Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cải tiến bếp đun năng lượng mặt trời dùng cho các hộ gia đình khu vực miền trung

luận văn, khóa luận, chuyên đề, đề tài

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 3

PHẦN 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 4

1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam 7

1.3 Ưu nhược điểm khi sử dụng các dạng năng lượng mặt trời khác 10

1.3.1 Ưu điểm 10

1.3.2 Nhược điểm 10

1.4 Ứng dụng các dạng năng lượng mặt trời vào đời sống và thực tiễn 11

1.4.1 Chuyển bức xạ năng lượng mặt trời thành điện năng 11

1.4.2 Chuyển bức xạ năng lượng mặt trời thành nhiệt năng 15

1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bếp năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới 19

1.5.1 Tình hình sử dụng bếp năng lượng mặt trời trên thế giới 19

1.5.2 Tình hình sử dụng bếp năng lượng mặt trời ở Việt Nam 20

1.6 Mục tiêu và các nhiệm vụ chính của đề tài 22

1.6.1 Mục tiêu của đề tài 22

1.6.2 Các nhiệm vụ chính của đề tài: 22

PHẦN 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2 Phạm vi nghiên cứu 23

2.3 Phương pháp nghiên cứu 23

PHẦN 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24

3.1 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Thừa Thiên Huế và khả năng ứng dụng của thiết bị bếp kiểu hộp dùng năng lượng mặt trời 24

3.1.1 Bản chất của năng lượng bức xạ mặt trời 24

3.1.2 Tính chất bức xạ và truyền nhiệt của năng lượng mặt trời 29

3.3 Khảo sát khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời của các vật liệu 33

3.4 Xác định nhu cầu đun nấu cho các hộ gia đình 35

3.5 Một số phương pháp đun nấu phục vụ cho sinh hoạt hiện nay ở nước ta và trên thế giới 37

3.6 Nguyên lý chung của thiết bị đun nấu sử dụng năng lượng mặt trời 38

3.6.1 Phương pháp hội tụ tiêu điểm 38

3.6.2 Phương pháp bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính 40

3.6.3 Hấp thụ bức xạ nhiệt bằng vật liệu có hệ số hấp thụ cao 40

3.6.4 Giữ nhiệt và chống tổn hao bằng quá trình khuếch tán, dẫn nhiệt 41

3.7 Chế tạo và cải tiến mẫu thiết bị và khảo nghiệm thực tế 41

3.7.1 Thiết kế, chế tạo cải tiến mẫu thiết bị đun dùng năng lượng mặt trời 41

3.7.2 Cải tiến thiết bị đun năng lượng mặt trời 43

3.7.3 Khảo nghiệm thực tế 44

3.7.4 Kiểm tra năng suất và chất lượng thức ăn thu được khi đun nấu dùng năng lượng mặt trời 46

3.8 Tính toán, thiết kế kết cấu bếp đun dùng năng lượng mặt trời 47

3.9 Thực nghiệm xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng bếp cải tiến 49

3.10 Phân tích ưu nhược điểm, hiệu quả kinh tế của từng mẫu thiết bị cải tiến và khả năng ứng dụng 50

PHẦN 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

4.1 Kết luận 52

4.2 Kiến nghị: 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay với xu hướng phát triển của thế giới thì việc sử dụng các dạngnăng lượng sạch vào đời sống giữ một vị trí quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế Nó có thể giải quyết được các vấn đề về ôi nhiễm môi trường, sựnóng lên của trái đất các dạng năng lượng sạch đó là: Năng lượng gió, thủy triều, địa nhiệt, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng hạt nhân

Trong số các dạng năng lượng sạch trên thì năng lượng mặt trời là dạngnăng lượng được sử dụng phổ biến nhất, hiệu quả kinh tế cao Việc chuyển hóa từ các bức xạ mặt trời thành điện năng và nhiệt năng có thể dùng để chạy máy phát điện, đun nước nóng, nấu cơm, sấy khô nông sản

Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, nắng quanh năm, có cường

độ bức xạ mặt trời tương đối cao, gần 330000 m2 và 3000 giờ nắng Đối với các hộ gia đình thì việc sử dụng chất đốt như than, củi, rơm rạ dùng để đun nấu là chủ yếu Chính điều này có thể làm cạn kiệt tài nguyên, gây ra tình trạng chặt phá rừng bừa bãi, làm cho lũ lụt, hạn hán xảy ra liên miên, khí hậu trái đất nóng lên gây hiệu ứng nhà kính

Để khắc phục được việc đun nấu bằng rơm rạ, than, củi có năng suất thấp và làm cạn kiệt tài nguyên môi trường, gây ra các vấn đề nóng bỏng của toàn cầu như hiệu ứng nhà kính, lụt lội nên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cải tiến bếp đun năng lượng mặt trời dùng cho các hộ gia đình khu vực miền trung” để giải quyết vấn đề trên

PHẦN 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch được con người đưa vào

sử dụng từ rất sớm Nhưng nó thực sự được áp dụng vào đời sống thì mãi đếncuối thế kỷ 18 Giai đoạn này thì ngành công nghiệp năng lượng mặt trời mớithực sự phát triển mạnh Các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu về năng lượngmặt trời để nâng cao hiệu quả sử dụng của nó Làm sao để nâng cao năng suấthấp thụ được bức xạ mặt trời là lớn nhất Những nước có sa mạc hoặc gầnxích đạo thì có thể phát triển mạnh về công nghiệp năng lượng mặt trời Từsau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973 thì năng lượngmặt trời càng được quan tâm và chú ý hơn Các nhà khoa học tập trung nghiêncứu ứng dụng của năng lượng mặt trời theo hai hướng Đó là biến đổi bức xạnăng lượng mặt trời thành năng lượng điện năng và biến năng lượng mặt trờithành nhiệt năng

