông và mùa

hè Nếu thiết kẽ cho các điều kiện mùa hè, sẽ không hoặc khó đáp • ứng cho các điều kiện mùa đông, nhất là ở phía bắc Vì lý do đó, cần

sử dụng các kết cấu kiên trúc đế bảo đảm từng căn phòng nhận được lượng ánh sáng tối ưu cả mùa đông và mùa hè Thiết kê thụ động đòi hỏi nhiều kiến thức chuyên môn và tính sáng tạo

Hệ thống nhiệt mặt trời

Hình 4-1 minh họa hệ thống cơ bản dùng nhiệt m ặt trời để nấu nước

Trên hình này, bạn thấy thùng chứa nước lớn Thùng này được đố đầy nước và được dùng làm nơi tích trữ nhiệt Điều bắt buộc là thùng phái được cách nhiệt tốt đề giám tốn th ấ t nhiệt năng

Trong thùng có sự phân lớp, tuy không rõ rệt, nước nguội có xu

hướng tập trung ở đáy, nước nóng

ở phía trên

34

Bạn lấy nước nóng từ phần

đỉnh và cấp nước nguội vào thùng

từ phía dưới Điều này cho phép

duy trì sự phân tầng các lớp nước

ơ phía dưới thùng là cuộn ống

bang đồng, được minh họa trên

Hình 4-2, bạn thấy đường ống vào

ở đáy thùng và đường ra ở phía

trên Các ống này tạo thành mạch

tuần hoàn khép kín với bộ thu

nhiệt mặt trời Mạch kín này chứa

môi chất truyền nhiệt từ bộ thu

sang thùng chứa

Đây là kiều thiết bị đơn giản

nhất, được gọi là bộ nhiệt-siphon,

do quá trình tuần hoàn từ bộ thu

đên thùng chứa hoàn toàn do sự

chênh lệch nhiệt độ Dòng đối lưu

tự nhiên tạo ra sự lưu động, nước

chỉ bao quanh cuộn ống đồng

Có thế lắp bơm vào mạch này

để tăng sự lưu động của môi chất

nhiệt Bơm có thế được truyền

động bằng pin mặt trời Diều này

có nghĩa là hệ thống nhiệt hoàn toàn không dùng điện lưới, do đó không sử dụng năng lượng từ nguồn nhiên liệu tàn dư sinh học

Ưu đicm của hệ thống này là năng lượng dùng cho bơm được cung cấp đồng thời với nhiệt năng

Hình 4-2 Mặt cắt thùng lưu trữ nhiệt.

¥ Khi mặt trời ở NGAY trên đỉnh

Y NỊ INIJAT tren amn r

'đ ầ u , cả hai kiểu bề mặt này

, H H ‘ l

Bộ thu nhiệt kiểu ống chân không

Bộ thu nhiệt kiều tám phẳng không còn thẳng góc với mật trời

Nhung bê mặt của bộ thu nhiệt kiểu ống chân không vẫn CÒN nhờ mặt cắt hình trụ của chúng

mém thay cho ống đổng và chai nhựa thay

cho thùng chứa, sử dụng thermistor để

giám sát nhiệt độ và quan sát hoạt động

của hệ thống này. _

Bộ thu nhiệt mặt trời

Có hai kiểu bộ thu nhiệt, tấm

phẳng và ống chân không (Hình

4-3) Năng lượng nhiệt đến tấm

phẳng nhiều hơn, nhưng ống chân

không cách nhiệt tốt hơn Tuy

nhiên, khi m ặt trời chuyên động

theo vòng cung trên bầu trời, diện

tích hiệu dụng của tâm phăng

giảm dần, còn diện tích này của

ống chân không hầu như không

thay đối

Hình 4-4 minh họa cấu tạo của

bộ thu kiểu tấm phẳng v ề cơ bản, đây là thiết bị đơn giản Bộ cách nhiệt ngăn cản nhiệt thoát ra ngoài Cuộn ống bên trong thu nhiệt và truyền cho thùng chứa, mặt trước của bộ này là bề m ặt hấp thụ nhiệt, thường có màu đen

Kính

Tấm cách nhiệt

Hình 4-4 Mặt cắt bộ thu nhiệt kiểu

tấm phẳng.

Hình 4-5 minh họa bộ thu

nhiệt trên mái nhà, đây là tổ hợp

gồm các bộ thu nhiệt và các tấm pin mặt trời

Hình 4-5 Hệ thống thu

nhiệt và pin mặt trời trên

mái nhà.

