Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm thiết bị tách nước ngọt từ nước biển hiệu năng cao

Chưng cất nước ngọt từ nước biển là đề tài nghiên cứu rất thiết thực đối với đời sống của con người, đặc biệt là phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ VŨ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

THIẾT BỊ TÁCH NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN HIỆU NĂNG CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐẶNG TRẦN THỌ

Tác giả luận văn

Lê Vũ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng

dẫn của thầy giáo PGS.TS Đặng Trần Thọ

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà không được ghi Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác

Tác giả luận văn

Lê Vũ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 VAI TRÒ Ý NGHĨA NƯỚC NGỌT TRONG ĐỜI SỐNG 2

1.1.1 Vai trò ý nghĩa 2

1.1.2 Hiện trạng sử dụng nước ngọt ở Việt Nam 3

1.2 CÁC CÔNG NGHỆ TẠO NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN 4

1.2.1 Khái quát tình hình khử muối trên thế giới 4

1.2.2 Các công nghệ khử muối 4

1.3 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 9

1.3.1 M ặt trời 9

1.3.2 Bản chất nguồn năng lượng mặt trời 10

1.3.3 NLMT ngoài vũ trụ - Hằng số mặt trời 11

1.3.4 Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời 11

1.3.4.1 Tính không ổn định của nguồn NLMT 12

1.3.4.2 Ảnh hưởng của lớp khí quyển 16

1.3.5 Hiện trạng sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 17

1.3.5.1 Hiện trạng sử dụng 17

1.3.5.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời 19

1.4 CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 21

1.5 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26

1.5.1 Mục đích 26

1.5.2 Nội dung nghiên cứu 29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯNG CẤT NƯỚC 30

2.2 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI SÔI 33

2.2.1 Đặc điểm của quá trình bay hơi 33

2.2.2 Quá trình sôi trên bề mặt vật rắn 34

2.2.3 Trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng tụ 35

2.2.4 Những nhân tố ảnh hưởng đến tỏa nhiệt khi ngưng: 37

2.3.TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT 49

2.3.1 Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất 49

2.3.2 Sự thay đổi của trạng thái không khí 51

2.3.3 Thiết bị chưng cất nước dạng bể phẳng bổ sung collector phẳng 57 2.2.4 Tỏa nhiệt khi ngưng tụ 61

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 66

3.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH 66

3.1.1 Đặc điểm cấu tạo 66

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 71

3.1.3 Các thiết bị đo đạc thực nghiệm 77

3.2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79

3.2.1 Trình tự đo đạc thực nghiệm 79

3.2.3 Các chế độ thực nghiệm 80

3.2.3 Kết quả thực nghiệm 84

3.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm 86

TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN 93

TÓM TẮT 93

KẾT LUẬN 94

ĐỀ XUẤT 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

D ANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

G kg/s Lưu lượng khối lượng

ρ kg/m3 Kh ối lượng riêng

α W/m2.K H ệ số trao đổi nhiệt

k W/m2.K Hệ số truyền nhiệt

λ W/m.K Hệ số dẫn nhiệt

CP kJ/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp

r kJ/kg.K Nhiệt ẩn hóa hơi

M Lít/m2/gi ờ Sản lượng nước

Ex: Experimental, thực nghiệm

Unglazed: Loại bộ thu không có gương phản xạ

FPC: Flat Plate Collector: Bộ thu tấm phẳng

ETC: Evacuated Tube Collector: Bộ thu ống thủy tinh chân không

MSF: Multi Stage Flash; MED: Multi Effect Distillation; TVC: Thermal Vapor Compression; MD: Memberane Distillation; RO: Reverse Osmosis

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các công nghệ khử muối 5

Hình 1.2 Khả năng khử mặn của các công nghệ 6

Hình 1.3 Năng lượng cần thiết cho các công nghệ 6

Hình 1.4 Tác động môi trường của các công nghệ khử mặn 6

Hình 1.5 Giá thành khử mặn của các công nghệ 7

Hình 1.6 Phát triển công suất khử mặn nước toàn cầu 7

Hình 1.7 Ứng dụng các công nghệ khử nước mặn trên thế giới, năm 2014 8

Hình 1.8 Phát triển ứng dụng công nghệ nhiệt và công nghệ màng lọc tại các nhà máy khử mặn nước trên thế giới 8

Hình 1.9 Phát triển số lượng sáng chế liên quan đến khử mặn nước 9

Hình 1.10 Mối liên hệ giữa trái đất và mặt trời 10

Hình 1.11 Phân bố năng lượng trong phố của bức xạ mặt trời 10

Hình 1.12 Vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời trong một năm 12

Hình 1.14 Tương tác của BXMT với khí quyển 17

Hình 1.15 Số liệu đo đạc tại 4 điểm 20

Hình 1.16 Thiết bị chưng cất dạng bị động 1 22

Hình 1.17 Thiết bị chưng cất dạng bị động 2 22

Hình 1.18 Thiết bị chưng cất dung bấc 23

Hình 1.19 Thiết bị chưng cất dạng bậc thang 23

Hình 1.20 Thiết bị chưng cất dạng chủ động 25

Hình 1.21 Chưng cất nước với bộ thu hình cầu 25

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý ngọt hóa nước biển 30

Hình 2.2 Quan hệ Qmin = f(T) khi to và Wmin có giá trị nhất định 32

Hình 2.3 Quá trình hóa hơi đẳng áp trên đồ thị T-S 36

Hình 2.4 Sự phân bố nhiệt độ trong nước sôi ở điều kiện áp suất khí quyển 40 Hình 2.5 Các mầm hơi hình thành tại các tâm sôi 40

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của q và α vào Δt 43

Hình 2.7 Sôi đối lưu tự nhiên 44

Hình 2.8 Sôi sủi bọt 44

Hình 2.9 Sôi màng 45

Hình 2.10 S ự phân bố nhiệt độ trường hợp sôi của chất lỏng ở ống đứng 48

Hình 2.11 Sự phân bố nhiệt độ trường hợp sôi của chất lỏng ở ống đặt nằm 48 Hình 2.13 Độ ẩm tương đối 50

Hình 2.14 Trao đổi nhiệt và chất giữa không khí và nước khi dòng chuyển động ngược chiều 51

Hình 2.15 Sự thay đổi trạng thái không khí trong quá trình TĐN và TĐC 54

Hình 2.16 Trao đổi nhiệt và chất giữa không khí và nước khi dòng chuyển động cùng chiều 54

Hình 2.17 S ự biến thiên nhiệt độ 56

Hình 2.18 Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ của hai chất tải nhiệt trong thi ết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp 57

Hình 2.19 Sơ đồ thiết bị chưng cất dạng bể phẳng 57

Hình 2.20 Cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường 58

Hình 2.21 Sự thay đổi sản lượng nước sản xuất trong ngày – đêm 59

Hình 2.22 Bộ chưng cất dạng chủ động với collector mặt trời 59

Hình 2.23 Sự thay đổi sản lượng nước của hai loại: có collector phụ và không có khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi 60