+ Chuyển bức xạ năng lượng mặt trời thành điện năng nhờ sử dụng pinmặt trời hay hiệu ứng quang điện Khi bức xạ năng lượng mặt trời chiếu lênvật liệu bán dẫn hay điện môi Khi đó các e thoát khỏi trạng thái liên kết vàchuyển thành e tự do ( chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn) nhưng khôngbay ra ngoài Dẫn đến làm tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn hay điện môi.Nếu ta nối hai bề mặt của vật liệu bán dẫn thì sẽ có một dòng điện chạy trong

đó Hiện nay thì nhờ tấm pin mặt trời mà ta có thể biến bức xạ mặt trời thànhđiện năng để phục vụ cho sinh hoạt hay dùng để phát đèn điện chiếu sángcông cộng hoặc có thể dùng để chiếu sáng cho các khu vực ở vùng sâu vùng

xa hải đảo, những nơi mà chưa thể kéo điện lưới đến được Việc lắp ráp pinmặt trời có thể lắp ở mọi nơi có ánh sáng mặt trời Có thể lắp ráp trên khônggian để rồi từ đó lấy điện về trái đất Còn chuyển bức xạ năng lượng mặt trờithành nhiệt năng thì người ta sử dụng nguyên lý chung là bẩy nhiệt nhờ hiệuứng lồng kính hoặc là hội tụ tiêu điểm nhằm tập trung nhiệt về một chổ và giữnhiệt để tránh thất thoát nhiệt ra ngoài và được sử dụng với nhiều mục đíchkhác nhau như: dùng để sấy khô các loại nông sản, đun nước nóng, nấucơm

Trong thập kỷ 1990, sự phát triển của ngành năng lượng mặt trời gặpnhiều trở ngại do giá các loại nhiên liệu hóa thạch vẫn ở mức thấp và khôngnhận được sự khuyến khích từ chính phủ của các nước Tuy nhiên, việc giácác nhiên liệu truyền thống tăng vọt, những lo ngại về biến đổi khí hậu toàncầu và các biện pháp khuyến khích phát triển năng lượng bền vững đã giúpnăng lượng mặt trời thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nước.

Theo tính toán, nếu so sánh trên một đơn vị sản lượng điện, các nhàmáy sản xuất điện nhờ sử dụng nhiệt bức xạ của mặt trời (CSP) tốn ít diệntích hơn so với nhà máy thủy điện (tính cả diện tích đất ngập lụt) và cả cácnhà máy nhiệt điện chạy than (tính cả lượng đất phục vụ khai mỏ)

Mỹ và Tây Ban Nha hiện đang dẫn đầu thế giới về phát triển nănglượng mặt trời với công suất dự kiến đến năm 2012 đạt hơn 5.600MW, chiếmtrên 90% tổng công suất ước tính của toàn thế giới vào năm đó Sản lượng từnhững nhà máy năng lượng mặt trời sẽ đủ để đáp ứng nhu cầu điện của hơn1,7 triệu hộ gia đình.[8]

Tổ hợp sản xuất điện nhiệt Mặt trời lớn nhất đang hoạt động hiện nay làSolar Electricity Generating Station công suất 354MW ở sa mạc Mojave,bang California, Mỹ Đi vào hoạt động từ năm 1985, tổ hợp này đã sản xuất

đủ điện cung cấp cho 100.000 hộ gia đình trong gần hai thập niên qua Hàngchục nhà máy CSP mới cũng đang được xây dựng ở Mỹ với công suất dự kiếnđược đưa vào sử dụng trong năm 2012 đạt 3.100MW.[8]

Tây Ban Nha cũng đã phát triển ngành năng lượng mặt trời từ giữa thậpniên 1980 và đưa vào sử dụng nhà máy CSP có quy mô thương mại đầu tiên

từ năm 2007 Nhận thấy lợi ích vô tận của nguồn năng lượng mặt trời, nhiềunước khác như Pháp, Hy Lạp, Italy, Bồ Đào Nha, Australia, Ai Cập, Iran,Israel, Mexico, Morocco, Nam Phi và Các Tiểu Vương quốc Arập Thốngnhất, đang đẩy mạnh phát triển ngành năng lượng sạch và bền vững này.Pháp, Hy Lạp, Italia và Bồ Đào Nha dự kiến nâng công suất lắt đặt CSP lên3.200MW vào năm 2020, trong khi Trung Quốc đặt kế hoạch nâng công suấtđiện từ mặt trời lên 1.000 MW vào cùng thời điểm đó.[8]

Theo các nhà nghiên cứu, các nhà máy CSP chiếm chưa đến 0,3% diệntích sa mạc của Bắc Phi và Trung Đông sẽ có thể sản xuất đủ điện phục vụ hai

khu vực này cộng thêm với Liên minh châu Âu (EU) Dựa trên cơ sở này, vàonăm 2003, Hợp tác Năng lượng Tái sinh liên Địa Trung Hải đã đề xuất ýtưởng phát triển hệ thống năng lượng Desertec Concept, nhằm xây dựng các

tổ hợp sản xuất điện năng lượng Mặt trời có tổng công suất 100.000MW trênkhắp Trung Đông và Bắc Phi vào năm 2050 và truyền tải điện từ hai vùng nàysang châu Âu Ước tính đến năm 2014, công suất điện từ các nhà máy CSP sẽđạt 6.400MW Và nếu tốc độ tăng trưởng hàng năm của CSP đến hết năm

2012 được duy trì đến năm 2020, công suất điện sản xuất từ năng lượng Mặttrời trên toàn thế giới sẽ vượt mức 200.000MW, tương đương với công suấtcủa 135 nhà máy nhiệt điện đốt than.[8]

Hiện nay thì Nhật Bản đang chuẩn bị phát triển một dự án lớn về nănglượng mặt trời vũ trụ nhằm tích lũy năng lượng điện từ vũ trụ dưới dạng sóngviba hoặc tia laze cung cấp cho các hộ gia đình ở Nhật Bản trong vòng bathập kỷ Trạm năng lượng dự tính sẽ sản xuất khoảng 1GW điện từ 4km2 diệntích tấm pin năng lượng mặt trời, đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho 300ngàn hộ dân Nhật Bản với mức tiêu dùng năng lượng hiện nay Tấm pin nănglượng khổng lồ này sẽ ở trên quỹ đạo cách bề mặt Trái đất khoảng 36 ngànkilômét do đó nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi thời tiết và có khả năng sản xuấtđiện liên tục Bước đầu tiên trong hành trình đưa dự án trên đến thành công làviệc phóng một vệ tinh khớp với tấm pin năng lượng mặt trời vào năm 2015.Tấm pin này sẽ phát điện xuống mặt đất JAXA, cơ quan nghiên cứu hàngkhông vũ trụ Nhật Bản dự tính hệ thống năng lượng mặt trời vũ trụ sẽ đi vàohoạt động vào khoảng năm 2030.[10]

