Thiết Kế Mô Hình Thiết Bị Chưng Cất Nước Dùng Năng Lượng Mặt Trời Và Mô Hình Bếp Năng Lượng Mặt Trời

Ở những vùng này vào mùa khô lượng mưa rất thấp thờigian nắng thường kéo dài và có nguồn bức xạ mặt trời cao, chúng ta có thể tận dụngnguồn bức xạ mặt trời này vào việc chưng cất nước mà

KHOA MÔI TRƯỜNG & TNTN

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

-o0o -LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC

DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

VÀ

MÔ HÌNH BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Kỹ Thuật Môi Trường K32 & K33

Cần Thơ, 11/2010

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

-o0o -Cần Thơ, ngày 09 tháng 08 năm 2010

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Năm học: 2010-2011

1 Tên đề tài: Thiết kế mô hình bếp năng lượng mặt trời.

2 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Th.s LÊ HOÀNG VIỆT

3 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thuận Hòa MSSV: 1070946

Lớp: Kỹ Thuật Môi Trường Khoá: 33

4 Địa điểm thực hiệnvà thời gian thực hiện:

Địa điểm tiến hành thí nghiệm:

- Thiết kế bếp năng lượng mặt trời

- Bên cạnh đề tài còn đánh giá khả năng họat động và hiệu suất của bếp

6 Các nội dung chính và giới hạn đề tài:

- Thiết kế mô hình bếp năng lượng mặt trời

- Tổng hợp, thống kê các số liệu từ các kết quả thí nghiệm

7 Phương tiện và phương pháp tiến hành thí nghiệm

- Các dụng cụ tự chế, hoặc có ở địa phương để làm mô hình

- Dùng phương tiện đi lại hằng ngày để lấy mẫu

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 800.000 đồng.

DUYỆT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TNTN Đôc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

-o0o -Cần Thơ, ngày 10 tháng 08 năm 2010

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Năm học:2010-2011

 Tên đề tài: Thiết kế mô hình máy chưng cất nước năng lượng mặt trời

 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Th.s LÊ HOÀNG VIỆT

 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Lê Quang MSSV: 1063682

Lớp: Kỹ Thuật Môi Trường Khoá: 32

 Địa điểm thực hiệnvà thời gian thực hiện:

Địa điểm tiến hành thí nghiệm:

 Phòng thí nghiệm Hóa Kỹ Thuật Môi Trường.

 Phòng thí nghiệm Xử lý Chất Thải Rắn

Thời gian thực hiện: học kỳ 1 năm 2010-2011

 Mục đích của đề tài:

- Thiết kế mô hình máy chưng cất nước năng lượng mặt trời

- Bên cạnh đó đề tài còn đánh giá khả năng hoạt động và hiệu suất củamáy (khử mặn)

 Các nội dung chính và giới hạn đề tài:

 Xác định hiệu suất của máy chưng cất nước trong việc khử mặn

 Thiết kế mô hình máy chưng cất nước năng lượng mặt trời

 Nước mặt, nước nhiễm mặn sau khi đem về cho vào hệ thống và đo đạccác số liệu đầu vào và đo bức xạ, nhiệt độ, thời gian, thời tiết

 Tổng hợp, phân tích, thống kê các số liệu từ các kết quả thí nghiệm

 Phương tiện và phương pháp tiến hành thí nghiệm

- Các dụng cụ tự chế, hoặc có ở địa phương để làm mô hình

- Dùng phương tiện đi lại hằng ngày để vận chuyển các vật dụng trongviệc thiết kế

 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 800.000 đồng.

DUYỆT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

Th.s Lê Hoàng Việt Nguyễn Lê Quang

DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT

1

Khoa Môi Trường & TNTN

Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường

Độc lập-Tự do- Hạnh phúc

*********

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NĂM HỌC 2009-2010

1 Tên đề tài thực hiện:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THUẬN HÒA - 1070946

Sinh viên ngành Kỹ Thuật Môi TrườngKhóa 33 lớp TC0757A1

3 Cán bộ hướng dẫn: Ths LÊ HOÀNG VIỆT & Ks NGUYỄN VĂN NÀNG

4 Đặt vấn đề:

Hiện nay do tình trạng sử dụng ngày càng nhiều năng lượng hóa thạch nên tìnhhình năng lượng thế giới ngày một cạn kiệt và các năng lượng hóa thạch này trong quátrình sử dụng thải ra rất nhiều chất có ảnh hưởng xấu đến môi trường và đang đe dọatrái đất Trước sự khủng hoảng về năng lượng và sự ấm lên toàn cầu nên các thiết bị sửdụng năng lượng mặt trời đang được gấp rút cho ra đời nhằm hạn chế sử dụng nănglượng hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, miễn phí và sạch sẽ Vì vậyviệc nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời vào đời sống ngày càngnhiều Ở Việt Nam các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời hầu như là rất hiếm nhất làcác vùng nông thôn, hải đảo….Việc nấu nướng thường sử dụng các nguồn năng lượngnhư than, củi, dầu, gas….và phát thải vào môi trường 1 lượng lớn cacbonic Để giảmlượng cacbonic và tận dụng nguồn năng lượng mặt trời nhằm góp phần vào việc làmgiảm hiệu ứng nhà kính Do đó tôi đưa ra đề tài “ Thiết kế mô hình bếp năng lượngmặt trời”

Thiết kế mô hình bếp năng lượng mặt trời, đánh khả năng và hiệu suất hoạtđộng của bếp.

6 Địa điểm thực hiện:

+ Phòng thí nghiệm thực tập xử lí nước thải

+ Phòng thí nghiệm hoá kỹ thuật môi trường

Khoa Môi trường & TNTN, Trường Đại học Cần Thơ

7 Thời gian thực hiện: 16 tuần, từ 09/08/2010 đến 09/12/2010

8 Nội dung chính của đề tài:

- Thiết kế mô hình : Bếp năng lượng mặt trời

- Vận hành hệ thống, đo khả năng đun nước và nấu cơm Đo nhiệt độ, độ ẩm,bức xạ mặt trời, thời gian, thời tiết

Chương I: Giới thiệu

Chương II: Lược khảo tài liệu

Chương III: Phương pháp và phương tiện

Chương IV: Kết quả và thảo luận

Chương V: Kết luận và kiến nghị

9 Phương tiện và phương pháp thực hiện:

9.1 Bố trí thí nghiệm:

+ Thiết kế mô hình bếp năng lượng mặt trời

+ Đun nước, nấu cơm.