Hình 2.24 Sự thay đổi hiệu suất của hệ thống tùy theo sự thay đổi 60

Hình 2.25 Sự thay đổi sản lượng nước tùy theo độ sâu lớp nước khi Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi 61

Hình 3.1 Tấm lọc nước 66

Hình 3.2 Tấm lấy sáng – ngưng tụ module 67

Hình 3.3 Gioăng cao su cố định tấm lấy sáng 68

Hình 3.4 Ống nhôm nhận nước và khay chứa 69

Hình 3.5 Bộ phân nẹp hỗ trợ 69

Hình 3.6 Bộ phận thu gom nước thừa sau chưng cất 70

Hình 3.7 Ống dẫn nước vào 70

Hình 3.8 Ống thu nước chưng cất 71

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mô hình 71

Hình 3.10 Cấu tạo tấm lọc nước 73

Hình 3.11 Nước cấp đi vào trong tấm lọc 74

Hình 3.12 Bức xạ NLMT vào tấm chưng cất 74

Hình 3.13 Nước bay hơi ngưng tụ trên mặt kính 75

Hình 3.14 Nước đã ngưng tụ trên mặt kính chảy xuống 75

Hình 3.15 Hình vẽ phân tích dòng nhiệt thiết bị tấm lọc nước 76

Hình 3.16 Các thiết bị đo nhiệt độ và đầu đo cảm 78

Hình 3.17 Nhiệt kế đo đổ ẩm 78

Hình 3.18 Thiết bị đo vận tốc gió PCE-AM-81 79

Hình 3.19 Bố trí đường ống và dụng cụ đo 79

Hình 3.20 Bố trí ống gia nhiệt 79

Hình 3.21 Tấm lọc không bố trí gia nhiệt(DG Cường độ, nhiệt độ 87

tấm thép) 87

Hình 3.22 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (DG Cường độ, nhiệt độ 87

tấm thép) 87

Hình 3.23 Tấm lọc không bố trí gia nhiệt(DG Nhiệt độ nước) 87

Hình 3.24 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (DG Nhiệt độ nước) 87

Hình 3.25 Tấm lọc không bố trí gia nhiệt (ĐG Sản lượng nước) 88

Hình 3.26 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (ĐG Sản lượng nước) 88

Hình 3.27 Các yếu tố ảnh hưởng sản lượng nước chưng cất 91

Hình 3.28 Sản lượng nước cưng cất với các bộ gia nhiệt khác nhau 92

Hình 3.29 Biểu đồ so sánh sản lượng nước của thiết bị chưng cất nước có bố trí bộ ngưng tụ ngoài 92

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh phương pháp khử muối bằng chưng cất và màng 27

Bảng 2.1 Hệ thống và tham số liên quan thực nghiệm 60

Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm chế độ không có gia nhiệt 85

Bảng 3.2 Kết quả thực nghiệm chế độ có bố trí gia nhiệt 85

Bảng 3.3 Dòng nhiệt trong thiết bị không gia nhiệt 88

M Ở ĐẦU

Nước ngọt là hợp chất liên quan trực tiếp và có tính quyết định đến sự sống

và là nguồn sống của mọi sinh vật trên trái đất Một đặc điểm hết sức quan trọng đối với nước, đó là trên hành tinh chúng ta, nước không hề được sản xuất ra và cũng không bị tiêu hao mà chỉ thông qua các hoạt động của hệ sinh thái và hoạt động sản xuất của con người

Do nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao, trong khi các nguồn nước và trữ lượng nước sạch ngày càng ít đi, đặc biệt là các vùng ven biển và hải đảo Chưng cất nước ngọt từ nước biển là đề tài nghiên cứu rất thiết thực đối với đời sống của con người, đặc biệt là phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời khi mà các nguồn năng lượng khác đang ngày càng cạn kiệt

Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đã và đang trở thành đề tài được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, do đó vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta sẽ ứng dụng được nguồn năng lượng vô tận này trong những lĩnh vực gì? Chưng cất nước ngọt

từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời là một trong số những lĩnh vực sử dụng nguồn năng lượng này

Với mục đích muốn góp một phần vào việc tìm kiếm các biện pháp và công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình chưng cất nước ngọt từ nước biển, đề

tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm thiết bị tách nước ngọt từ nước biển hiệu năng cao“ được tác giả chọn để nghiên cứu

Đã có nhiều công trình trong và ngoài nước tiến hành nghiên cứu để thu được nước ngọt từ nước biển, nhưng tới nay một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để biến nước biển thành nước ngọt có hiệu năng cao còn tương đối ít Vì vậy mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu thực nghiệm mô hình đạt hiệu năng

cao Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là những kết quả nghiên cứu ban đầu, và sẽ không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong được sự trao đổi, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và những ai quan tâm đến đề tài này

là thành phần cơ bản của vật chất và trong quá trình phát triển của xã hội loài người thì các nền văn minh lớn của nhân loại đều xuất hiện và phát triển trên lưu vực của

các con sông lớn như: nền văn minh Lưỡng hà ở Tây Á nằm ở lưu vực hai con sông lớn là Tigre và Euphurate (thuộc Irak hiện nay); nền văn minh Ai Cập ở hạ lưu sông Nil; nền văn minh sông Hằng ở Ấn Độ; nền văn minh Hoàng Hà ở Trung Quốc; nên văn minh sông Hồng ở Việt Nam

Hiện nay, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế 97,5% nước trên trái đất là nước biển và còn lại 2,5% là nước ngọt Phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tầng băng và dưới lòng đất Nước mà con người có thể khai thác và sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0.01% tổng lượng nước ngọt hiện có

Trong khi đó, dân số toàn cầu ngày càng tăng do đó nguy cơ đối mặt với tình trạng khan hiếm nước chắc chắn sẽ xảy ra

Hiện nay đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung Đông (Isarel, Arap Xeeut), Địa Trung Hải (Malta), châu Mỹ, Nam Âu, Caribe, Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Cananaria nơi nguồn nước ngọt tự nhiên rất khan hiếm do lượng nước mưa thấp

Trong những thập kỷ 1960 – 1970 dể khắc phục tình trạng thiếu nước người

ta đã xây dựng nhiều hồ chứa hơn Tuy nhiên, giá thành nước gia tăng đã làm cho

các công ty thương mại không thể lựa chọn giải pháp này Khử muối trong nước biển là một giải pháp tương đối mới Nó bắt nguồn từ Trung Đông vào những năm

1980 và 1990 Trong tổng số 7.500 nhà máy khử muối đang hoạt động trên toàn thế giới, 60% nằm tại Trung Đông với tổng công suất 16 tỷ lít nước mỗi ngày

Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới ở Ả rập Xê út sản xuất 128 triệu galon mỗi ngày (tương đương với 581 triệu lít) Ả rập Xê út là nước sản xuất nước ngọt từ nước biển lớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của đất nước này Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế giới được sản xuất ở châu Mỹ với phần lớn nhà máy nằm ở Florida và California Mỹ có 1500 nhà máy khử muối khỏi nước ngầm và nước bề mặt với công suất 5 tỷ lít mỗi ngày

1.1.2 Hiện trạng sử dụng nước ngọt ở Việt Nam

Việt Nam cũng giống như một số nước trên thế giới đang đứng trước thách thức hết sức lớn về nạn ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị

Trong những năm gần đây nhu cầu sử nước sử dụng cho công nghiệp và sinh hoạt không ngừng tăng lên theo đà phát triển của công nghiệp, sự gia tăng dân số, mức sống của người dân không ngừng được nâng cao và sự phát triển của các đô thị

Đối với Việt Nam, tài nguyên nước ẩn chứa nhiều yếu tố không bền vững Tổng lượng nước mặt bình quân năm ở Việt Nam có khoảng 830 tỷ m3 Gần 57% lượng dòng chảy này là ở lưu vực sông Cửu Long, hơn 16% ở lưu vực sông Hồng-Thái Bình và hơn 4% ở lưu vực sông Đồng Nai, nơi diễn ra hầu hết các hoạt động phát triển kinh tế xã hội Tổng trữ lượng nước dưới đất ước tính khoảng 63 tỷ

m3/năm

Hơn 60% nguồn nước mặt của Việt Nam được sản sinh ở nước ngoài, chỉ có bình quân 309 tỷ m3 mỗi năm được sản sinh trên lãnh thổ Việt Nam Lượng nước mặt bình quân đầu người ở nước ta hiện nay đạt khoảng 3.840 m3/người/năm Nếu tính tổng lượng tài nguyên nước sông ngòi ở Việt Nam, kể cả nước từ bên ngoài chảy vào thì bình quân đạt 10.240 m3/người/năm Với tốc độ phát triển dân số như hiện nay thì đến năm 2025 lượng nước mặt tính bình quân đầu người ở nước ta chỉ đạt khoảng 2.830 m3/người/năm Tính cả lượng nước từ bên ngoài chảy vào thì bình

quân đạt 7.660 m3/người/năm Theo chỉ tiêu đánh giá của Hội Tài nguyên nước quốc tế (IWRA), quốc gia có lượng nước bình quân đầu người dưới 4.000

m3/người/năm là quốc gia thiếu nước Như vậy, nếu chỉ tính riêng lượng tài nguyên nước mặt sản sinh trên lãnh thổ thì ở thời điểm hiện nay Việt Nam đã thuộc số các quốc gia thiếu nước và sẽ gặp phải rất nhiều thách thức về tài nguyên nước trong tương lai gần

1.2 CÁC CÔNG NGHỆ TẠO NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN

1.2.1 Khái quát tình hình khử muối trên thế giới

Nước mặn có hàm lượng khoáng cao, đặc trưng bằng chỉ tiêu TDS (Total Dissolved Solid - tổng chất rắn hòa tan) TDS phụ thuộc vào lượng các ion chủ yếu

có trong nước Ví dụ trong nước biển, có 90% các ion Na+, Cl-, Mg2+; 3% các ion

K+, Ca2+, SO42- ; các chất còn lại chiếm 7% Nước biển có TDS khoảng 30.000 - 50.000 ppm (hay mg/l), nước lợ có TDS thấp hơn nước biển (khoảng 1.000 - 30.000 ppm) và cao hơn nước uống (< 1.000 ppm)

Khử mặn là quá trình loại bỏ các loại muối hòa tan và các chất khác có trong nước biển, nước lợ, hay nước ngầm hoặc nước mặt bị nhiễm mặn Tùy theo công nghệ và mục đích xử lý, quá trình khử mặn có thể thu được nước đạt chất lượng dùng cho ăn uống, sinh hoạt hay trong công nghiệp hoặc nông nghiệp Các thử nghiệm khử mặn nước sớm nhất là phương pháp lọc cát của Francis Bacon vào năm

1627, hay khử mặn bằng phương pháp chưng cất của Thomas Jefferson vào năm

1791

1.2.2 Các công nghệ khử muối

Hiện nay, có rất nhiều công nghệ khử mặn, có thể phân làm 4 nhóm: công nghệ nhiệt, công nghệ lọc qua màng, phương pháp hóa học và phương pháp hấp phụ được minh họa trên hình 1.1

Sử dụng nhiệt để khử mặn gồm có: chưng cất nhanh đa cấp (MSF - stage flash distillation), chưng cất đa hiệu ứng (MED - multiple-effect distillation), chưng cất nén hơi (MVC - vapor compression distillation), khử mặn bốc ẩm (HDH-

multi-humidification - dehumidification desalination), chưng cất bằng năng lượng mặt trời (SD - solar distillation) và đóng băng (Frz - freezing)

Hình 1.1 Các công ngh ệ khử muối

Công nghệ màng lọc gồm có: thẩm thấu ngược (RO- reverse osmosis), thẩm thấu chuyển tiếp (FO -forward osmosis), điện thẩm tách (ED - electro-dyalysis) và lọc nano (NF- nanofiltration)

Phương pháp hóa học bao gồm: trao đổi ion (I.Ex - ion-exchange desalination), gas hydrate (G.Hyd) và chiết tách lỏng - lỏng (LLE - liquid–liquid extraction)

Công nghệ hấp phụ (Ads - adsorption technology) Lựa chọn công nghệ để khử nước mặn phụ thuộc nhiều thông số như công suất, độ mặn của nước đầu vào, yêu cầu nước đầu ra, năng lượng sử dụng, các yếu tố môi trường và giá thành

Về khả năng khử mặn, công nghệ MSF và Ads vượt trội so với những công nghệ khác, hai công nghệ này có thể xử lý nước mặn đầu vào có độ mặn từ (67-70)x103 ppm giảm xuống còn 10 ppm Có khả năng khử mặn thấp nhất là công nghệ LLE Các khả năng khử mặn được minh họa trên hình 1.2

Năng lượng là một trong những vấn đề được quan tâm khi lựa chọn công nghệ khử mặn Hiện nay có nhiều công nghệ khử mặn tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo, nhưng vẫn còn đắt đỏ Tiêu tốn ít năng lượng là các công nghệ SD, I.Ex, Ads và G.Hyd, chỉ dưới 2 kWh/m3

Năng lượng cần thiết cho các công nghệ được minh họa trong hình 1.3

Hình 1.2 Kh ả năng khử mặn của các công nghệ

Hình 1.3 Năng lượng cần thiết cho các công nghệ

Tùy vào nguồn năng lượng sử dụng của công nghệ mà có những tác động đến môi trường khác nhau Yếu tố ảnh hưởng đến môi trường được tính toán dựa trên lượng khí CO2 thải ra Những công nghệ ít tác động đến môi trường là SD, I.Ex, Ads và G.Hyd, những công nghệ này thải CO2 dưới 0,7 kg/m3 Thải nhiều CO2 ra môi trường là công nghệ HDH, lên đến 29,1 kg/m3 Tác động của môi trường tới các công nghệ khử mặn được minh họa trong hình 1.4

Hình 1.4 Tác động môi trường của các công nghệ khử mặn

Giá thành sản phẩm là một trong những yếu tố được cân nhắc khi chọn công nghệ Các công nghệ Ads, Frz và LLE tạo ra sản phẩm nước đã khử mặn dưới 0,5 USD/m3 Trong khi đó công nghệ HDH và SD lên đến gần 4 USD/m3 Biểu đồ giá thành các công nghệ khử mặn được minh họa trên hình 1.5