Một dự án sử dụng năng lượng mặt trời lớn nữa là: Sân vận động đầutiên trên thế giới được xây dựng mà có thể tự cung và cầu về điện nhờ pin mặttrời Sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới sắp hoànthành ở Kaohsiung, Đài Loan Nó được xây dựng để chào đón Thế vận hộiThế giới vào tháng 7 Mái che bằng các tấm pin năng lượng mặt trời Mái cheđược làm 8.844 tấm pin mặt trời sẽ phát năng lượng điện cho 3.3300 bóngđèn và 2 màn hình tivi khổng lồ của kiến trúc này Các tấm pin này sẽ phát1,14 triệu kWh điện mỗi năm, ngăn chặn 660 tấn khí CO2 được thải ra khôngkhí hàng năm từ các trạm phát điện.[7]

1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam.

Năng lượng mặt trời (NLMT) là một trong các hình thức năng lượng tái tạo quan trọng Tiềm năng này ở Việt Nam rất lớn, với lượng bức xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình.[19]

Cho đến nay, có hàng chục nghìn gia đình sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời trong sinh hoạt Thị trường năng lượng mặt trời đã bước đầu hình thành với hơn 60 nhà cung cấp, với khoảng 10.000 máy bán được trong một năm.[19]

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vôcùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến

8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tươngđối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến làcác vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ(Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…

Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu vàbảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngànhcông nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượnghóa thạch, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường Vìthế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạngnăng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sửdụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyêntruyền thống

Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽgóp phần đẩy nhanh Chương trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm

2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hảiđảo…)

Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chưa có lưới điệnquốc gia, Phân viện Vật lý TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm từđiện mặt trời Tại một số huyện như: Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, điện mặt

trời được sử dụng khá nhiều trong một số nhà văn hoá, bệnh viện… Đặc biệt,công trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờcung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo.[17]

Năm 1995 hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buônChăm, xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt trời Gầnđây dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ với công suất 125

kW được lắp đặt tại xã Trang huyện Mang Yang tỉnh Gia Lai và dự án phátđiện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW đặt tại làngKongu 2 huyện Đăk Hà tỉnh Kon Tum do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện

đã góp phần cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số [17]

Từ thành công của Dự án này, Viện Năng lượng (EVN) và Trung tâmNăng lượng mới (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) tiếp tục triển khai ứngdụng giàn pin mặt trời nhằm cung cấp điện cho một số hộ gia đình và cáctrạm biên phòng ở đảo Cô Tô (Quảng Ninh), đồng thời thực hiện Dự án “Ứngdụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc tỉnh LạngSơn Dự án đã hoàn thành vào tháng 11/2002 [17]

Ở nước ta thì hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời

đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và ĐàNẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một nguồn nănglượng đáng kể, đây là nguồn năng lượng sạch không gây ảnh hưởng đến môitrường và cảnh quan tự nhiên Theo tính toán của các nhà khoa học thì nếu sửdụng hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ở quy mô côngnghiệp được sử dụng cho các nhà máy chế biến thực phẩm, dệt nhuộm, nhàmáy sản xuất xi măng thì hàng năm sẽ tiết kiệm cho nhà máy một lượng tiềnđáng kể cho chi phí điện năng Thiết bị được lắp đặt trên mái nhà không cầnbảo dưỡng thường xuyên, hoạt động rất đảm bảo, chi phí sản xuất và lắp đặtcòn hơi cao Thiết bị dùng cho các hộ gia đình có giá từ 3,5-5 triệu đồng.Bình đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời vốn được coi là có khả năngứng dụng rộng rãi trên thị trường Việt Nam với hơn 10 doanh nghiệp sản xuấtthì lại vướng phải khó khăn khác là thiếu sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tưnghiên cứu cũng như kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất Giá điệncủa Việt Nam vẫn còn được Nhà nước trợ giá, nên người dân chưa quan tâm

nhiều đến bình năng lượng mặt trời Một số sản phẩm bình năng lượng mặttrời trong nước phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, khí hậu Việt Nam nhưnglại chưa cạnh tranh được với hàng Trung Quốc về kiểu dáng, chất liệu và giáthành… nên khó đến tay người tiêu dùng.

Ngoài chiếu sáng, năng lượng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnhvực nhiệt, đun nấu Từ năm 2000 – 2005, trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực

và năng lượng mới (Đại học Đà Nẵng), phối hợp với Tổ chức phục vụ nănglượng mặt trời triển khai Dự án “Bếp năng lượng mặt trời” cho các hộ dân tạilàng Bình Kỳ 2, Phường Hòa Quý, Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng) Bên cạnh

đó, Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới cũng nghiên cứu năng lượng mặttrời để đun nước nóng và đưa loại bình đun nước nóng này vào ứng dụng tạimột số tỉnh: Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La…

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng thời gian qua, các sản phẩm sử dụngnăng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ tập trung tạinông thôn, miền núi, nơi mức sống tương đối thấp Hiện nước ta có hơn 3.000

hộ dân vùng sâu, vùng xa được điện khí hóa bằng hệ điện mặt trời gia đình,8.500 hộ sử dụng điện mặt trời qua các trạm xạc ắc quy… Nhưng tại khu vựcnội thành như thành phố Hồ Chí Minh, chỉ có duy nhất ngôi nhà sử dụng điệnmặt trời (của kỹ sư Trịnh Quang Dũng do tổ chức SIDA Thủy Điển tài trợ) Ở