+ Đo thời gian, bức xạ mặt trời, nhiệt độ và thời tiết

9.2 Phương tiện và phương pháp sử dụng:

Nhiệt độ Đo trực tiếp

Thời gian Đo trực tiếp

Bức xạ mặt trời Đo trực tiếp

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Tham khảo tài

DUYỆT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ths Lê Hoàng Việt

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

Nguyễn Thuận Hòa

DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG XÉT TỐT NGHIỆP

Khoa Môi Trường & TNTN

Bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường

Độc lập-Tự do- Hạnh phúc

*********

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NĂM HỌC 2009-2010

1 Tên đề tài thực hiện:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY CHƯNG CẤT NƯỚC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN LÊ QUANG - 1063682

Sinh viên ngành Kỹ Thuật Môi TrườngKhóa 32 lớp TC0657A1

3 Cán bộ hướng dẫn: Ths LÊ HOÀNG VIỆT & Ks NGUYỄN VĂN NÀNG

4 Đặt vấn đề:

Hiện nay do tình trạng sử dụng ngày càng nhiều năng lượng hóa thạch nên tìnhhình năng lượng thế giới ngày một cạn kiệt và các năng lượng hóa thạch này trong quátrình sử dụng thải ra rất nhiều chất có ảnh hưởng xấu đến môi trường và đang đe dọatrái đất Trước sự khủng hoảng về năng lượng và sự ấm lên toàn cầu nên các thiết bị sửdụng năng lượng mặt trời đang được gấp rút cho ra đời nhằm hạn chế sử dụng nănglượng hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường

Ở Việt Nam các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời hầu như là rất hiếm nhất làcác vùng nông thôn, hải đảo, và tình trạng ô nhiễm nguồn nước hiện nay làm chongười sử dụng dễ mắc các bệnh về đường ruột, tiêu hóa…., để tận dụng nguồn nănglượng mặt trời nhằm góp phần vào việc làm giảm hiệu ứng nhà kính Do đó em đưa ra

đề tài “ Thiết kế mô hình máy chưng cất nước năng lượng mặt trời”

5 Mục tiêu của đề tài:

Thiết kế mô hình máy chưng cất nước năng lượng mặt trời, đánh giá khả năng hoạtđộng và hiệu suất của máy

+ Phòng thí nghiệm thực tập xử lí nước thải.

+ Phòng thí nghiệm hoá kỹ thuật môi trường

Khoa Môi trường & TNTN, Trường Đại học Cần Thơ

7 Thời gian thực hiện: 16 tuần, từ 09/08/2010 đến 09/12/2010

8 Nội dung chính của đề tài:

Thiết kế mô hình :

+ Máy chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

+ Vận hành hệ thống, với nước mặt, nước nhiễm mặn, nhiễm Asen…Đonhiệt độ, độ ẩm, bức xạ mặt trời, thời gian, thời tiết Xác định PH, đo độ đục, phân tíchcác chỉ tiêu SS để xác định chất lượng nước đầu ra

Chương I: Giới thiệu

Chương II: Lược khảo tài liệu

Chương III: Phương pháp và phương tiện

Chương IV: Kết quả và thảo luận

Chương V: Kết luận và kiến nghị

9 Phương tiện và phương pháp thực hiện:

Nguyên liệu: Nước mặt, nước nhiễm mặn, nước nhiễm Asen

9.1 Bố trí thí nghiệm:

+ Thiết kế mô hình máy chưng cất nước

+ Nước mặt, nước nhiễm mặn, nước nhiễm Asen sau khi đem về cho vào hệ thống

và đo đạc các số liệu đầu vào và đo bức xạ, nhiệt độ, thời gian, thời tiết

+ Đo chất lượng nước đầu ra và hiệu suất xử lý giữa các loại nước

9.2 Phương tiện và phương pháp sử dụng:

Nhiệt độ Đo trực tiếp

Thời gian Đo trực tiếp

Bức xạ mặt trời Đo trực tiếp

Độ đục Đo trực tiếp Máy đo độ đục Model 430 IR/T

Độ mặn Đo trực tiếp

PH Đo trực tiếp Máy đo PH cầm tay

lượng cân điện tử

10 Tiến độ thực hiện đề tài:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Tham khảo tài

DUYỆT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ths Lê Hoàng Việt

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

Nguyễn Lê Quang

DUYỆT CỦA BỘ MÔN DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG XÉT TỐT NGHIỆP

LỜI CÁM ƠN

Qua suốt 4 năm dài học Đại học tại trường Đại học Cần Thơ, chúng tôi đã tíchlũy cho bản thân một vốn kiến thức hữu ích trong kho tàng kiến thức quý báu của nhàtrường Với những kiến thức chuyên ngành môi trường đã được học, chúng tôi đã ápdụng chúng để làm đề tài luận văn này Hơn nữa, chúng tôi được sự chỉ dẫn và đónggóp ý kiến hết sức tận tâm của thầy cô Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên

để chúng tôi có thể hoàn thành tốt đề tài luận văn này

Nhân đây chúng tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc và vô cùng biết

ơn đến những người đã giúp đỡ chúng tôi thực hiện thành công đề tài này :

Trước hết là công ơn vô bờ bến của cha mẹ và người thân, đã yêu thương, lolắng, động viên cho chúng tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập

Thầy Lê Hoàng Việt và Thầy Nguyễn Văn Nàng _ Giảng viên bộ môn Kỹ

thuật Môi Trường, Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên; đã tận tâm hướngdẫn giúp chúng tôi hiểu rõ vấn đề, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôihoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Thầy Huỳnh Long Toản_Phòng Thực tập Xử lí Nước Thải và Thầy Nguyễn

Trường Thành _ Phòng Thực tập Xử lí Chất Thải Rắn, Khoa Môi Trường và Tài

Nguyên Thiên Nhiên đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên chúng tôi trongsuốt quá trình phân tích và làm thí nghiệm

Xin gửi đến các bạn lớp Kỹ Thuật Môi Trường _ K32 & K33, Khoa MôiTrường và Tài Nguyên Thiên Nhiên những tình cảm thương mến nhất trong suốt mấynăm dài Đại học

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay, một số tỉnh vùng sâu vùng xa ở nước ta trong đó có các tỉnh ở ĐồngBằng Sông Cửu Long như Bến Tre, Sóc Trăng, Bạc Liêu…vào mùa khô nguồn nướcngọt sử dụng hay bị nhiễm mặn nên người dân ở những khu vực này gặp khó khăn vềviệc khan hiếm nước ngọt Ở những vùng này vào mùa khô lượng mưa rất thấp thờigian nắng thường kéo dài và có nguồn bức xạ mặt trời cao, chúng ta có thể tận dụngnguồn bức xạ mặt trời này vào việc chưng cất nước mà không cần sử sụng các nhiênliệu hóa thạch nhằm giúp người dân ở các vùng có nguồn nước bị nhiễm mặn có nguồnnước sạch để sử dụng và làm giảm được một lượng nhỏ khí cacbonic khi đốt nhiên liệuhóa thạch Trong các công nghệ khử mặn thì thiết bị chưng cất nước dùng năng lượngmặt trời là đơn giản và khả thi nhất, có thể chế tạo từ các vật dụng có sẵn ở địa phươngvới chi phí thấp và dễ sử dụng