Hình 1.5 Giá thành kh ử mặn của các công nghệ

Dự án công nghiệp tầm cỡ về khử nước mặn đầu tiên được biết ra đời ở Mỹ vào năm 1952, với kinh phí nghiên cứu và triển khai là 160 triệu USD Các nhà máy khử mặn nước trên thế giới gia tăng nhanh chóng trong gần nửa thế kỷ qua Năm

2014, có khoảng 18.000 nhà máy khử mặn nước hoạt động trên thế giới, công suất khoảng 86,5 triệu m3/ngày, có đến 65% sử dụng công nghệ RO Công suất khử mặn trên toàn cầu được phát triển và ứng dụng minh họa trên hình 1.6 và 1.7

Hình 1.6 Phát tri ển công suất khử mặn nước toàn cầu

Công nghệ màng lọc và công nghệ nhiệt để khử mặn nước được ứng dụng nhiều và luôn phát triển trong những năm vừa qua được minh họa trên hình 1.8 Tùy

theo đặc điểm riêng, mỗi nơi sẽ lựa chọn công nghệ khử mặn nước phù hợp Ví dụ, vùng Trung Đông sử dụng công nghệ nhiệt như MSF và MED, phương pháp này có khả năng thu hồi 30-40% nước ngọt từ nước biển đầu vào;

Hình 1.7 Ứng dụng các công nghệ khử nước mặn trên thế giới, năm 2014

Mỹ thiên về công nghệ màng lọc như công nghệ RO, ED Năng lượng sử dụng trong các nhà máy khử mặn nước thường từ nguồn năng lượng hóa thạch Song song đó, hiện có nhiều nhà máy khử mặn nước sử dụng năng lượng mặt trời như ở Abu Dhabi (Các Tiểu vương quốc Ả rập Thống nhất) Ngoài ra, ứng dụng kết hợp giữa năng lượng hạt nhân và khử mặn nước đã được phát triển ở một số nơi trên thế giới như ở Argentina, Ấn Độ, Nhật và Pakistan Công nghệ nhiệt và công nghệ màng lọc tại các nhà máy khử mặn trên thế giới được giới thiệu trên hình 1.8

Hình 1.8 Phát tri ển ứng dụng công nghệ nhiệt và công nghệ màng lọc tại các

nhà máy kh ử mặn nước trên thế giới

• Xu hướng nghiên cứu khử mặn nước qua thông tin sáng chế

Dù có rất nhiều công nghệ khử mặn nước đã được sử dụng từ nhiều năm qua, nhưng triển khai đại trà còn nhiều thách thức vì công nghệ khử mặn đòi hỏi nhiều năng lượng, tác động đến môi trường bởi thải nhiều khí CO2, và chi phí cao Do vậy, các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu phát triển công nghệ khử mặn nước theo hướng dùng năng lượng sạch, giảm tác động đến môi trường và giảm giá thành Theo báo cáo phân tích công nghệ khử mặn và sử dụng năng lượng thay thế

để khử mặn (Desalination Technologies and the Use of Alternative Energies for Desalination) qua thông tin sáng chế (SC) của Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới (WIPO), cho thấy trước năm 1980 lĩnh vực này không có nhiều SC, sau đó số lượng

gia tăng dần, nhất là từ năm 2000 được minh họa trên hình 1.9

Hình 1.9 Phát tri ển số lượng sáng chế liên quan đến khử mặn nước

1.3.1 M ặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu cực nóng, có đường kính 1,39.106 km (lớn hơn nhiều so với đường kính trái đất 1,27.104km ) Nhiệt độ bề mặt mặt trời khoảng 5778K Nhiệt độ tại tâm mặt trời khoảng 15.106K , với thành phần hóa học, chủ yếu

là nguyên tố Hidro và Heeli (tương ứng với 73,46% và 24,85% tổng khối lượng mặt trời) [1]

Ngoài ra, do trái đất ở cách xa mặt trời, và mặt trời lớn hơn rất nhiều trái đất, nên có thể coi rằng, các tia sáng từ mặt trời đến trái đất là song song nhau, và chúng

ta nhìn mặt trời dưới một góc 32ođược minh họa trên hình 1.10

Hình 1.10 M ối liên hệ giữa trái đất và mặt trời

Với những điều kiện phù hợp như vậy, phản ứng nhiệt hạch luôn luôn xảy ra tại tâm mặt trời:

41H → 4He + e + ᵧ

Chúng ta lấy một ví dụ đơn giản, nếu có 1g(H) thì năng lượng giải phóng ra trong phản ứng trên cỡ 1012J Với khối lượng của mặt trời khoảng 2.1030kg thì năng lượng mặt trời mà mặt trời sinh ra trong quá trình đốt nóng là vô cùng lớn, theo các nhà khoa học thì phải 4 đến 5 tỷ năm nữa mới hết được

Như vậy, có thể nói rằng, nguồn NLMT là một nguồn năng lượng lớn nhất (gần như vô tận) và sạch nhất hiện nay mà con người có thể biết

1.3 2 Bản chất nguồn năng lượng mặt trời

NLMT truyền tới trái đất dưới dạng song điện tử có phổ rất rộng Phân bố NLMT trong phổ của bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển minh họa trên hình 1.11

Hình 1.11 Phân b ố năng lượng trong phố của bức xạ mặt trời

Trên hình 1.11 là phân bố năng lượng trong phổ của bức xạ mặt trời (BXMT)

ở giới hạn trên của khí quyển Phần phổ với bước song từ 0,1 đến 4µm bao gồm 99% toàn bộ năng lượng BXMT Bức xạ với bước song nhỏ hơn hay lớn hơn kể cả những tia rơnghen và song vô tuyến điện chỉ chiếm 1% năng lượng còn lại Phần

ánh sáng thấy được chiếm khoảng phổ hẹp có bước song từ 0,4 đến 7,5 µm Song ở đây bao gồm gần một nửa toàn bộ năng lượng của BXMT (44%) Các tia hồng ngoại chiếm năng lượng trên 48%, còn lại 7% năng lượng là tia cực tím, các tia khác chỉ chiếm dưới 1%

1.3.3 NLMT ngoài vũ trụ - Hằng số mặt trời

Mật độ dòng năng lượng BXMT tới bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ

ở ngay ngoài lớp khí quyển, tính trên 1m2, được tính theo công thức :

Isc = Is (R/b)2 [1.1]

R = 0,695.106là bán kính mặt trời;

b = 1,496.108km là khoảng cách trung bình giữa trái đất và mặt trời;

