Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng- 123docz.net

1. Tổng quan về năng lượng mặt trời

1.9. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng lượng mặt trời

1.9.1. Cấu tạo.

Một máy nước nóng năng lượng mặt trời bao gồm 3 phần: collector thu nhiệt (ống thủy chân không), bình chứa nước nóng và các phụ kiện kèm theo (giá đỡ, ống nối…).

Bộ phận thu nhiệt (collector)

Collector thu nhiệt có vai trò hết sức quan trọng.

Trước đây phổ biến là loại collector phẳng làm bằng kim loại (dạng ống cánh với ống bằng đồng và cánh bằng đồng hoặc nhôm). Gần đây, loại collector phẳng bằng nhựa (PP-R có độ dẫn nhiệt cao) và loại collector sử dụng ống thủy tinh 2 lớp rút chân không khá phổ biến. Như vậy là có 3 loại collector thu nhiệt: loại phẳng dạng ống cánh kim loại, dạng phẳng bằng nhựa và dạng ống chân không.

Collector của máy nước nóng có dạng ống thủy tinh 2 lớp rút chân không với hiệu suất cao (>93%) và tuổi thọ tương đối cao nếu sử dụng đúng cách. Giá thành

cũng như chi phí thay thế ống rất rẻ, và ống có thể chịu đựng được va đập của các trận mưa đã lớn.

Lớp hấp thụ của ống nước được sơn bằng công nghệ phun mạ do đó tính hấp thụ bức xạ mặt trời cao đến hiệu suất thu nhiệt của ống khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời rất cao (95%), hiệu suất phát xạ nhiệt khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời thấp 6%.

Nhược điểm duy nhất là đòi hỏi nguồn nước cung cấp đảm bảo phải liên tục và có chất lượng tốt, nhằm tránh gây phá hủy các ống thu nhiệt do “sốc nhiệt” hay đóng bẩn sẽ làm giảm hiệu suất.

Bình bảo ôn

Cấu tạo gồm 3 lớp: Ruột bình, lớp bảo ôn và vỏ bình.

Ruột bình: Được chế tạo bằng thép không gỉ SUS304/2B dùng trong công nghệ thực phẩm và được hàn nối bằng phương pháp hàn cao tần do đó đảm bảo được thành phần của nước khi sử dụng không bị thay đổi do xúc tác của nhiệt độ.

Lớp bảo ôn: Được làm từ hợp chất PolyUrethane bọt PU cách ly 55mm rất tốt và giữ được nhiệt độ rất lâu (khoảng 72 giờ), khả năng thất thoát nhiệt không đáng kể.

Vỏ bình: Làm bằng thép không gỉ, độ dày tiêu chuẩn mang lại cho bình độ bền, đẹp, sử dụng tốt trong cả những môi trường khắc nhiệt (vùng ven biển, hải đảo…).

Giá đỡ máy

Làm bằng thép không gỉ 1.2mm định hình cao cấp rất bền - đẹp. Giá đỡ được thiết kế được biệt với góc nghiêng thích hợp giúp hấp thụ nhiệt tốt nhất tại mọi vị trí lắp đặt.

1.9.2. Nguyên lý hoạt động

Ánh sáng mặt trời mang theo một nguồn năng lượng rất lớn và một phần năng lượng này sẽ biến đổi thành nhiệt năng khi gặp các vật có thể hấp thụ và phát sinh nhiệt lượng.

Tùy thuộc vào mức độ hấp thụ và phản xạ lại các tia bức xạ mặt trời của các vật thể cũng như giữ nhiệt của mỗi vật thể khác nhau. Để giữ và tận dụng nguồn nhiệt lượng này, người ta chế tạo thiết bị đặc biệt để hấp thụ nhiều nhất và phản xạ ít nhất lượng nhiệt này nhằm các mục đích khác nhau, trong đó có việc cấp nước nóng.

Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời trên nguyên lý chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành nhiệt năng (nước nóng) để phục vụ cho cuộc sống. Sử dụng nước nóng bằng năng lượng mặt trời phá bỏ quan niệm sử dụng nước nóng mất tiền, tạo thói quen trong cuộc sống là yếu tố lâu dài giúp tang cường sức khỏe và nâng cao chất lượng cuộc sống hiện đại.