Hà Nội, số công trình sử dụng pin mặt trời mới chỉ đếm trên đầu ngón taynhư: Hệ thống pin mặt trời hòa vào mạng điện chung của Trung tâm Hội nghịQuốc gia, trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ CôngThương, hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiênđược lắp đặt tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc… [17]

Hiện nay vào ngày 20/3/2010 thì Trung tâm Tiết kiệm năng lượngTPHCM (ECC) cùng với Công ty cổ phần năng lượng Mặt Trời Đỏ sẽ khởicông xây dựng nhà máy sản xuất panel pin mặt trời, với tổng vốn đầu tư là 10triệu USD Đây là nhà máy sản xuất panel mặt trời đầu tiên ở Việt Nam Nhàmáy sẽ được xây dựng tại cụm công nghiệp nhựa Hòa Đức, tỉnh Long An.Nhà máy pin mặt trời được đầu tư xây dựng trong hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: xây dựng và lắp ráp panel pin mặt trời từ solar cell (tế bàoquang điện) nhập khẩu (chủ yếu từ Đức và Pháp), công suất 3MWp/năm

Giai đoạn 2: sẽ sản xuất solar cell từ thỏi silic với công suất5MWp/năm và đồng thời nâng cấp công suất lắp ráp panel lên 5MWp/năm

Sản phẩm giai đoạn 1 là các tấm panel 25Wp-175Wp, và có khả năngkết nối thành các trạm phát điện công suất lớn 40% sản phẩm sẽ phục vụ thịtrường trong nước, 60% gia công xuất khẩu

1.3 Ưu nhược điểm khi sử dụng các dạng năng lượng mặt trời khác.

1.3.1 Ưu điểm

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo và vô tận củanăng lượng mạnh có nguồn gốc từ mặt trời Khoa học cho chúng ta biết Mặttrời có nguy cơ tử vong hay là bị biến mất trong vài tỷ năm nữa Khi đó thì docác phản ứng trong lòng của nó làm cho mặt trời bị phá hủy dần dần Nhưng

kể từ thời điểm này đến khi Mặt trời bị phá hủy là khá xa cho nên chúng tacần tần dụng triệt để bức xạ của năng lượng mặt trời để áp dụng vào đời sống

Nguồn năng lượng Mặt trời là một trong những nguồn năng lượng sạch

sẽ và an toàn, nó không gây ôi nhiễm môi trường Nó có thể dùng để chạymáy phát điện, sấy khô nông sản, dùng làm pin mặt trời, đun nước nóng đây là nguồn năng lượng dễ tìm, rẻ tiền, có lợi ích về kinh tế

1.3.2 Nhược điểm

Năng lượng mặt trời là nguồn bức xạ từ mặt trời phân tán (mật độ nănglượng rất thấp) Những bức xạ này là những bức xạ có bước sóng rất ngắn, cónhiệt độ rất cao Nhưng khi về đến trái đất thì nó bị tán xạ đi một phần làmcho năng lượng của nó bị giảm cho nên khi tận thu năng lượng mặt trời thìhiệu suất để thu được nó là không cao lắm

Chi phí cho một hệ thống pin mặt trời là hơi cao Một hệ thống nănglượng mặt trời cung cấp năng lượng, một hệ thốn năng lượng mặt trời cungcấp điện trung bình đủ cho sinh hoạt của một ngôi nhà bất cứ nơi nào có thể

có giá từ $ 6,000 đến $ 20,000 Thấy được nhu cầu thị trường tiềm năng trên

hệ thống năng lượng mặt trời, các ngành công nghiệp với những nỗ lực tiếptục nghiên cứu đang cố gắng giảm chi phí nguyên vật liệu Và có thể sử dụngnhững vật liệu rẻ tiền sẵn có ở địa phương.[18]

Năng lượng mặt trời không thể tạo ra vào ban đêm, khi đó thì không cóánh sắng mặt trời, hay là trong mùa mưa hoặc mùa đông khi mặt trời ẩn sau

những đám mây Thì đòi hỏi phải dự trữ được năng lượng thì có thể sử dụngđược Đây là một trong những bức xúc của những người khi sử dụng nănglượng mặt trời Đòi hỏi phải có một một giải pháp tình thế.

1.4 Ứng dụng các dạng năng lượng mặt trời vào đời sống và thực tiễn.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từrất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất vàtrên những quy mô rộng thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18 và chủyếu ở những nước có nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Có 2lĩnh vực chủ yếu mà hiện nay đang được ứng dụng và nghiên cứu Thứ nhấtbiến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng pin mặt trờihay nhờ các tế bào quang điện, các pin mặt trời sản xuất ra điện năng mộtcách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới Lĩnh vực thứ 2 là sửdụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạngnhiệt năng dùng để dùng vào các mục đích khác nhau

Bức xạ năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, không

có khí thải, không gây ôi nhiễm môi trường Tuy nhiên nguồn năng lượng này

có nhược điểm là phân tán (mật độ năng lượng rất thấp) và không thể sử dụngliên tục (không thu được vào ban đêm và khi trời mưa)

Việt nam là một nước nhiệt đới có số giờ nắng là rất cao vì vậy sử dụngnăng lượng mặt trời là một trong những chiến lược lâu dài góp phần bổ sungcho nhu cầu năng lượng của đất nước có tầm quan trọng rất lớn Là một nước

có khí hậu nhiệt đới, chịu ảnh hưởng của gió mùa từ tháng 2 đến tháng 4 cónhiều mây ở vùng trời phía bắc, do đó tổng số giờ nắng và tổng bức xạ ở cáctĩnh phía bắc thấp hơn các tĩnh phía nam Các tĩnh ở phía Bắc thì có 4 mùaquanh năng, còn ở phía Nam thì có 2 mùa nắng và mưa thôi Từ Nghệ An trở

ra có từ 1700 đến 1800 giờ nắng/năm và tổng bức xạ có từ 2000 đến 2500 giờnắng /năm cớ tổng lượng bức xạ tương đối cao từ 125 đến 175 KCal/cm2/năm