ISlà cường độ bức xạ ở bề mặt mặt trời, được tính theo định luật Stefan

1.3.4 Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời

Trái đất quay quanh mặt trời theo một quỹ đạo elip và mặt trời nằm trên một trong những tiêu điểm của quỹ đạo này được miêu tả trên hình 1.12 Trên hình 1.12

biểu diễn vị trí của trái đất trên quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời trong một năm Vào đầu tháng 1, trái đất gần mặt trời nhất (với khoảng cách là 147,1 triệu km), vào đầu tháng 7 trái đất xa mặt trời nhất (với khoảng cách là 152,1 triệu km) Ngoài ra, khi chuyển động quay xung quanh mặt trời, thì trái đất cũng tự quay xung quanh trục của nó Trục quay của trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo

mà nghiêng một góc 23,45o trái đất quay quanh mặt trời được một vòng thì nó cũng

tự quay xung quanh mình 365,25 vòng

[1.3]

n : ngày trong năm, n=1 vào ngày 1/1

IE: CĐBX mặt trời ngay bên ngoài khí quyển, được đo trên mặt phẳng

vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm

1.3.4.1 Tính không ổn định của nguồn NLMT

BXMT tới trên mặt Đất phụ thuộc vào hai yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm quan sát và độ dài đường đi của các tia sáng

trong khí quyển, hay nói cách khác là phụ thuộc vào vị trí của mặt trời so với mặt quan sát

a Một số khái niệm

- Hệ số khối khí AM: là tỉ số giữa độ dài của tia mặt trời khi đi qua lớp khí quyển tái Đất và độ dày của lớp khí quyển theo phương thẳng đứng (khi mặt trời ở thiên đỉnh – lúc giữa trưa)

- Trực xạ: là BXMT chiếu đến bề mặt trái đất khi không bị các thành phần của khí quyển gây tán xạ Đây là dòng bức xạ có định hướng

- Tán xạ: là thành phần BXMT chiếu đến bề mặt trái đất sau khi hướng của

nó đã bị thay đổi do sự tán xạ bởi lớp khí quyển

- Tổng xạ: là tổng của trực xạ vá tán xạ trên một bề mặt

- Cường độ bức xạ (W/m2): Là cường độ năng lượng BXMT đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ BXMT cũng bao gồm CĐBX trực xạ, CĐBX tán xạ

- Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát

b Vị trí của mặt trời trên bầu trời

Vị trí của mặt trời trên bầu trời luôn thay đổi, phụ thuộc vào không gian (vị trí quan sát), và thời gian Vì vậy, để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu và tính toán, thì một số góc hình học đã được định nghĩa nhằm xác định vị trí của mặt trời trên bầu trời Như trong hình 1.13 thể hiện quan hệ hình học giữa một mặt phẳng định hướng bất kỳ trên mặt đất và tia BXMT truyền tới, hay nói cách khác, nó thể hiện vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó

- Góc giờ ω : là góc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời ở thời điểm quan sát

Nó là số đo góc của thời gian và có tỉ lệ tương đương 15o trong 1h Góc giờ

ω cũng biến đổi từ -180o đến +180o, và được quy ước tại 12 giờ trưa, góc ω = 0o

Góc giờ sẽ có giá trị (+) vào buổi sáng và (-) vào buổi chiều

ω= (12-t).15, với t là giờ (h) trong ngày, ω đo bằng độ

- Góc vĩ tuyến φ hay còn gọi là vĩ độ của một địa phương nào đó là góc tạo bởi bán kính của trái đất đi qua địa phương đó và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo của trái đất

Góc φ có giá trị từ -90o (điểm cực Nam) đến +90o (điểm cực Bắc)

- Góc lệch δ là góc nối giữa đường nối tâm của mặt trời với tâm trái đất và hình chiếu của nó trên mặt phẳng xích đạo

Do trái đất tự quay xung quanh trục nghiêng (trục Bắc Nam) của nó một góc 23,45o nên góc lệch δ sẽ có giá trị từ +23,45o

vào ngày Hạ Chí 21-06 đến -23,45o

vào ngày Đông Chí 21-12 Vào một ngày bất kì, góc lệch được tính theo công thức Cooper :

δ(đo bằng độ) = 23,45 sin [365360(284 +n) ] [1.4] Trong đó n là số ngày của năm, n = 1 vào ngày 01-01

- Góc Azumith γ hay còn gọi là góc phương vị của mặt phẳng nghiêng:

Là góc nằm trong mặt phẳng nằm ngang giữa hướng Nam và hình chiếu của pháp tuyến của mặt quan sát trên mặt ngang Góc γ có thể biến đổi từ -180o đến

+180o Góc γ nhận dấu (+) nếu hình chiếu pháp tuyến của mặt quan sát nằm ở bên phải hướng Nam, và sẽ nhận dấu (-) nếu hình chiếu pháp tuyến nằm ở bên trái hướng Nam

- Góc nghiêng β là góc giữa mặt quan sát và mặt nằm ngang, và biến đổi từ

Hình 1.13 Các góc tương quan giữa tia sáng tới trên mặt phẳng quan sát

- Góc phương vị mặt trời γS là góc hợp bởi hình chiếu của tia tới trên mặt phẳng nằm ngang và phương chính Nam, nó nhận dấu (+) khi mặt trời ở phía Đông

và nhận dấu (-) khi mặt trời ở phía Tây

Quan hệ giữa các góc trên có thể biểu diễn bằng phương trình :

cosα sinγ =-cosδ.sinω [1.5]

cosα.cosγ=sinδ.cosφ - cosδ.cosω.sinφ

cosθ = cosθZ cosβ + sinθZ sinβ.cos(γS - γ) [1.6] Đối với bề mặt nằm ngang, góc tới θ cũng chính là góc đỉnh của mặt trời

θz Như vậy, ta cũng có :

cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ [1.7]

Từ phương trình này, ta thấy, khi mặt trời lặn, θz = +90o

Cosωs = - sinφsinδ

cosφcosδ = - tgφ.tgδ [1.8] Cường độ BXMT IOE tới bề mặt nằm ngang ngay bên ngoài khí quyển sẽ được xác định theo công thức :

IOE = IE.cosθz [1.9] với IEđược tính theo phương trình [1.3]

IOE = Isc(1+0,033cos n).cosθz [1.10] Hay

IOE = Isc(1+0,033cos 360.n/365).( cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ) [1.11]

Gọi IOlà cường độ BXMT tới bề mặt trái đất, thì ta sẽ có :

1.3.4.2 Ảnh hưởng của lớp khí quyển

Khí quyển trái đất là lớp các chất khí bao quanh và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của trái đất, gồm có nitơ (78,084% thể tích), ôxy (20,946%), với một lượng nhỏ agon (0,934%), điôxít cacbon (khoảng 0,035%), hơi nước và một số chất khí khác

Bầu khí quyển trái đất hấp thụ, tán xạ các thành phần của BXMT của mặt trời và tạo ra sự thay đổi phổ BXMT, và thay đổi nhiệt độ trên bề mặt trái đất Khi

đi qua khí quyển, BXMT bị các chất khí trong khí quyển và các tạp chất khuếch tán một phần và chuyển thành tán xạ Một phần BXMT được các phân tử chất khí khí quyển và tạp chất hấp thụ và biến nó thành nhiệt đốt nóng khí quyển Phần trực xạ không bị khuếch tán và hấp thụ trong khí quyển đi thẳng tới mặt đất, một phần bị mặt đất phản hồi còn phần lớn bị mặt đất hấp thụ và đốt nóng nó, một phần tán xạ cũng tới mặt đất, trong đó một phần lại phản hồi và một phần đốt nóng mặt đất Một phần khác của tán xạ đi lên phía trên và mất vào khoảng không gian giữa các hành tinh Do quá trình hấp thụ và khuếch tán bức xạ trong khí quyển, trực xạ tới mặt đất