Dự ÁN 4: BỘ THU NHIỆT Kiểu TẤM PHANG

Hiện CÓ nhiều kiểu bộ thu nhiệt,

thích hợp vứi khả năng chê tạo

tương đối đơn giản trong gia đình

(các Hình 4-6 đến 4-8)

Điều cơ bản cần nhớ là duy trì

sự thu rìhiệt ở mức cao nhất có thể

Điều này có thể thực hiện bằng

cách sử dụng tấm kính hướng về

phía m ặt trời và cách nhiệt ở phía

đối diện

Các lá nhôm mỏng kẹp xung quanh ống đồng là phương pháp nhanh và đơn giản đế tăng cường

sự trao đối nhiệt

Cách thứ hai là tận dụng bộ tản nhiệt cũ (của xe hơi), sơn đen

m ặt trong của hộp cách nhiệt, đê làm bộ thu nhiệt (Hình 4-9) Hệ thống này chứa nhiều nước hơn, nhưtìg thời gian nước nóng cũng lâu hơn

D ự Á N 5: CẤ P NHIỆT MẶT TRỜI CHO BỂ BƠI NHỎ

Có bế bơi nhỏ trong sân nhà là

một phần của cuộc sống hiện đại

Bể bơi dù nhỏ, vẫn có thế tích khá

lớn, đòi hỏi nhiều nhiệt năng đế

đạt nhiệt độ thích hợp, nhất là

vào mùa đông

Trước khi xem xét vấn đề câp

nhiệt cho bế bơi sử dụng năng

lượng m ặt trời, bạn cần tính đến

sự tiết kiệm năng lượng và các

biện pháp tăng tính hiệu quả, chủ

yếu là tần suất sử dụng bề bơi

Sau khi xem xét các vấn đề,

bạn có thể bắt đầu hướng đến khả

năng tận dụng năng lượng mặt

trời cho bế bơi Hệ thống này thực

sự không quá phức tạp như nhiều

người thường nghĩ Điều chúng ta

cần chỉ là tăng nhiệt độ nước

trong bê bơi lèn vài độ

Vào những ngày hè, hoặc nơi

có khí hậu nóng, bế bơi có xu

hướng quá nóng, không thích hợp

cho con người Khi đó bộ thu nhiệt

m ặt trời sẽ được hưởng lợi Bằng

cách bơm nước qua các bộ thu vào ban đêm, bạn sẽ tận dụng được lượng nhiệt này

Hình 4-10 minh họa sơ đồ cấp nhiệt cho bể bơi, sử dụng nhiệt mặt trời Các hệ thống này không chi' dùng cho bế bơi nhỏ, mà còn có thể áp dụng cho các bể bơi cờ lớn,

kể cả bể bơi công cộng

Tip

Enerpool là chương trình miễn phi dùng

để mô phỏng bể bơi được cấp nhiệt mặt trời Chương trinh này có thể tính nhiệt dộ, đua ra các thiết kê phù hợp với kích cỡ bể bơi, vị trí địa lý (vĩ độ, số ngày nắng, ) www.powermat.com/enerpool.html _

Sử dụng trực tiếp nhiệt mặt trời để tạo ra điện năng

Nếu xét sự phát điện trên quy mô lớn, hầu hết các nhà máy điện, dù

là hạt nhân, than, dầu, hay khí tự nhiên, đều phải tạo ra nhiệt năng trước Nhiệt này chuyển cho môi

như trong pin hoặc acquy Trước

hết phải tạo ra nhiệt năng, như

một quá trình trung gian, sau đó

sử dụng nhiệt năng đế tạo rà điện

Về nguyên tắc, hoàn toàn có

thế sử dụng nhiệt m ặt trời cung

cấp cho môi chất, môi chất chuyển

động, biên nhiệt năng thành động

năng làm quay các máy phát điện

Nguyên tắc này đã được ứng dụng

ở nhiều nơi trên th ế giới.

Hình 4-11 Nhà máy điện nhiệt mặt trời ở sa mạc Mojave.

40

D ự Á N 6: MỘT s ố M Ạ C H ĐIỆN

D Ù N G CHỎ NHIỆT MẶT TRỜI

Tuy phần trên đã trình bày về hệ

thống nhiệt m ặt trời cơ bản,

nhưng vẫn còn nhiều khả năng cái

tiến hệ thống đó Nếu bạn có hệ

thống “hoạt động”, chẳng hạn có

bơm truyền động lull chất tuần

hoàn trong toàn bộ hệ thống, bạn

có thế bố sung mạch điều khiển

lưu chất

Nếu hệ thống là “thụ động”,

chẳng hạn theo kiểu siphon nhiệt,

lưu chất tuần hoàn do thay đổi tỷ

Bảo vệ bộ cảm biến therm istor

Bộ cảm biến thermistor tương đối giòn, có thế bị hư nếu bạn không cẩn thận

Linh kiện này được thiết kế đế hàn lên bản mạch in; nhưng trong

thermistor làm việc trong các điều kiện tương đối khắc nghiệt Vì lý

do đó, cần bảo vệ các chân thermistor bằng ống chịu nhiệt, tạo thành giá đỡ cơ học cho mối ghép hàn và tránh bị ẩm

Sau khi báo vệ bằng ống cách nhiệt, các chân và dây dẫn của thermistor phải đủ dài đế lắp trên bản mạch in

Giữa thermistor và bề mặt trao đối nhiệt bạn nên lót một lớp hợp chất truyền nhiệt để tăng độ chính xác cho tín hiệu đo nhiệt độ.Cuối cùng, bạn trát lớp mỏng silicone đề giữ cho thermistor đúng vị trí

9 V

Hình 4-12 Bộ chỉ thị nhiệt độ cao quá mức.

9 V

Hình 4-13 Bộ chĩ thị nhiệt độ thấp quá mức.