1.4.1 Chuyển bức xạ năng lượng mặt trời thành điện năng

Một trong những phương pháp dùng để chuyển năng lượng mặt trờithành điện năng là nhờ các tế bào quang dẫn hay còn gọi là pin mặt trời Pinmặt 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 đặt

ở bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ, ứngdụng của năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rấtnhanh, nhất là ở các nước phát triển

Ngày nay thì người ta ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không

vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt hằng ngày thay thế dần năng lượngtruyền thống, dùng để nuôi tôm làm hoạt động hệ thống cung cấp ô xi chotôm, các máy phát điện với công suất nhỏ áp dụng cho các làng xã và lớn hơnnữa là hệ thống cung cấp điện cho cho các vùng khác nhau Ngoài ra thì nócòn có thể chạy máy bơm nước dùng để tưới tiêu cho các hộ gia đình ở nôngthôn

Tạo được những pin mặt trời silicon có tính thương mại cao nhất hiệnnay Sự tiến bộ của công nghệ sản xuất pin mặt trời đã có những bước pháttriển đáng kể được ứng dụng trong kỹ thuật senser cũng như cung cấp nănglượng cho các vệ tinh trong vòng 30 năm qua Ngày nay thì người ta đã chếmới chuyển đổi được 22% lượng ánh sáng hấp thụ và công suất tối đa chỉ đạt

26% Riêng đối với Boeing-Spectrolab (Mỹ) vừa phát triển loại pin mặt trời

có thể chuyển đổi 41% ánh sáng hấp thụ thành điện, trong khi sản phẩm thương mại hiện nay mới đạt con số 22% Hãng dự kiến giảm giá từ 3

USD/watt xuống 1 USD, còn giá của pin theo kỹ thuật hiện tại là 8 USD/watt.[12]

+ Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn( thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điệnmột chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay làloại sử dụng Silic tinh thể

Pin silic tinh thể là một đĩa dày khoảng 250 µm có pha thêm Bor, mặttrước đĩa có chứa phosphor khuếch tán với độ sâu khoảng 0,3µm phosphor tácđộng mạnh tác động trong lớp mỏng silic tạo ra một lượng dư electron dẫn,nhờ đó lớp này trở thành lớp dẫn Ở phần còn lại của đĩa được tạo ra mộtlượng dư lỗ trống do đó trở thành lớp dẫn p Mặt trước của đĩa silic có tiếpxúc dạng ngón với kim loại trên toàn bề mặt Bề mặt được phủ một lớp chống

phản xạ để giữ hao tổn phản xạ ở giá trị nhở Khi chiếu ánh sáng vào pinquang điện một phần sẽ bị phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điện cómột lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N Mộtphần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trốngnằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n Với các bước sóng thích hợp

sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết Sẽ không thể cóchuyện gì nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp Đó là lí dogiải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh

ra dòng điện Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điệntrường do đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phíabán dẫn loại p Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p

sẽ đo được một hiệu điện thế.[1]

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

+ Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pinmặt trời từ các tinh thể silic chia làm ba loại

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trìnhCzochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắttiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ởgóc nối các module

Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận đượclàm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiênhiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ

bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc

đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhấttrong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượngbức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pinmặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pinmặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hoá trị 4 Từtinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạpchất donor là photpho có hoá trị 5 Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại

p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pinmặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế

hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạmặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30 mA/cm2.[1]

Hình 1.2 Cấu tạo pin mặt trời+Dòng quang điện phụ thuộc vào:

- Số cặp electron và lỗ trống được tạo ra

- sự hấp thụ ánh sáng

- sự hụt năng lượng giữa lớp hóa trị và lớp dẫn (Eg)

- độ dài khuếch tán

- Hiệu suất góp: phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu

1.4.2 Chuyển bức xạ năng lượng mặt trời thành nhiệt năng

Biến đổi năng lượng bức xạ năng lượng mặt trời thành nhiệt năng làmột trong những phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng nănglượng mặt trời Sự chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể được thực hiện vớihiệu suất cao nhờ các bộ góp nhiệt, các colecter ở nhiệt độ thấp và cần chi phíchế tạo lớn Trong nhiều thiết bị hiệu suất chuyển đổi có thể lên tới 60%.Nhiệt năng tạo thành có thể dùng để sấy khô nông sản, nấu cơm, chưng lọcnước tinh khiết và đun nước nóng, làm lạnh hoặc điều hòa không khí

Nguyên lý chuyển hóa quang nhiệt:

“Nguyên lý hội tụ bức xạ tiêu điểm, trong đó có hội tụ theo đường

và hội tụ theo điểm”.

Loại hội tụ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạngparaboloit tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ tương đối cao nhờ vậy tập trung

ở tiêu điểm nhiệt độ từ vài trăm đến trên 30000C Nếu cho chất lỏng như

nước, dầu, qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả dưới áp suất cao.Cho hơi này qua các tua pin sẽ phát ra điện Ngoài ra thì hội tụ theo điểm nàythì có thể dùng cho một số kiểu bếp barabolt để nấu ăn khi trời nắng Giáthành của một bếp parabol là 900.000đ.

Một trong những cách hội tụ bức xạ theo điểm là sử dụng các gươnghội tụ ánh sáng mặt trời vào một đĩa duy nhất lắp trên đỉnh tháp trung tâm

Bức xạ nhiệt của ánh sáng Mặt Trời sẽ làm nóng chảy muối bên trong chảo vànhiệt lượng của muối nóng chảy này sẽ được sử dụng để tạo điện thông quancác máy phát dạng hơi thông thường Nước hoặc dung dịch đun được bơmvào tháp sẽ được đun nóng để sử dụng trực tiếp hoặc chuyển thành hơi đểquay turbine Các gương này có khả năng theo dõi và quay theo sự thay đổicủa hướng nắng, từ đó luôn đảm bảo sự hội tụ tối đa của ánh sáng Mặt Trờitrên dĩa thu Mặt thuận lợi của hệ thống này là muối nóng chảy có khả nănggiữ nhiệt rất hiệu quả, có thể kéo dài đến vài ngày trước khi được sử dụng đểchuyển thành điện, có nghĩa là điện vận có thể được sản xuất trong nhữngngày âm u hoặc vào vài giờ sau hoàng hôn

Hình 1.3 Gương phản xạLoại hội tụ theo đường là các thiết thiết bị hình trũng Thiết bị này làmột gương cầu dài dùng hội tụ ánh sáng lên trên các ống dẫn chứa dung dịchđun (dầu-oil) Dung dịch đun trong ống có thể đạt đến nhiệt độ 4000C như tại

Solar Electric Generating Systems tại vùng Nam California Dung dịch đunnhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước tạo hơi quay turbin và rồivận hành máy phát điện.