đã biến đổi so với khi tới giới hạn trên của khí quyển được miêu tả trên hình 1.14

Cường độ của bức xạ giảm đi, thành phần phổ của nó cũng biến đổi, do những tia bức xạ có bước sóng khác nhau bị khí quyển hấp thụ và khuếch tán khác

nhau Ngoài sự hấp thụ, trực xạ trên đường xuyên qua khí quyển còn giảm yếu do

bị khuếch tán và sự giảm yếu này lớn hơn sự giảm yếu do hấp thụ Quá trình khuếch tán là sự biến đổi từng phần trực xạ có một hướng lan truyền nhất định thành bức xạ lan theo mọi hướng miêu tả trên hình 1.14

Hình 1.14 Tương tác của BXMT với khí quyển

1.3.5 Hiện trạng sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

1.3.5.1 Hiện trạng sử dụng

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23o 23’ Bắc đến 8o 27’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…)

Ngoài ra, đường bờ biển dài 3200 km với hàng ngàn đảo nhỏ có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng không thể đưa điện lưới đến được Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách

có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở miền Trung Việt Nam hiện nay chủ

yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống bếp có gương phản xạ và đặt biệt là hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT Nhưng nhìn chung các thiết

bị này có giá thành còn cao, hiệu suất thấp nên chưa được người dân sử dụng rộng rãi Ngoài chiếu sáng, năng lượng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnh vực nhiệt, đun nấu

Ngày 28/08/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân do Công ty

CP Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức được khởi công

xây dựng, nhà máy có công suất 19,2MW với Tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 24ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức tỉnh Quảng Ngãi bằng nguồn vay trong nước và nước ngoài Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại, hiệu suất cao, tuổi thọ dự kiến kéo dài 25 năm Khi đi vào vận hành, Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân cung cấp cho hệ thống điện quốc gia hơn 28 triệu kWh điện mỗi năm Đồng thời tạo ra hàng chục công việc làm cho người dân ở địa phương, đặt biệt người dân ở huyện

Mộ Đức

Bộ Công thương đã phê duyệt dự án xây dựng nhà máy điện mặt trời Tuy Phong tại xã Vĩnh Hào, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận sau khi điều chỉnh bổ sung quy hoạch phát triển điện tỉnh Bình Thuận giai đoạn 2011-2015, có xét đến

2020 Công trình này sẽ được xây dựng trên diện tích gần 50ha, công suất 30MW với tổng vốn đầu tư 1,454 tỉ đồng (tương đương 66 triệu USD) bắt đầu phát điện từ cuối năm 2017 Đây là dự án điện mặt trời đầu tiên được cấp phép tại Bình Thuận,

mở ra giai đoạn mới trong phát triển năng lượng sạch, công nghệ cao, mang lại hiệu quả kinh tế xã hội cho địa phương, góp phần bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu, giảm thải hiệu ứng phát thải khí nhà kính và phát triển bền vững

Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp 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, hải đảo…)

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

Ngoài chiếu sáng, năng lượng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnh vực 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 năng lượng mặt trời

triển khai Dự án “Bếp năng lượng mặt trời” cho các hộ dân tại làng 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 mặt trời để đun nước nóng và đưa loại bình đun nước nóng này vào ứng dụng tại một 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 dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ tập trung tại nông thôn, miền núi – nơi mức sống tương đối thấp Theo ông Nguyễn Đức Cường – Phụ trách Trung tâm Năng lượng tái tạo và CDM - Viện Năng lượng (EVN), “rào cản” lớn nhất của vấn đề này bắt nguồn từ kinh phí Dù năng lượng mặt trời ở dạng “nguyờn liệu thụ”, nhưng chi phí đầu tư để khai thác, sử dụng lại rất cao do công nghệ, thiết

bị sản xuất đều nhập từ nước ngoài Phần lớn những dự án điện mặt trời đã và đang triển khai đều sử dụng nguồn vốn tài trợ hoặc vốn vay nước ngoài Do đó, mới chỉ

có một vài tổ chức, viện nghiên cứu và các trường đại học tham gia, cũn phớa doanh nghiệp, cá nhân vẫn chưa “mặn mà” với việc ứng dụng, sản xuất cũng như sử dụng các thiết bị Riêng bình đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời vốn được coi

là có khả năng ứng dụng rộng rãi trên thị trường Việt Nam với hơn 10 doanh nghiệp sản xuất thì lại vướng phải khó khăn khác là thiếu sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu cũng như kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất Giá điện của 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 mặt trời trong nước phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, khí hậu Việt Nam nhưng lại chưa cạnh tranh được với hàng Trung Quốc về kiểu dáng, chất liệu và giá thành

1.3.5.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời

Qua các số liệu đo đạc thực tế về số giờ nắng và kết quả tính toán tổng trọng lượng bức xạ cho một số địa phương cho thấy:

- Khu vực Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh): bình quân trong năm có chừng 1700 giờ nắng Tổng bức xạ năm khoảng trên 1400kWh/m2

- Khu vực Trung Trung Bộ (từ Đồng Hới đến Quảng Ngãi): có số giờ nắng gần 2100 giờ và tổng bức xạ năm khoảng trên 1600 kWh/m2

- Khu vực Nam Trung Bộ (từ Bình Định đến Bình Thuận): có số giờ nắng trên 2650 giờ và tổng bức xạ năm khoảng trên 1900 kWh/m2 Như vậy, có thể nói ở khu vực này, trung bình mỗi ngày có khoảng trên 7 giờ có nắng Do đố, đối với các địa phương ở Nam Trung Bộ có nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng

Hiện tại số lượng trạm đo bức xạ ở Việt Nam khá hạn chế và số liệu thu được chưa được xử lý, xây dựng thành cơ sở dữ liệu Vì vậy, các nhà khoa học thường xem xét mỗi quan hệ giữa tổng lượng bức xạ và tổng giờ nắng và tìm phương trình hồi quy để tính tổng lượng bức xạ tại nơi chỉ đô số giờ nắng Từ số liệu có được, các phương trình hồi quy tại 4 địa điểm đã được xác lập minh họa trên hình 1.15

Hình 1.15 S ố liệu đo đạc tại 4 điểm

Các kết quả tính toán nêu trên cho thấy rằng, với số giờ nắng và lượng bức

xạ như vậy, miền Trung Việt Nam và đặc biệt là khu vực Nam Trung Bộ có tiềm

năng năng lượng mặt trời khá dồi dào Nếu khai thác được một cách hiệu quả, sẽ

mang lại lợi ích kinh tế và xã hội đáng kể

Miền Trung Việt Nam đặc biệt là khu vực Nam Trung Bộ có tiềm năng NLMT rất đáng kể Ngoài việc tiếp tục mở rộng triển khai các ứng dụng năng lượng mặt trời quy mô nhỏ, bước đầu miền Trung đã bắt đầu xây dựng được một số nhà máy điện mặt trời Với điều kiện tự nhiên rất thuận lợi, nhưng suất đầu tư cho điện mặt trời hiện vẫn còn cao nên nhà đầu tư chưa thật yên tâm Tiềm năng về NLMT