Mục tiêu của đề tài là thiết kế chế tạo và đánh giá khả năng hoạt động cũng nhưhiệu suất của mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp phục vụ chonhững vùng có nguồn nước bị nhiễm mặn, trên cơ sở lí thuyết của mô hình chưng cấtnước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp chúng tôi sẽ tiến hành thiết kế chế tạo môhình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng tháp bằng cách thay kính đậy của

mô hình dạng hộp bằng chóp kính có lõi đen bên trong để tăng khả năng nhận bức xạ

và nhiệt độ của mô hình

Sau đó tiến hành chạy song song hai mô hình chưng cất nước dùng năng lượngmặt trời dạng hộp và dạng tháp với nguồn nước nhiễm mặn Sau khi làm thí nghiệmchúng tôi tiến hành thống kê so sánh các kết quả đạt được

Phương pháp tiến hành thí nghiệm: vì đang là mùa mưa và địa điểm thực hiệnthí nghiệm là ở Trường Đại Học Cần Thơ nên không có nguồn nước nhiễm mặn nênchúng tôi lấy nước sông Cần Thơ pha muối với nồng độ 8000 Sau đó tiến hành chạysong song hai mô hình với trong 3 ngày liên tục với thời gian và bức xạ như nhau,thống kê kết quả đạt được và so sánh hiệu suất của hai mô hình thiết bị chưng cất nướcdùng năng lượng mặt trời dạng hộp và dạng tháp

Các kết quả đạt được sau khi thí nghiệm trên hai mô hình: vì hai mô hình đượcthí nghiệm trong mùa mưa nên lượng bức xạ thấp và không liên tục, bức xạ thường bị

gián đoạn vì thời tiết có nhiều mây nên hiệu suất của mô hình dạng hộp biến thiên từ2,6 – 4,6 lít/m2ngày và dạng tháp từ 2,5 – 4,5 lít/m2ngày Các kết quả phân tích chấtlượng nước đầu ra với độ mặn còn 0000, và độ đục là 0,4 – 0,6 NTU và MPN < 3, nênchất lượng nước đầu ra có thể dùng cho việc ăn uống, đáp ứng được mục tiêu của đềtài.

Ngoài việc thiết kế chế tạo hai mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặttrời dạng hộp và dạng tháp, để tận dụng nguồn bức xạ mặt trời chúng tôi còn thiết kếchế tạo và khảo sát thêm mô hình bếp năng lượng mặt trời hình hộp để phục vụ chonhu cầu đun nước và nấu thức ăn của người dân Bếp năng lượng mặt trời hình hộpđược chế tạo từ những vật liệu rẻ tiền, có sẵn ở địa phương và dễ sử dụng Mô hìnhđược khảo sát trong ba ngày để biết được nhiệt độ khối không khí trong bếp từ đó chọn

ra khoảng thời gian thích hợp tiến hành đun nước và nấu cơm Kết quả đạt được làtrong thời gian khảo sát (tháng 10) thì thời gian để nấu chín nước và chín cơm biếnthiên từ 1 – 2h và ta thấy rằng mô hình cũng đã đáp ứng được mục tiêu của đề tài

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH viiii

DANH SÁCH BẢNG xii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 3

2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG 3

2.1.1 Cấu trúc của mặt trời 3

2.1.2 Bức xạ mặt trời 5

2.1.3 Năng lượng mặt trời 8

2.1.4 Ứng dụng của năng lượng mặt trời 9

2.1.4.1 Quang điện 10

2.1.4.2 Hội tụ 10

2.1.4.3 Bẫy nhiệt 10

2.2 HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10

2.2.1 Lịch sử và nghiên cứu thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 11

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 13

2.2.3 Thiết kế thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 14

2.2.4 Cơ chế hoạt động 16

2.2.5 Ưu và nhược điểm 19

2.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất 19

2.2.6.1 Ảnh hưởng của độ sâu nước 20

2.2.6.2 Ảnh hưởng của vận tốc gió 20

2.2.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí xung quanh 20

2.2.6.4 Ảnh hưởng của khoảng cách 21

2.2.6.5 Ảnh hưởng của số lượng nắp kính 21

2.2.6.6 Ảnh hưởng từ các yếu tố khác 21

2.2.7 Ứng dụng hiện nay 21

2.3 BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DẠNG HỘP 23

2.3.1 Lịch sử bếp năng lượng mặt trời 24

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 24

2.3.2.1 Nguyên lý hoạt động của thiết bị trữ nhiệt 24

2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động của các tấm phản xạ 24

2.3.3 Nguyên lý cấu tạo 24

2.3.4 Nguyên lý thiết kế bếp 26

2.3.5 Ưu và khuyết điểm 28

2.3.5.1 Ưu điểm 28

2.3.5.2 Khuyết điểm 28

2.3.6 Ứng dụng hiện nay 28

2.3.6.1 Thế giới 28

2.3.6.2 Việt Nam 29

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 30

3.1 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN 30

3.1.1 Địa điểm 30

3.1.2 Thời gian 30

3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 30

3.2.1 Phương pháp thiết kế chế tạo mô hình 30

3.2.1.1 Yêu cầu của mô hình sau khi chế tạo 30

3.2.1.2 Xác định hiệu suất thiết kế 30

3.2.1.3 Cơ sở lý thuyết thiết kế mô hình 31

3.2.1.4 Các thông số tham khảo thiết kế 32

3.2.2 Phương pháp thí nghiệm 33

3.2.2.1 Bố trí thí nghiệm 33

3.2.2.2 Mục tiêu thí nghiệm 34

3.3 PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 34

3.3.1 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 34

3.3.2 Bếp năng lượng mặt trời dạng hộp 36

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 38

4.1 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHẾ TẠO MÔ HÌNH 38

4.1.1 Mô hình thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 38

4.1.1.1 Mô hình thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp 38

4.1.1.2 Mô hình thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng tháp 42

4.1.2 Mô hình bếp năng lượng mặt trời dạng hộp với bốn mặt phản xạ 49

4.1.2.1 Thiết kế bộ phận trữ nhiệt 49

4.1.2.2 Thiết kế bộ phận phản xạ 52

4.1.3 Mô hình hoàn chỉnh thực tế 54

4.2 CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH 56

4.2.1 Nguyên tắc tiến hành thí nghiệm 56

4.2.1.1 Hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 56

4.2.1.2 Bếp năng lượng mặt trời dạng hộp với bốn mặt phản xạ 56

4.2.2 Kết quả thực nghiệm 56

4.2.2.1 Mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 56

4.2.2.2 So sánh hai mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 61

4.2.2.3 Mô hình bếp năng lượng mặt trời 67

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 75

5.1 KẾT LUẬN 75

5.2 KIẾN NGHỊ 76TÀI LIỆU THAM KHẢO 78PHỤ LỤC PHÂN TÍCH ANOVA 81

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời 4

Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ 6

Hình 2.3 Góc nhìn từ mặt trời 6

Hình 2.4 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất 8 Hình 2.5 Thiết bị chưng cất đơn giản 13

Hình 2.6 Thiết bị chưng cất nước có gương phản xạ 15

Hình 2.7 Miêu tả quá trình đối lưu trong thiết bị chưng cất nước 16

Hình 2.8 Các dòng năng lượng chính trong thiết bị chưng cất nước kiểu bể 19

Hình 2.9 Hệ thống chưng cất nước ứng dụng vật liệu chuyển pha trữ nhiệt ở Thừa Thiên Huế 22