Hình 1.4 Hội tụ theo đường

“Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính”.

Hiệu ứng lồng kính là hiện tượng tích lũy năng lượng bức xạ của mặttrời 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

Hình 1.5 Hiệu ứng lồng kính

Hiệu ứng lồng kính là hiệu ứng như sau: Các tấm kính có đặc tính làcho các bức xạ MT có bước sóng nhỏ hơn khoảng 0,7x 10-6m đi qua dễ dàng,nhưng lại ngăn không cho các bức xạ MT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x

10-6m Bức xạ MT có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m là các bức xạnhiệt nó nung nóng các vật khi bị các tia này chiếu vào Lợi dụng đặc tính nàycủa kính người ta tạo ra các hộp thu NLMT như hình 3 để sản xuất nướcnóng, sấy nông sản phẩm, sưởi ấm,

Hình 1.6 Cấu tạo và nguyên lý thu NLMT nhờ hiệu ứng lồng kính

Tia mặt trời xuyên qua tấm kính (1) tới tấm hấp thụ (2) bị hấp thụ phầnlớn năng lượng Các tia nhiệt thứ cấp từ tấm hấp thụ có bước sóng λ > 0,7μmm

bị tấm kính ngăn lại Như vậy hộp thu cho ánh sáng mặt trời vào mà khôngcho ra nên tấm hấp thụ ngày càng nóng lên Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể sửdụng để đun nước, sấy, sưởi ấm, Hiệu suất thu nhiệt của bộ thu có thể đạtđến 50%

Bộ phận thu nhiệt là một hộp có phần nắp đậy là vật liệu trong suốt nhưkính hoặc vật liệu tổng hợp (màng mỏng polyetilen hoặc nhựa cứng), mặt đáy

là kim loại được bôi đen (có thể dùng sơn đen trộn với bồ hóng hoặc vật liệutương tự để tạo vật đen không bóng) Khi bức xạ mặt trời chiếu qua vật trongsuốt thì hầu như toàn bộ phổ bức xạ xuyên qua vào trong hộp làm nóng bềmặt bôi đen Mặt đen hấp thụ nhiệt và phát ra bức xạ nhiệt, nếu không có nắptrong suốt ngăn lại thì bức xạ nhiệt sẽ tản ra môi trường và nhiệt độ của mặthấp phụ sẽ ổn định Nhờ có nắp trong suốt ngăn bức xạ có bước sóng dài nênnhiệt độ trong hộp càng cao Hộp thu kiểu này thu được cả tán xạ khi trời cómây, không mưa

1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bếp năng lượng mặt trời trong nước và trên thế giới.

1.5.1 Tình hình sử dụng bếp năng lượng mặt trời trên thế giới

Tại Auroville, Ấn Độ, bếp mặt trời hình chén dùng một chén lớn hìnhcầu bất động để phản chiếu ánh nắng Ánh nắng phản chiếu được hội tụ vàomột đường thẳng góc với bề mặt của chén Một hệ thống kiểm soát bằng máytính di chuyển bộ phận tiếp nhận đến đúng vị trí hội tụ Hơi nước được phát ra

ở nhiệt độ lên đến 150°C và được chuyển vào nhà bếp để đun nấu 2000 bữa

ăn mỗi ngày

Làng Bysanivaripalle, một ngôi làng sản xuất tơ lụa, nằm cách thànhphố Tirupati, bang Andhra Pradesh 125km về phía tây bắc, là ngôi làng đầutiên dùng toàn bếp năng lượng mặt trời Người ta dùng các bếp parabol kiểu

"Sk-14" do Intersol, một tổ chức phi chính phủ người Úc biếu tặng năm 2004

Hội Bolivia Inti-Sud Soleil của người Pháp quảng bá tại châu Mỹ latinh, và nhất là ở Bolivia, cách chế tạo các bếp năng lượng mặt trời Hội đến

gặp các phụ nữ và trẻ em vốn đi kiếm củi hàng ngày, chỉ dẫn và giúp đỡphương tiện cho họ thực hiện các bếp này.

Hội Atouts Soleil lập các dự án giúp các nước ở châu Phi Bếp của hộiAtouts Soleil có thể dùng để nướng thịt, và cho phép trở thịt trong khi nướng.Ông Michael Hones người Đức đã giúp nhiều nhóm phụ nữ xứ Lesotho làm

lò nướng bánh bằng bếp năng lượng mặt trời

Giấy bìa cứng, giấy nhôm và bao chất dẻo cho hơn 10.000 bếp đã đượcbiếu cho trại tị nạn Iridimi và trại tị nạn Touloum ở Chad do các cố gắngchung của hội Jewish World Watch, hội KoZon người Hà Lan và SolarCookers International Những người tị nạn tự làm lấy bếp từ vật liệu biếutặng, cộng thêm với nhựa cây keo Ả Rập (Arabic gum) mua trong vùng

Bếp lớn có công suất 1000kW ở Odeillo Bếp năng lượng mặt trời lớnnhất thế giới hiện ở Odeillo, miền nam nước Pháp Bếp đạt đến nhiệt độ hơn3000°C do Trung Tâm Nghiên Cứu Khoa Học Quốc Gia (Centre national de

la recherche scientifique - CNRS) thiết lập

Hiện nay trên thế giới bếp mặt trời được sử dụng ở nhiều nước Ấn Độ,Trung Quốc, Bolivia… Đặt biệt ở Châu Phi được bếp sử dụng nhiều bởi nơiđây có số giờ nắng nhiều nhất và dân số còn thiếu thốn về mặt năng lượng Đa

số bếp chế tạo ở Châu Phi đều là bếp hình hộp vì tận dụng được những vậtliệu sẵn có và rẻ phù hợp với người dân