đã được khẳng định mức khá cao ở nhiều khu vực thuộc các tỉnh ven biển miền Trung với tổng lượng bức xạ cả năm từ 1300 kWh/m2 đến trên 2400kWh/m2 và có

xu hướng tăng từ Bắc vào Nam Tương tự, số giờ nắng ở khu vực này đều trên 1400 giờ/năm và cũng có xu hướng tăng từ Bắc vào Nam Điều kiện về đất đai, tài chính

và chính sách cũng đã được phân tích nhằm giúp các nhà đầu tư có thêm tư liệu để tiến hành lập dự án xây dựng nhà máy nhiệt điện mặt trời ở khu vực này góp phần đưa tỷ lệ điện mặt trời tăng lên trong tương lai gần

Đối với các thiết bị sản xuất nước ngọt từ nước biển bằng phương thức ứng dụng nhiệt năng từ năng lượng mặt trời tác động đến quá trình biến đổi pha của nước biển được phân thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp Năm 1992, Tiwari đề xuất khái niệm cụ thể hơn về cách phân loại này và được các nhà nghiên cứu chấp nhận là:

Hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng bị động:

Trong thiết bị này, bộ phận hấp thụ năng lượng mặt trời biến thành nhiệt năng và thiết bị ngưng tụ được bố trí chung thành một khối (thực hiện hai chức năng trong cùng một thiết bị), ví dụ thiết bị chưng cất dạng bể phẳng, phần đáy sơn đen và lớp nước vừa thực hiện chức năng biến năng lượng bức xạ mặt trời thành nhiệt năng rồi cung cấp cho nước làm bốc hơi, còn tấm phủ (lớp kính) vừa có chức năng làm cho bức xạ mặt trời xuyên qua, chống tổn thất đối lưu đồng thời là bộ ngưng tụ Thiết bị loại này kết cấu đơn giản, vật liệu sử dụng rẻ tiền nên giá thành

thấp Loại thiết bị này còn tồn tại vấn đề là các quá trình truyền nhiệt và truyền chất xảy ra trong cùng một thiết bị nên khó khắc phục các nhược điểm, do đó sản lượng

Khi bức xạ mặt trời có cường độ Ib chiếu đến kính đậy, một phần nhỏ bị phản

xạ, phần lớn (trên 80%) xuyên qua kính và lớp nước mỏng chiếu vào đáy bể Bề mặt đen ở đáy hấp thu bức xạ mặt trời biến thành nhiệt năng để đun nóng lớp nước làm nước bốc hơi (bề mặt lớp nước có nhiệt độ tw sẽ bức xạ trở lại tấm kính với quang phổ bước sóng dài nên bị kính hấp thụ, vì kính xem như mờ đục với các tia

có bước sóng >3µm) Hơi nước bay lên tiếp xúc với mặt kính có nhiệt độ tg < tw, hơi nhả ẩn nhiệt hóa hơi và ngưng tụ thành nước, theo bề mặt mái nghiêng kính chảy xuống máng hứng nước ngọt

Thiết bị loại này kết cấu đơn giản, dễ vận hành nhưng cường độ bức xạ mặt trời ứng với 1m2 bề mặt không cao nên thiết bị chiếm diện tích lớn, tổn thất nhiều

và hiệu suất thấp Còn về cấu trúc có nhiều dạng khác nhau

Hình 1.18 Thi ết bị chưng cất dung bấc

Hình 1.19 Thi ết bị chưng cất dạng bậc thang

Khuyết điểm chủ yếu của thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng bể phẳng

Có 3 khuyết điểm sau đây:

Quá trình truyền nhiệt và truyền chất của thiết bị vô cùng phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố, mặt khác sự tác động ảnh hưởng qua lại đồng thời của các nhân tố rất khó tách ra để xác định cụ thể Để tìm biện pháp để nâng cao hiệu suất của thiết bị, nhiều học giả đã tiến hành nhiều nghiên cứu toàn diện về lý thuyết cũng như mô hình thực nghiệm để tìm ra giải pháp thích đáng, trong đó quá trình truyền nhiệt và truyền chất đóng vai trò vô cùng quan trọng

1 Nếu chúng ta hạn chế tối đa tổn thất nhiệt qua đáy và vách xung quanh, bỏ qua việc tách giọt bị rơi trong quá trình ngưng tụ thì năng lượng bức xạ mặt trời chiếu vào thiết bị chủ yếu được đáy hấp thụ và biến thành nhiệt truyền cho lớp nước biển, đồng thời tạo ra quá trình bốc hơi, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức

xạ với tấm phủ

Để nâng cao sản lượng nước ngọt của thiết bị thì năng lượng cung cấp phải được tận dụng tối đa Muốn vậy, tấm kính phủ cần phải có hệ số xuyên qua tg lớn, đáy bể và lớp nước phải có hệ số hấp thụ cao, đồng thời giảm thiểu các tổn thất Tuy nhiên nhiệt độ twtăng cao thì các tổn thất cũng tăng, dẫn đến hạn chế tăng hiệu suất

2 Khi hơi nước nước ngưng tụ trên bề mặt tấm phủ, quá trình này phải nhả ẩn nhiệt hóa hơi cho môi trường mà chúng ta đều biết thành phần này rất lớn Điều này chứng tỏ thiết bị chưng cất nước dạng truyền thống đã lãng phí một lượng năng lượng không nhỏ, cần phải nghĩ biện pháp thu hồi

3 Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong thiết bị là quá trình đối lưu

tự nhiên nên cường độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất rất nhỏ, vì vậy cần nghĩ cách khắc phục nhược điểm này

Mốc so sánh và đánh giá

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của thiết bị ta cần phải có mốc để so sánh.Vậy một thiết bị loại này khá lý tưởng thì hiệu suất đạt tối đa là bao nhiêu? Thiết bị có thể xem là lý tưởng là thiết bị có thể bỏ qua tổn thất đáy và xung quanh, dung lượng nhiệt của lớp nước có thể bỏ qua, cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió có thể xem tức thời là ổn định Theo tình toán của Cooper (1973) thì hiệu suất tối đa có thể đạt được là 60%, còn thiết bị trên thực tế là đạt 50% Nếu tiến thêm một bước nữa về lý tưởng hóa thiết bị này là toàn bộ năng lượng bức xạ mặt trời chỉ dùng để bốc hơi nước, và hiệu suất thiết bị là 100% Một thiết bị loại này hoạt động trong 8 giờ với cường độ bức xạ mặt trời bình quân là Ib=800W/m2 (ẩn nhiệt hóa hơi của nước xem như L= 24kJ/kg) thì sản lượng nước chưng cất tối đa

trong 1 ngày là me = 9,6 kg/m2 ngày Thực tế trong những ngày tốt, thiết bị chỉ đạt được 3,5~4,5kg/m2 ngày, còn bình quân cả năm chỉ đạt được 1000kg/m2

/năm Như vậy hiệu suất chỉ đạt được khoảng 30%

• Hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng chủ động:

Trong hệ thống thiết bị này, hai chức năng được tách biệt ra: một bộ phận hấp thu năng lượng mặt trời thành nhiệt để đun nước nóng thực hiện nhờ các

collector, một bộ phận thứ hai là bộ phận ngưng tụ hoạt động tách ra Hai bộ phận này ghép chung thành một hệ thống gọi là hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời loại chủ động Nhờ được tách ra nên dễ dàng khắc phục một số nhược điểm dẫn đến hiệu suất được nâng cao hơn.Trong thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời dạng bị động chủ yếu dựa vào phương thức đối lưu tự nhiên, cường độ yếu, mặc dù đã có nhiều biện pháp để tăng cường nhưng hiệu quả vẫn không cao, chủ yếu là do quán tính nhiệt của lớp nước biển ở đáy bể và chưa tận dụng thu hồi triệt để ẩn nhiệt hóa hơi thải ra trong quá trình ngưng tụ, khó tách

ly các nhược điểm để khắc phục…

Soliman (1976) lần đầu tiên đề xuất ý về thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng chủ động Trong thiết bị này gồm hai bộ phận: thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời và thiết bị ngưng tụ được tách làm hai bộ phận riêng, nó chỉ ghép chung thành một hệ thống, như vậy dễ khắc phục những nhược điểm tồn tại Trên quan điểm này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương án và tiến hành rất chu đáo cả hai phương diện lý thuyết và thực nghiệm, kết quả cho thấy hiệu quả được cải thiện rõ rệt

Hình 1.20 Thi ết bị chưng cất dạng chủ động

• Thiết bị chưng cất nước dạng cầu:

Hình 1.21 Chưng cất nước với bộ thu hình cầu

Hệ thống gồm hai nửa cầu bằng thủy tinh, có đường kính bằng nhau, có thể

úp khíp vào nhau Quanh miệng của mỗi bán cầu có gắn một vành đai để ghép chặt

và để làm khung giá lên chân đỡ Đỉnh của bán cầu trên có lắp một mô tơ quay cần gạt nước, để gạt những giọt nước ngưng đọng ở mặt trong của bán cầu trên Đáy của bán cầu dưới được khoét một lỗ để thu gom nước ngọt chảy vào thùng chứa Một khay hình đĩa được đặt giữa hình cầu để đựng nước cần chưng cất Đĩa có hai lỗ nối thông ra ngoài để cấp nước mới và thải nước thừa sau khi chưng cất ra ngoài

Mô hình này có đặc điểm sau:

- Nhờ có dạng hình cầu nên suốt cả ngày và các ngày trong năm không bao giờ khay chứa nước bị bóng râm của thành che khuất như loại thiết bị chưng cất nước dạng phẳng

- Thành bên và phần dưới được cách nhiệt tốt nên nhiệt không bị truyền ra ngoài mà chỉ nâng nhiệt độ tất cả các bộ phận bên trong thiết bị chưng cất

- Khó loại trừ được tổn thất nhiệt qua bộ phận liên kết giữa khay nước và giá

1.5.1 Mục đích

Để đưa ra sự lựa chọn phù hợp nhằm phát triển một công nghệ thích ứng với

xu hướng phát triển công nghệ khử mặn trên thế giới đồng thời thích hợp với điệu kiện Việt Nam ta phải có những so sánh nhất định giữa các công nghệ khác nhau về nhiều mặt Quá trình khử muối phụ thuộc vào nồng độ muối, nhiệt độ của nước cấp, chất lượng nước ra và công nghệ sử dụng để khử muối Vấn đề năng lượng đang

ngày càng giữ vai trò quan trọng trong việc quyết định phương pháp khử muối, bởi

vì giá của năng lượng đang tăng rất nhanh và việc sử dụng năng lượng tăng lên đã tác động mạnh đến môi trường xung quanh nên cần phải phân tích kỹ lưỡng Ta có bảng so sánh phương pháp khử muối bằng phương pháp chưng cất và màng minh họa trong bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh phương pháp khử muối bằng chưng cất và màng

Trung bình 1.5

Trung bình

1

Trung bình 8-14

Trung bình 5-7

Trung bình 1-2 Chất lượng

Hiện nay, hai phương pháp khử muối được sử dụng nhiều nhất là thẩm thấu ngược và chưng cất nhanh nhiều tầng Cả hai phương pháp thẩm thấu ngược và

chưng cất đều có lợi ích giảm năng lượng khi sử dụng công nghệ đồng phát (quá trình sử dụng năng lượng nhiệt thải ra từ sản xuất điện để khử muối)

Tuy nhiên giữa hai phương pháp chưng cất và thẩm thấu cũng có nhiều điểm khác biệt Lợi ích của phương pháp thẩm thấu ngược so với chưng cất bao gồm: nước cấp không cần phải gia nhiệt, do đó tác động nhiệt ở nước thải thấp hơn: ít bị tác động bởi sự ăn mòn: lượng nước thu hồi cao hơn - khoảng 45% lượng nước biển; có thể lọai bỏ các chất gây ô nhiễm, chất độc như: chất tiền mùi vị trihalomethane, thuốc trừ sâu và vi khuẩn cần diện tích bề mặt nhỏ hơn

Trong khi đó, lợi thế của phương pháp chưng cất là khả năng tiết kiệm hơn

về kinh tế khi xử lý gỉ, cáu cặn trong các nhà máy chưng cất Nhà máy chưng cất cũng không cần phải dừng hoàn toàn hoạt động của hệ thống khi làm sạch hoặc thay thế thiết bị như nhà máy dùng phương pháp thẩm thấu ngược, mặc dù nhà máy chưng cất có thể phải dừng hoạt động khi thay thế hoặc làm sạch đường ống Yên cầu xử lý trước nước cấp cũng không quá quan trọng như đối với phương pháp thẩm thấu ngược Phương pháp chưng cất có thể phù hợp với các nhu cầu nhỏ lẻ

Ngày nay, các nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần, nên các nguồn năng lượng mới và tái tạo ngày càng được quan tâm và phát triển Một trong

số đó là năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch, rẻ, ít tác động đến môi trường và gần như vô tận Việc ứng dụng các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng mặt trời vào công nghệ khử muối trong nước biển cho thấy phương pháp chưng cất đang ngày càng chiếm ưu thế rõ rệt so với các phương pháp khác

Đặc thù khí hậu ở vùng nông thôn, miền núi khắc nghiệt đã cho nguồn năng lượng mặt trời dồi dào Nguồn năng lượng này có thể chưng cất nước nhiễm hóa chất, kim loại độc, nước mặn thành nước sạch phục vụ con người

Với sự phát triển của công nghệ thì ngày nay nhiều dạng bộ thu, thiết bị chưng cất mới ra đời có thể đáp ứng được điều kiện làm việc tốt hơn

Theo thời gian thì công nghệ này đem lại hiệu quả khử muối tăng lên Có thể lắp đặt ở nhiều quy mô khác nhau, từ các máy lọc nước gia đình đến quy mô công

nghiệp trong khi một số biện pháp chưng cất không thể áp dụng ở quy mô nhỏ