Hình 2.10 Thiết bị chưng cất 5kg/ngày 23

Hình 2.11 Thiết bị chưng cất kiểu khay 23

Hình 2.12 Thiết bị chưng cất nước cố định 23

Hình 2.13 Bếp năng lượng mặt trời hình hộp với 4 mặt phản xạ 23

Hình 2.14 Nguyên lý cấu tạo bếp 25

Hình 2.15 Cấu tạo bốn mặt phản xạ 26

Hình 2.16 Đồ thị quan hệ d2(τ) 26

Hình 2.17 Kích thước cấu tạo bếp 27

Hình 2.18 Ứng dụng bếp năng lượng mặt trời ở Thổ Nhị Kỳ 29

Hình 2.19 Ứng dụng bếp năng lượng mặt trời Nam Phi 29

Hình 2.20 Ứng dụng bếp năng lượng mặt trời ở Đà Nẵng 29

Hình 2.21 Ứng dụng bếp năng lượng mặt trời nông thôn 29

Hình 3.1 Bộ phận phản xạ ánh sáng của Gregory A Alozie 33

Hình 3.2 Địa điểm lấy mẫu 35

Hình 4.1 Mặt cắt thiết bị trữ nhiệt dạng hộp 40

Hình 4.2 Mô hình thiết bị trữ nhiệt dạng hộp 40

Hình 4.3 Mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp 42

Hình 4.4 Sơ đồ máng thu nước 43

Hình 4.5 Mặt cắt của thiết bị trữ nhiệt dạng tháp 45

Hình 4.6 Sơ đồ 1 mặt của khối chóp 46

Hình 4.7 Sơ đồ kích thước 1 tấm thiết bị thu bức xạ 46

Hình 4.8 Mặt cắt thiết bị thu bức xạ đã được ghép lại 47

Hình 4.9 Mô hình bộ phận trữ nhiệt dạng tháp 47

Hình 4.10 Mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng tháp 49

Hình 4.11 Kích thước nắp kính và khung đậy kính 51

Hình 4.12 Mặt cắt ngang của thiết bị trữ nhiệt 51

Hình 4.13 Mặt cắt dọc của thiết bị trữ nhiệt 52

Hình 4.14 Mặt cắt bộ phận phản xạ 53

Hình 4.15 Mặt bằng bộ phận phản xạ 53

Hình 4.16 Mô hình bếp năng lượng mặt trời dạng hộp với 4 mặt phản xạ 54

Hình 4.17 Mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời thực tế dạng hộp 54

Hình 4.18 Mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời thực tế dạng tháp 55

Hình 4.19 Mô hình bếp năng lượng mặt trời thực tế với 4 mặt phản xạ 55

Hình 4.20 Đồ thị biểu diễn lượng bức xạ trong 3 ngày 20, 21, 22/09/2010 58

Hình 4.21 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ trong 3 ngày 20, 21, 22/09/2010 58

Hình 4.22 Đồ thị biểu diễn lượng nước thu được trong 3 ngày 20, 21, 22/09/2010 58

Hình 4.23 Đồ thị biểu diễn lượng bức xạ trong 3 ngày 5, 6, 7/10/2010 60

Hình 4.24 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ trong 3 ngày 5, 6, 7/10/2010 61

Hình 4.25 Đồ thị biểu diễn lượng nước thu được trong 3 ngày 5, 6, 7/10/2010 61

Hình 4.26 Nhiệt độ giữa hai mô hình ở cùng thời gian và bức xạ ngày 18/10/2010 64

Hình 4.27 Nhiệt độ giữa hai mô hình ở cùng thời gian và bức xạ ngày 19/10/2010 64

Hình 4.28 Nhiệt độ giữa hai mô hình ở cùng thời gian và bức xạ ngày 20/10/2010 65

Hình 4.29 Lượng nước ở hai mô hình ở cùng thời gian và bức xạ ngày 18/10/2010 65Hình 4.30 Lượng nước ở hai mô hình ở cùng thời gian và bức xạ ngày 19/10/2010 66Hình 4.31 Lượng nước ở hai mô hình ở cùng thời gian và bức xạ ngày 20/10/2010 66Hình 4.32 Nhiệt độ khối không khí trong bếp và bức xạ ngày 18/10/2010 69Hình 4.33 Nhiệt độ khối không khí trong bếp và bức xạ ngày 19/10/2010 70Hình 4.34 Nhiệt độ khối không khí trong bếp và bức xạ ngày 20/10/2010 70

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Một vài thiết bị chưng cất nước trên thế giới 11

Bảng 3.1 Thông số thiết kế máy chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 32

Bảng 3.2 Thời gian và vị trí lấy mẫu 35

Bảng 3.3 Phương tiện và phương pháp phân tích các chỉ tiêu cần theo dõi thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 36

Bảng 3.4 Phương tiện và phương pháp cần theo dõi các chỉ tiêu bếp năng lượng mặt trời 37

Bảng 4.1 Thông số thiết kế mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp 41

Bảng 4.2 Thông số thiết kế mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng tháp 48

Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm mô hình chưng cất nước dạng hộp ngày 20/09/2010 56

Bảng 4.4 Kết quả thực nghiệm mô hình chưng cất nước dạng hộp ngày 21/09/2010 57

Bảng 4.5 Kết quả thực nghiệm mô hình chưng cất nước dạng hộp ngày 22/09/2010 57

Bảng 4.6 Kết quả thực nghiệm mô hình chưng cất nước dạng tháp ngày 5/10/2010 59

Bảng 4.7 Kết quả thực nghiệm mô hình chưng cất nước dạng tháp ngày 6/10/2010 59

Bảng 4.8 Kết quả thực nghiệm mô hình chưng cất nước dạng tháp ngày 7/10/2010 60

Bảng 4.9 Chất lượng nước cho vào 2 mô hình 62

Bảng 4.10 Kết quả thực nghiệm 2 mô hình chưng cất nước ngày18/10/2010 62

Bảng 4.11 Kết quả thực nghiệm 2 mô hình chưng cất nước ngày 19/10/2010 63

Bảng 4.12 Kết quả thực nghiệm 2 mô hình chưng cất nước ngày 20/10/2010 63

Bảng 4.13 Chất lượng nước đầu ra của 2 mô hình chưng cất nước 67

Bảng 4.14 Kết quả thực nghiệm mô hình bếp năng lượng mặt trời ngày 18/10/2010 68

Bảng 4.15 Kết quả thực nghiệm mô hình bếp năng lượng mặt trời ngày 19/10/2010 68

Bảng 4.16 Kết quả thực nghiệm mô hình bếp năng lượng mặt trời ngày 20/10/2010 69

Bảng 4.17 Kết quả thực nghiệm bếp năng lượng mặt trời nấu 1 lít nước từ 8h – 10hngày 21/10/2010 71Bảng 4.18 Kết quả thực nghiệm bếp năng lượng mặt trời nấu 1 lít nước từ 10h30 –12h30 ngày 21/10/2010 72Bảng 4.19 Kết quả thực nghiệm bếp năng lượng mặt trời nấu 1 lít nước từ 13h00 –15h00 ngày 21/10/2010 72Bảng 4.20 Kết quả thực nghiệm bếp năng lượng mặt trời nấu 0,5kg gạo từ 08h00 –10h00 ngày 23/10/2010 73Bảng 4.21 Kết quả thực nghiệm bếp năng lượng mặt trời nấu 0,5kg gạo từ 10h30 –12h30 ngày 23/10/2010 73Bảng 4.22 Kết quả thực nghiệm bếp năng lượng mặt trời nấu 0,5kg gạo từ 13h00 –15h00 ngày 23/10/2010 74