1.5.2 Tình hình sử dụng bếp năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam là nước giàu nguồn năng lượng mặt trời Hằng năm các vùng

ở phía Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung

và một số vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng Nhưng rất ít người biếttận dụng điều kiện thuận lợi cuả năng lượng mặt trời vào sử dụng trong việcđun nấu hằng ngày

Kể từ năm 2000 một số bếp đun nấu bằng năng lượng mặt trời rất đơngiản đã được giới thiệu bởi tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời (Solar Serve)tại một vài huyện trong tỉnh Quảng Nam Hiện nay có đến hơn 1500 hộ giađình đã được cung cấp bếp và hầu hết có khoảng 79% số bếp đó được sử dụngthường xuyên Người dân đã có thể tiết kiệm được tiền bạc, thời gian và ngay

cả cải thiện tốt về sức khoẻ của họ

Bếp hình hộp đã đến được với các nông dân nghèo các vùng Điện Bàn,Núi Thành, Thăng Bình (Quảng Nam), các hộ gia đình dân tộc Cơ tu ở HòaPhú (Đà Nẵng), Ninh Hải (Ninh Thuận) dùng hoàn toàn miễn phí do dự áncủa trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng cung cấp Loại bếp hình hộp có thểdùng để nấu tất cả các món ăn trong gia đình Bà Trương Thị Tránh là ngườiđầu tiên ở Bình Dương, Thăng Bình xung phong nhận một bếp NLMT vềdùng và bà không chỉ nấu bữa ăn mà còn nấu luôn cả nước bán mì Quảng vàrất hể hả với kết quả mỗi tháng tiết kiệm được 200 nghìn đồng tiền mua thancủi Theo sau bà, hàng trăm hộ khác đã xin tham gia tập huấn cách sử dụng vàbảo quản rồi nhận bếp miễn phí Chuyện nông dân miền Trung bắt đầu sửdụng NLMT nấu nướng chỉ có thế.[15]

Ở khu vực Bình Kỳ 2, phường Hòa Quý, hộ nào cũng có bếp nănglượng mặt trời để giữa sân Bếp kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, thuận lợi trongđun nấu và bảo quản Ông Lê Ngọc Oánh, ở tổ 8 cho biết, bà con ở đây rấtthích loại bếp này Những hộ không được chương trình hỗ trợ cũng tìm muabằng được Tính ra, mỗi tháng gia đình ông đỡ tốn 150 nghìn đồng tiền củi vàtiền điện

Đề tài nghiên cứu “Triển khai ứng dụng thiết bị năng lượng mặt trời tạicác hộ gia đình ở vùng nông thôn, miền núi TP Đà Nẵng” do PGS.TS HoàngDương Hùng thực hiện tại “làng năng lượng mặt trời “ Bình Kỳ 2, được Hộiđồng khoa học TP Đà Nẵng nghiệm thu tháng 12.2008 Đề tài đã đoạt giảicuộc thi sáng tạo khoa học-kỹ thuật do quỹ hỗ trợ sáng tạo khoa học – kỹthuật của hội liên hiệp khoa học – kỹ thuật Việt Nam tổ chức

Phó Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng cùng các côngtrình Bếp năng lượng mặt trời do PGS-TS Hoàng Dương Hùng cộng sựnghiên cứu chế tạo đã đem lại lợi ích thiết thực Ông Hùng cho rằng: Ngoàilợi ích về kinh tế, đỡ tốn thời gian, bếp năng lượng mặt trời giúp người dânnâng cao nhận thức về tận dụng, khai thác năng lượng sạch, góp phần bảo vệmôi trường Nếu như hộ nào cũng dùng bếp năng lượng mặt trời để đun nấu,

sẽ chấm dứt tình trạng sử dụng củi làm chất đốt, rừng sẽ được giữ gìn tốthơn Công trình này đoạt giải nhì Giải thưởng sáng tạo khoa học công nghệViệt Nam VIFOTEC năm 2009 Hiện chương trình Nghiên cứu triển khai ứng

dụng bếp năng lượng mặt trời đã hỗ trợ cho hơn 2.000 hộ nghèo ở khu vựcmiền Trung -Tây Nguyên sử dụng bếp này.[15]

1.6 Mục tiêu và các nhiệm vụ chính của đề tài.

1.6.1 Mục tiêu của đề tài

Chế tạo cải tiến 2 kiểu bếp hộp 2 gương và 3 gương, có kết cấu đơngiản, dễ dàng sử dụng

1.6.2 Các nhiệm vụ chính của đề tài:

+ Khảo sát quá trình hấp thụ và hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời.+ Các yếu tố ảnh hưởng và yêu cầu của các loại bếp đun

+ Lựa chọn kết cấu, vật liệu, loại bếp cho phù hợp

+ Tính toán thiết kế cải tiến 2 kiểu bếp đun và chế tạo mẫu cải tiến bếphộp 2 gương và bếp hộp 3 gương

+ Khảo nghiệm thực tế

+ Phân tích ưu nhược điểm, và khả năng áp dụng chế tạo thiết bị phục

vụ đời sống

PHẦN 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu.

+Năng lượng bức xạ mặt trời trên trái đất

+ Ứng dụng năng lượng mặt trời vào việc chế tạo cải tiến mẫu bếp hộp

2 gương và 3 gương

2.2 Phạm vi nghiên cứu.

+ Bếp dùng cho các hộ gia đình có 3-5 người

+ Bếp dùng cho các hộ gia đình ở miên trung

2.3 Phương pháp nghiên cứu.

+ Tiếp cận thông tin qua sách báo, đài, ti vi

+ Phương pháp tính toán, thiết kế

+ Phương pháp khảo nghiệm thực tế

PHẦN 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.

3.1 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Thừa Thiên Huế và khả năng ứng dụng của thiết bị bếp kiểu hộp dùng năng lượng mặt trời.

3.1.1 Bản chất của năng lượng bức xạ mặt trời

- Bức xạ mặt trời đến trái đất.

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn

110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg Nhiệt độ To trung

tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bìnhkhoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc

trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma

trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron.Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệthạch.[1]

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khốicầu khí khổng lồ Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đốilưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặttrời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3,nhiệt độ ước tính từ 14- 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷatmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua

đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe),can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cacbon ( C), silíc (Si)

và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km.Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độkhoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo

ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa cónhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khíquyển” của mặt trời.[1]

Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% làHêli, 0,1% là các nguyên tố khác Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặttrời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưađến sự tạo thành Hêli Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương làproton Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt

độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tớinhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng củacác lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2neutrino và một lượng bức xạ γ

4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rấtlớn Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và khôngtham gia vào các “biến cố” sau đó

Trong quá trình hình thành, nhiệt độ bên trong mặt trời sẽ tăng dần Khivùng tâm mặt trời đạt nhiệt độ T ≥ 107K, thì có đủ điều kiện để xảy ra phảnứng tổng hợp Hêli từ Hydrô, theo phương trình : 4H1 → He4 + q

Đây là phản ứng sinh nhiệt q = Δm.cm.c2, trong đó c = 3.108m/s là vận tốcánh sáng trong chân không, Δm.cm = (4mH - mHe) là khối lượng bị hụt, được biến

thành năng lượng theo phương trình Einstein Mỗi 1 kg hạt nhân H1 chuyểnthành He4 thì bị hụt một khối lượng Δm.cm = 0,01kg, và giải phóng ra nănglượng:

q = Δm.cm.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J

Lượng nhiệt sinh ra sẽ làm tăng áp suất khối khí, khiến mặt trời phát raánh sáng và bức xạ, và nở ra cho đến khi cân bằng với lực hấp dẫn Mỗi giâymặt trời tiêu hủy hơn 420 triệu tấn hydro, giảm khối lượng Δm.cm = 4,2 triệu tấn

và phát ra năng lượng Q = 3,8.1026 W[1]

Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển.

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến cácphản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Tất cả các dạngcủa bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Từtâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm

đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặttrời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1

- 10μmm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảngbước sóng 0,38 - 0,78μmm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Bức xạ bên trong khí quyển trái đất.

Bức xạ mặt trời khi đi qua bầu khí quyển trái đất thì bị suy yếu và bịkhuếch tán ra môi trường xung quanh, bị tán xạ, trong những ngày quangđãng, không có mây, thì cường độ bức xạ do được trên mặt đất vào thời làkhoảng 1000 W/m2

+ Bức xạ trực tiếp

Bức xạ mặt trời trực tiếp còn gọi là trực xạ Trực xạ là phần năng lượngmặt trời chiếu xuống mặt đất dưới dạng chùm tia song song Vào những ngàynắng trong phần phổ nhìn thấy của bức xạ mặt trời, trực xạ chính là phần tạo

ra những vết sáng trên mặt đất (chỗ mặt đất được chiếu sáng)

Cường độ trực xạ là năng lượng của chùm tia sáng trực tiếp chiếu đếnmột đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với tia tới trong một đơn vị thời gian.Nếu một nước mà có khí hậu nhiệt đới thì cường độ bức xạ phải trên 130Kcal/cm2

+ Bức xạ tán xạ (hay bức xạ khuếch tán) là phần năng lượng bức xạđược khí quyển, mây, hơi nước, các đám mây, bụi, khói của các nhà máy khuếch tán từ bầu trời xuống mặt đất Vào ban ngày khi đứng trong bóng dâmhoặc ngồi trong phòng mặc dù không được ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếuvào nhưng ta vẫn nhìn rõ mọi vật, phần bức xạ mặt trời giúp ta nhìn rõ mọivật trong trường hợp này chính là tán xạ.

Cường độ tán xạ là năng lượng tính bằng calo do bức xạ khuếch tán từbầu trời chiếu trên 1cm2 bề mặt nằm ngang trong một phút (cal/cm2/phút).Vào những ngày trời trong bức xạ khuếch tán có thể đạt 0,1-0,25cal/cm2/phút Còn những ngày trời mây thì bức xạ khuếch tán chỉ đạt được0,08-0,1 cal/cm2/phút

+ Tổng xạ là lượng bức xạ mặt trời tổng cộng chiếu xuống mặt đất.Hằng ngày tổng xạ thường có giá trị lớn nhất vào giữa trưa Chừng 60% tổng

xạ hàng ngày nhận được vào thời gian từ 10 giờ đến 14 giờ

Hằng năm bức xạ tổng cộng có giá trị lớn nhất vào thời kỳ mặt trời ởthiên đỉnh hoặc gần thiên đỉnh nhất Tổng xạ có giá trị nhỏ nhất vào thời kỳmặt trời ở xa thiên đỉnh nhất

Trời không có mây thì thành phần tổng xạ bị giảm đi khoảng 20% sovới tổng xạ ở giới hạn trên của khí quyển, khi trời có mây thì tổng xạ tiếp tụcgiảm thêm 20 – 30% nữa Do vậy mặt đất trung bình nhận được khoảng 50 –60% so với tổng xạ ở giới hạn trên của khí quyển

Hình 3.1 mô tả sự thay đổi thành phần tổng xạ mặt trời bởi khí quyển

và các quá trình trên mặt đất tính cho toàn bộ trái đất trong một năm Trongtoàn bộ năng lượng bức xạ mặt trời truyền qua khí quyển trái đất chỉ có 51%đến được bề mặt trái đất Năng lượng này làm nóng bề mặt trái đất, làm tanbăng cực, làm bốc hơi nước và được cây xanh sử dụng cho quang hợp Trong49% còn lại thì 4% là bị phản xạ ngược ra ngoài không gian bởi bề mặt tráiđất, 26% được phân tán ra ngoài không gian bởi các đám mây và còn lại 19%được khí quyển hấp thụ