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Nước ngọt là một nhu cầu rất cơ bản cho sự sống của con người, Liên hiệp quốc

đã cho biết hiện nay trên thế giới có hơn 2 tỷ người dân không được cung cấp đủ nướcsạch cho mục đích sinh hoạt Do vậy, cùng với vấn đề thiếu hụt năng lượng thì vấn đềnước sạch cũng ngày một trong nhưng chiến lược được cả thế giới quan tâm

Trên trái đất của chúng ta, những nơi có nhiều nắng thì thường ở những nơi đónước uống bị khan hiếm Bởi vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu đểthu nước uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiễm mặn

Ở Đồng Bằng Sông Cửu Long ở một số nơi vùng sâu, vùng xa, vùng ven biểnvào mùa khô nguồn nước thường bị nhiễm mặn làm khan hiếm nguồn nước ngọt sửdụng cho việc ăn uống trong mùa khô của người dân Đã có nhiều viện nghiên cứucông nghệ tại Việt Nam đang quan tâm đến công nghệ khử mặn của nguồn nướcnhiễm mặn hay nước biển để phục vụ cho đời sống của người dân Tuy nhiên các côngnghệ này thường có giá thành cao và khó sử dụng đối với những người nông dân hayngư dân Vào mùa khô thời gian nắng thường kéo dài chính vì thế mà nguồn bức xạmặt trời cao và liên tục nhất là ở những vùng ven biển Để tận dụng nguồn bức xạ mặttrời này và tiết kiệm nhiện liệu hóa thạch cho việc chưng cất nước nên thiết bị chưngcất nước dùng năng lượng mặt trời đã xuất hiện Thiết bị chưng cất nước dùng nănglượng mặt trời đã được các thủy thủ Hy Lạp áp dụng từ thời cổ điển, trải qua nhiềunăm ứng dụng và phát triển đã có nhiều thiết bị mới ra đời với hiệu suất ngày càngcao Nguồn năng lượng mặt trời không chỉ ứng dụng cho thiết bị chưng cất nước màcòn cho nhiều thiết bị ứng dụng năng lượng mặt trời khác, điển hình là bếp năng lượngmặt trời Đây là những thiết bị ứng dụng năng lượng mặt trời đơn giản, và mặt ứngdụng thực tế thì rất cao Vì vậy chúng tôi chọn thiết bị chưng cất nước bằng nănglượng mặt trời và bếp năng lượng mặt trời để nghiên cứu Trên cơ sở đó, đề tài :

“Thiết kế mô hình thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời và mô hình bếp năng lượng mặt trời” được thực hiện là thiết thực, nhằm xác định thực nghiệm

hiệu quả chưng cất nước mặn của mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời(dạng hộp, dạng tháp) và hiệu quả đun nấu của bếp năng lượng mặt trời

Mục tiêu nghiên cứu đề tài:

+ Thiết kế mô hình thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp

và dạng tháp dành cho một người sử dụng trong một ngày

+ Vận hành hai mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng hộp vàdạng tháp phân tích chất lượng nước và so sánh hiệu suất đầu ra

+ Thiết kế mô hình bếp năng lượng mặt trời dùng để nấu chín cơm và đun sôinước nhằm áp dụng cho các vùng nông thôn với tiêu chí dễ sử dụng, khảo sát khả nănghoạt động của mô hình và khoảng thời gian trong ngày có thể sử dụng mô hình, từ đórút ra kết luận

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu này được thực hiện bằng mô hình thiết bị chưng cất nước nănglượng mặt trời ( dạng hộp và dạng tháp) và mô hình bếp năng lượng mặt trời ở qui môphòng thí nghiệm đặt tại phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường và Tài Nguyên ThiênNhiên _ Đại học Cần Thơ

Đối tượng nghiên cứu đề tài:

+ Đối với hai mô hình chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời thì nghiên cứuđối với loại nước loại nước sông được pha thêm muối với nồng độ 8000

+ Đối với bếp năng lượng mặt trời thì nghiên cứu thời gian nấu chín cơm vàđun sôi nước

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sátđược trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệmặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời phát ramột nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạđến trái đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặttrời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta Nănglượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó là nguồn gốccủa các nguồn năng lượng khác trên trái đất Con người đã biết tận hưởng nguồn nănglượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên, việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng nàymột cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.[16]

2.1.1 Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lầnđường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.10 6km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánhsáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất) Khối lượngMặt trời khoảng Mo =2.1030kg Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng

từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 156.105 K Ở nhiệt độ như vậy vật chấtkhông 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 va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệthạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được củaMặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòngMặt trời

Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khíkhổng lồ:

+ Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra

những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán

trung gian còn gọi là vùng “đổi

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), cácbon ( C), silíc (Si) và các khínhư hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km

+ Vùng tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có

nhiệt độ khoảng 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 tia lửa có nhiệt độ

từ 7000K -10000K

+ Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời

Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là Hydrogen và gần 24,85% làHêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%,Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% vàSulphur 0,04% Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệthạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli Hạt nhân củaHyđrô có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt mang điệncùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mứcchúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhaudưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli,

2 Neutrino và một lượng bức xạ γ

4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời [16]

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 gia vàocác “biến cố” sau đó.

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bịmất đi Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theocác nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷnăm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạchlên đến 9.1024kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra mộtlượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Tráiđất).[16]

2.1.2 Bức xạ mặt trời

Theo Hoàng Dương Hùng (2004) trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liênquan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%.Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổirất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau

ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (Hình 2.2), từ tâm Mặt trời

đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúngứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen cóbước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tạivật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra;

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời làmột phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1- 10 μm và hầunhư một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78

μm đó là vùng nhìn thấy của phổ;

Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ

và tán xạ gọi là tổng xạ;

Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặtđặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

q = ϕ D -T C 0 (T/100) 4 (2.1)

Ở đây :ϕ D – T : hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời

β - góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’ như (hình 2.3)

C0 = 5,67 W/m2.K4- hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

T ≈ 57620K - nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối)

Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ

( Hoàng Dương Hùng, 2004)

Hình 2.3 Góc nhìn từ mặt trời

( Hoàng Dương Hùng, 2004)

Vậy q= 1353

100

576267

,54

60360

3214,32

4 2

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bịhấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần nănglượng được truyền trực tiếp tới Trái đất Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân lythành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bướcsóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) cónăng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợpthành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác đểtạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấphơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sựphân tách O3 thành O2 và O xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tửngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, đó là mộtquá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổithành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn;

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại củaphổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡcác liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một sốphoton quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ cóbước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán

xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sátđược ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời.Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấpthụ của các phần tử hơi nưóc, khí cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấpthụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ;

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngàyquang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2;

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

lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạocủa nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem nhưkhông đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trongchuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dàingày và đêm trong năm

2.1.3 Năng lượng mặt trời

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ MặtTrời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ

Hình 2.4 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời

qua lớp khí quyển của Trái đất

( Hoàng Dương Hùng, 2004)

ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhântrên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.

Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìnthấy Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026joule.[17]

2.1.4 Ứng dụng của năng lượng mặt trời

Theo Hoàng Dương Hùng (2004) năng lượng mặt trời có những ưu điểm như:sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời,phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồnnăng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đâyđược coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đangngày càng cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời nhưmột giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống.;

+ Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng mặttrời, có tác dụng làm nóng nước;

+ Ở Brazil, những vùng xa xôi hiển trở như Amazon, điện năng lượng mặt trờiluôn chiếm vị trí hàng đầu;

+ Tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philippines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạtcho 400.000 dân;

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạoquý báu

Theo Nguyễn Bốn (2007) năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà conngười biết sử dụng từ rất sớm nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệsản xuất và trên quy mô rộng thì chỉ mới thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ởnhững nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ sau cuộc khủng hoảngnăng lượng thế giới 1968 và 1973 năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm.Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụngnăng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 3lĩnh vực chủ yếu: quang điện, hội tụ và bẫy nhiệt

2.1.4.1 Quang điện

Theo Hoàng Dương Hùng (2004) quang điện là năng lượng mặt trời được biếnđổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là Pinmặt trời, các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào có bức xạmặt trời chiếu tới Hiện nay vật liệu chủ yếu cho Pin mặt trời là các silic tinh thể Pinmặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại: đơn tinh thể, đa tinh thể và dãi silic

Và trong các thiết bị sử dụng nguyên tắc bẫy nhiệt thì thiết bị chưng cất nướcdùng năng lượng mặt trời và bếp hình hộp dùng năng lượng là đơn giản và dễ chế tạo,thích hợp với nhu cầu sử dụng của người dân ở vùng sâu vùng xa nhất

2.2 HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Nước ngọt là một nhu cầu rất cơ bản cho sự sống của con người, Liên hiệp quốc

đã cho biết hiện nay trên thế giới có hơn 2 tỷ người dân không được cung cấp đủ nướcsạch cho mục đích sinh hoạt Do vậy, cùng với vấn đề thiếu hụt năng lượng thì vấn đềnước sạch cũng ngày một trong nhưng chiến lược được cả thế giới quan tâm

Trên trái đất của chúng ta, những nơi có nhiều nắng thì thường ở những nơi đónước uống bị khan hiếm Bởi vậy năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu đểthu nước uống bằng phương pháp chưng cất từ nguồn nước bẩn hoặc nhiễm mặn

2.2.1 Lịch sử và nghiên cứu thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

Việc chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời hầu như được biết đến quanhững người Hy Lạp Do thường hay di biển những thủy thủ Hy lạp thường phảichưng cất nước để uống Do nguyên tắc này đã được những thủy thủ Hy Lạp áp dụng

từ đời tiền cổ rồi Nên không ai có thể đòi chủ quyền công nghiệp của những sáng chếsuy ra từ nguyên tắc này.[18]

Các thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời đầu tiên có công suấtkhoảng 23 m3 /ngày khi thời tiết tốt, được thiết kế và sản xuất vào năm 1872 gần LasSalinas ở miền bắc Chile Trong Thế chiến II, có nhiều những nỗ lực để sản xuất thiết

bị chưng cất năng lượng mặt trời dùng trên các bè cứu sinh cho tàu và máy bay Telkes

đã phát minh ra một vật liệu nhựa ứng dụng cho mục đích này Kể từ đó, hầu hếtnghiên cứu đã được triển khai dựa trên phát minh đó, mặc dù có thêm những thay đổitrong hình học, vật liệu, phương pháp xây dựng và hoạt động (M.T Chabi, 2000)

Từ 1958-1965, OSWs, Trạm nghiên cứu chưng cất nước dùng năng lượng mặttrời tại Florida, đã thử nghiệm một số loại hình chưng cất nước dùng năng lượng mặttrời, và kết luận rằng để xây dựng hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặt trờithì chi phí tương đối tốn kém.Vì vậy đã có nhiều công tác nghiên cứu tập trung vàogiải quyết các khó khăn về chi phí xây dựng hệ thống chưng cất nước dùng năng lượngmặt trời Giai đoạn tiếp theo là cải thiện hiệu suất hoạt động của các loại thiết bị chưngcất nước dùng năng lượng mặt trời.(M.T Chabi, 2000)

Bảng 2.1 cho thấy rằng hầu hết các thiết bị chưng cất được xây dựng trongkhoảng thời gian 1960-1980 (M.ABD Elkader, 1998)

Bảng 2.1 Một vài thiết bị chưng cất nước trên thế giới

(M.ABD Elkader, 1998)

Quốc gia Địa điểm Năm Diện

tích lưuvực(m2)

Sản Lượng(m3 /ngày)(L/m2.ngày)

Vậtliệubaophủ

Úc Muresk I 1963 372 0.83 2.30 Kính

Muresk II 1966 372 0.83 2.30 KínhCoober Pedy 1966 3160 6.35 2.01 Kính

Tại Minasian, năm 1995, đã đánh giá khả năng tăng cường độ năng lượng mặttrời bằng cách dùng một tấm phản xạ hình trụ parabol Trong khi phải giải quyết vấn

đề bảo dưỡng thường gặp trong các loại hình chưng cất năng lượng mặt trời, là tích tụ

Caiguna 1966 372 0.78 2.10 KínhHamelin Pool 1966 557 1.21 2.17 KínhGriffith 1967 413 0.91 2.20 KínhChilê Las Salinas 1872 4460 14.76 3.31 Kính

Quillagua 1968 100 0.40 4.0 KínhQuillagua 1969 103 0.40 3.88 Kính

Hy Lạp Symi I 1964 2686 7.56 2.81 Nhựa

Aegina I 1965 1490 4.24 2.84 NhựaSalamis 1965 388 1.10 2.83 NhựaPatmos 1967 8600 26.11 3.04 KínhKimolos 1968 2508 7.57 3.02 KínhNisyros 1969 2005 6.06 3.02 Kính

Ấn Độ Bhavnagar 1965 377 0.83 2.20 KínhMêxicô Natividad Island 1969 95 0.38 4.0 Kính

Puerta Chale 1974 300 1.00 3.33 KínhPunta Chucca 1974 470 1.50 3.19 KínhPakistan Gwadar II 1972 9072 27.0 2.98 KínhTây Ban Nha Las Marinas 1966 868 2.57 2.96 KínhTunisia Chakmou 1967 440 0.53 1.20 Kính

Mahdia 1968 1300 4.16 3.20 Kính

Mỹ Daytona Beach 1959 224 0.53 2.37 Kính

Daytona Beach 1961 246 0.57 3.20 KínhDaytona Beach 1961 216 0.38 1.76 NhựaDaytona Beach 1963 148 0.61 4.12 NhựaU.S.S.R BalchardenTurkmen

a

1969 600 1.62 2.70 Kính

WestIndies Petit St 1967 1710 4.92 2.88 Nhựa

Vincent Haiti 1969 223 0.76 3.41 Kính

muối Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng năng suất tăng 25-35% so với năng suấtcủa các loai máy chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời thông thường (A.N.Minasian, A.A Al-Karaghouli and S.K Habeeb, 1997).

Elkader đã nghiên cứu những ảnh hưởng của độ dốc tấm thủy tinh đến hiệu suấtthiết bị chưng cất Để điều tra các thông số đó, ba mô hình đã được thiết kế, chế tạo vàthử nghiệm Các mô hình này được thiết kế có độ dốc tấm thủy tinh khác nhau Các kếtquả thử nghiệm cho thấy các mô hình với độ dốc tấm thủy tinh 350 đã cho kết quả tốtnhất Sản xuất một số lượng nước ngọt là 5.6-liter/m2 ngày (M.ABD Elkader, 1998)

Boukar và Harmim đã nghiên cứu tác động của điều kiện khí hậu sa mạc Cácthử nghiệm đã được tiến hành tại các trạm năng lượng mặt trời của Adrar, một sa mạcSahara Algeria Họ đã thử nghiệm cho tất cả các ngày trong điều kiện trời trong khôngmây, với độ sâu khác nhau của mực nước trong thiết bị chưng cất vào mùa đông vàmùa hè Thời gian thử nghiệm 3 tháng, kể từ Tháng Một-Tháng Ba năm 2000 Sau 3tháng nghiên cứu cho thấy năng suất máy chưng cất có tấm thu dạng phẳng phụ thuộcvào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường xung quanh, kết quả là năng suất thay đổi

từ 4,01 đến 4,34 lít/m2ngày vào những ngày hè đối với máy chưng cất năng lượng mặttrời đơn giản (M Boukar and A Harmim, 2001)

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Có rất nhiều thiết bị khác nhau đã được nghiên cứu và sử dụng cho mục đíchchưng cất nước, một trong những hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặt trờiđơn giản được mô tả như hình 2.5

Hình 2.5 Thiết bị chưng cất đơn giản

(Hoàng Dương Hùng , 2004)

Nước bẩn hoặc nước mặn được đưa vào khay ở dưới và được đun nóng bởi sựhấp thụ năng lượng mặt trời Phần đáy của khay được sơn đen để tăng quá trình hấpthu bức xạ mặt trời, nước có thể xem như trong suốt trong việc truyền bức xạ sóngngắn từ mặt trời Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt bức xạ mặt trời và truyền nhiệt cho nước.Khi nhiệt độ tăng, sự chuyển động của các phân tử nước trở nên rất mạnh và chúng cóthể tách ra khỏi bề mặt mặt thoáng và số lượng tăng dần Đối lưu của không khí phíatrên bề mặt mang theo hơi nước và ta có quá trình bay hơi Sự bốc lên của dòng khôngkhí chứa đầy hơi ẩm, sự làm mát của bề mặt tấm phủ bởi không khí đối lưu bên ngoàilàm cho các phần tử nước ngưng tụ lại và chảy xuống máng chứa ở góc dưới Khôngkhí lạnh chuyển động xuống dưới tạo thành dòng khí đối lưu.

Để đạt hiệu quả ngưng tụ cao thì nước phải được ngưng tụ bên dưới tấm phủ.Tấm phủ có độ dốc đủ lớn để cho các giọt nước chảy xuống dễ dàng Điều đó cho thấyrằng ở mọi thời điểm khoảng phân nửa bề mặt tấm phủ chứa đầy các giọt nước Quátrình ngưng tụ của nước dưới tấm phủ có thể là quá trình ngưng giọt hay ngưng màng,điều này phụ thuộc vào quan hệ giữa sức căng bề mặt của nước và tấm phủ Hiện nayngười ta thường dùng tấm phủ là kính thuận lợi cho quá trình ngưng giọt Người tathấy rằng ở vùng khí hậu nhiệt đới, hệ thống chưng cất nước có thể sản xuất ra mộtlượng nước ngưng tương đương với lượng mưa 0,5cm/ngày (Hoàng Dương Hùng,2004)

2.2.3 Thiết kế thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

Theo Hoàng Dương Hùng (2004) trên thực tế, đã có chế tạo thiết bị chưng cấtnước có thêm gương phản xạ để tăng cường độ bức xạ đến, gương phản xạ có thể gậplại khi không dùng Tấm gương phản xạ có thể đặt phía trên hoặc phía dưới tuỳ theohướng đặt thiết bị Cấu tạo của thiết bị và nguyên lý nhận bức xạ được mô tả như hình2.6

Theo Muafag Suleiman K Tarawneh (2007):

- Nhôm là một kim loại dẫn nhiệt, điện tốt Do đó, các tấm hấp thụ sơn đenđược làm từ nhôm có độ dày 3mm, diện tích bề mặt hấp thụ 1m2 (1,25 * 0,8);

- Nắp kính với một độ nghiêng 400 Cả hai tấm được đặt trên các khung thép vàdùng cao su để ngăn ngừa sự rò rỉ không khí;

- Lớp cách nhiệt bên ngoài thùng, cách nhiệt có độ dày 8cm, được đặt trong 2hộp bằng gỗ và bên ngoài được bao quanh bởi ironsheet mạ kẽm;

- Máng thu được làm bằng nhựa PVC và đặt dưới kính che phủ với một độnghiêng của 50 đối với đầu thu để tăng tốc độ tốc độ ngưng tụ và để tránh các xuhướng bốc hơi lại;

- Hai vòi phun nước được xây dựng và cài đặt trên phần đầu để làm mát kínhche

Một số lưu ý về vật liệu máy chưng cất:

Các công việc nghiên cứu và phát triển thực hiện đến nay đã mang lại hữu íchhơn thông tin về các tài liệu của thiết bị chưng cất năng lượng mặt trời Một trongnhững thành phần quan trọng nhất là nắp, vật liệu che phủ như nắp của thiết bị phảiđược lựa chọn phù hợp.Việc lựa chọn vật liệu của nắp là giữa thủy tinh và nhựa Thủy

Hình 2.6 Thiết bị chưng cất nước có gương phản xạ

(Nguồn: Hoàng Dương Hùng, 2004 )

tinh được ưa thích so với những nhựa, nhưng lợi thế chính của đối với kính nhựa là rẻhơn Nơi lót vật liệu phải hấp thụ bức xạ mặt trời và phải chứa được nước Bởi vì khinước cạn, vật liệu này phải chịu được nhiệt độ cao Đối với nước nông, lót cao su butylmàu đen và tấm polyethylene màu đen được ưa thích hơn Butyl cao su có khả năngchịu được nhiệt độ cao Việc đậy nắp kín để tránh rò rỉ hơi là rất quan trọng Các vậtliệu keo hiệu quả nhất được sử dụng cho đến nay là silicon khi khô chúng vẫn đàn hồitrong một thời gian dài Loại khác đã được sử dụng như là hắc ín và băng Những vậtliệu này xấu đi trong thời gian và trở nên dễ vỡ để các vết nứt được hình thành và do

đó có khả năng bị rò rỉ hơi Việc sử dụng sắt mạ kẽm như một kênh chứa nước sauchưng cất không phải là một lựa chọn tốt vì nó ăn mòn trong tiếp xúc với nước mặn.Nhôm có thể được sử dụng như là một máng chứa, nhưng nó cũng bị ăn mòn ở nhiệt

độ cao ( Pinar Ilker Alkan, 2003)

2.2.4 Cơ chế hoạt động

Theo Hoàng Dương Hùng (2004) ta có thể phân tích đơn giản quá trình chưngcất nước của thiết bị theo sơ đồ hình 2.7 Thực chất nếu phân tích chi tiết thì đây là quátrình rất phức tạp có liên quan đến quá trình truyền chất Tuy nhiên có thể phân tíchquá trình đơn giản như sau:

Hình 2.7 Miêu tả quá trình đối lưu trong thiết bị chưng cất nước

(Hoàng Dương Hùng, 2004)

Giả thiết rằng nước tiếp xúc với bề mặt hấp thụ và chúng cùng chung nhiệt độ là

T (hình 2.7), nhiệt độ của tấm phủ là T1, thì ta có dòng nhiệt truyền qua một đơn vịdiện tích giữa 2 bề mặt được xác định theo công thức:

q = k(T- T1) (2.1)Trong đó k là hệ số truyền nhiệt (W/m2K);

Biểu diễn quá trình đối lưu này như tạo bởi 2 dòng không khí, mỗi dòng có lưulượng khối lượng tương đương là m (kg/m2h), một dòng thì chuyển động lên còn mộtdòng thì chuyển động xuống dưới Nội năng của mỗi đơn vị khối lượng không khí cónhiệt độ T là cT Nếu xem đặc tính của không khí ở đây như là khí lý tưởng thì c lànhiệt dung riêng của không khí Dòng khí nóng rời khỏi bề mặt phía dưới mang nộinăng ở mức mcT, còn dòng khí lạnh mang nội năng ở mức mcT1.Như vậy dòng nhiệttrao đổi giữa các bề mặt bởi những dòng này là:

Hơn nữa ta có thể cho rằng khi không khí rời khỏi mỗi bề mặt mang tổng lượnghơi nước phù hợp để cân bằng với nhiệt độ tương ứng của bề mặt, ở trạng thái cânbằng thì trong một đơn vị thời gian có bao nhiêu phân tử nước rời khỏi bề mặt mặtthoáng thì cũng có bấy nhiêu phân tử nước quay trở lại Sau đó sự tập trung của cácphân tử lỏng hay hơi nước trong không khí gần bề mặt mặt thoáng cũng đạt đến giá trịcân bằng và gọi là độ ẩm tương đối, w Độ ẩm tương đối là khối lượng của hơi nướctrong 1kg không khí, w phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ;

Tiếp theo, nếu ta miêu tả quá trình đối lưu bởi sự chuyển động đồng thời của 2dòng không khí, mỗi một dòng có lưu lượng m trên một đơn vị diện tích, lượng nước

vận chuyển ra ngoài sẽ là mw và lượng nước vào trong là mw1 Vậy lượng nước đi ram(w - w1), đây cũng chính là lượng nước được sản xuất ra bởi thiết bị lọc nước trongmột đơn vị diện tích bề mặt, M;

Tương tự như quá trình trao đổi nhiệt giữa 2 tấm phẳng ta có thể viết phươngtrình cân bằng năng lượng trong thiết bị chưng cất có dạng:

P = k (T-T1) + εσ (T4-T41) + m r(w-w1)Trong đó: P (W/m2) là năng lượng bức xạ mặt trời đến, ε là độ đen của tổ hợp

bề mặt hấp thụ và nước, r (Wh/kg) là nhiệt hoá hơi của nước;

Với r = 660 Wh/kg, ε = 1 và độ chênh nhiệt độ trung bình của thiết bị khoảng40K thì ta có thể xác định lượng nước sản xuất được của thiết bị có thể xác định theocông thức:

M = (P-160)/660 (kg/m2h)

Ở Đà Nẵng với cường độ bức xạ trung bình P = 850 W/m2thì từ công thức trên

ta tính được M = 1.0 kg/m2h hay với 6giờ nắng trong ngày thì mỗi ngày 1m2bề mặthấp thụ thiết bị sản xuất được M = 6kg nước;

Đối với các hệ thống lớn thường đặt cố định với diện tích lớn thì các dòng nănglượng chủ yếu trong một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời khi nóhoạt động có thể biểu diễn như hình 2.8;

Mục đích của việc thiết kế một thiết bị chưng cất nước là làm sao cho nhiệtlượng dùng cho nước bay hơi Qbhlà lớn nhất Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặttrời đã được hấp thụ đến bề mặt ngưng xảy ra bởi hơi nước, và quá trình này tỷ lệthuận với nước ngưng thu được Hơn nữa tất cả các phần năng lượng khác truyền từđáy đến phần xung quanh phải hạn chế càng nhiều càng tốt;

Hầu hết các dòng năng lượng có thể được xác định theo các nguyên lý cơ bản,nhưng sự rò rỉ và các tổn thất qua các góc cạnh rất khó xác định và có thể gộp lại vàđược xác định bằng thực nghiệm bằng các thiết bị chưng cất thực tế;

2.2.5 Ưu và nhược điểm

Hiện nay có nhiều cải tiến trong thiết kế các dạng khác nhau của máy chưng cấtnăng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất, nhưng nhìn chung có những khó khăn,hạn chế trong việc sản xuất trên quy mô lớn:

+ Thu năng lượng mặt trời lớn yêu cầu có diện tích lớn

+ Chi phí đầu tư cao

+ Phụ thuộc nhiều vào thời tiết

Để sản xuất 4L nước mỗi ngày thì khu vực thu năng lượng khoảng 1m2.Vì vậy,

để sản xuất 4.000 m3/ngày, thì diện tích đất tối thiểu là 100ha Hoạt động này sẽ mấtđến một khu vực lớn và do đó có thể tạo ra khó khăn nếu ở gần một thành phố nơi cóđất bị khan hiếm và đắt đỏ Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống thì đơn giản và lâu dài vìnước biển và năng lượng mặt trời thì vô tận (Pinar Ilker Alkan, 2003 )

2.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Năng suất của máy chưng cất chịu ảnh huởng của ba nhóm điều kiện là điềukiện môi trường xung quanh, điều kiện hoạt động và điều kiện thiết kế

- Điều kiện môi trường xung quanh là nhiệt độ môi trường, sự phơi nắng, vàvận tốc gió;

Hình 2.8 Các dòng năng lượng chính trong thiết bị chưng cất nước kiểu bể

(Hoàng Dương Hùng, 2004)