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời

Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng mặt trời:

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý đối lưu nhiệt tự nhiên và hiện tượng hiệu ứng lồng kính, giúp biến đổi quang năng thành nhiệt năng và bẫy nhiệt lượng này. Năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt thiết bị sẽ bị đun nóng nước, do quá trình đối lưu nhiệt, nước tại bình bảo ôn sẽ tăng lên, quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi nhiệt độ trong bình bằng nhiệt độ của nước tại thiết bị hấp thụ.

Việc tạo ra nước nóng không phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường bên ngoài mà phụ thuộc vào khả năng hấp thụ nhiệt của thiết bị năng lượng với các tia bức xạ ánh nắng mặt trời.

Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động được không phụ thuộc vào các mùa trong năm mà phụ thuộc vào thời tiết, cứ có ánh nắng mặt trời là có nước nóng trong máy nước nóng năng lượng mặt trời. Nhiều người do chưa hiểu rõ nguyên lý hoạt động của sản phẩm lại có quan niệm sai lầm và cho rằng: “Máy nước nóng năng lượng mặt trời chỉ hoạt động được mùa hè còn mùa đông không có tác dụng hoặc rất kém”.

Đối với công nghiệp – khách sạn:

Khi có ánh sáng mặt trời, các tấm Collector sẽ hấp thu năng lượng làm nóng nước trong tấm. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa tấm Collector và bồn chứa năng lượng ở một khoảng nhiệt độ cài đặt, hệ thống điều khiển Solar BK sẽ cấp nguồn cho bơm hoạt động để chuyển lượng nước đã làm nóng về bồn chứa và chuyển nước lạnh lên tấm Collector để tiếp tục hấp thụ năng lượng. Quá trình này diễn ra liên tục giúp nước trong bồn chứa nóng dần lên. Nước nóng sau khi dự trữ ở bồn năng lượng sẽ được chuyển qua bồn gia nhiệt trung gian trước khi cấp nước đến nơi sử dụng. Tại bồn gia nhiệt trung gian, hệ thống điều khiển sẽ kiểm tra nhiệt độ yêu cầu. Nếu nhiệt độ không đạt ngưỡng cài đặt, hệ thống gia nhiệt trung gian sử dụng điện (bơm nhiệt, điện trở), gas, dầu... sẽ hoạt động để đáp ứng yêu cầu nhiệt độ.

Ngoài ra, để đảm bảo nguồn nước cung cấp có áp lực mạnh và thời gian có nước nóng nhanh ở vị trí sử dụng. Hệ thống Solar BK còn có thiết kế thêm hệ thống bơm tăng áp và bơm hồi được điều khiển tối ưu hóa hoạt động khép kín trong hệ thống đường ống nước nóng.

2.Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự và cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở nhiều nước năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc. Từ các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được quan tâm. Các nước công nghiệp phát

triển đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu.

2.1.Pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời đặc biệ là trong tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển rất nhanh, nhất là các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin năng lượng mặt trời để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.

Hình 1.13: Pin mặt trời

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao trung bình hiện nay

khoảng 5USD/Wp nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có

khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng cho vùng sâu vùng xa nơi mà điện quốc gia chưa có. Ở Việt Nam với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiệ thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa địa phương vùng sâu ,vùng xa nhất là vùng đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như nước ta.

Hình 1.14: Hệ thống pin mặt trời

2.2.Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.15: Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.16: Tháp năng lượng mặt trời

Điện năng còn có thể được tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện. Hiện nay trong các nhà máy điện có các bộ thu chủ yếu sau đây. Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào

một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới

4000C. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng các gương phản xạ có địnhh vị theo

phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới 15000C.

Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập

trung NLMT vào bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 15000C.

Hiện nay người ta còn dung năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp năng lượng mặt trời”. Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lương mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng công suất năng suất 200MW.

2.3.Thiết bị sấy khô dung năng lượng mặt trời

Hiện nay NLMT được dùng khá phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm… Nhằm giảm tỉ lệ hao hụt, tăng chất lượng sản phẩm ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn để sấy các loại vật liệu như gỗ.

Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT

2.4.Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các nước Châu Phi.

Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến. Năm 2000 Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30000USD) đưa bếp năng lượng Mặt trời – Bếp tiên lợi (BTL) vào sử dụng các vùng nông thôn ở tỉnh Quãng Nam, Quãng Ngãi dự án đã phát triển rất tốt Và ngày được đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT.

2.5.Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nước có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23

USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu

quả chưng cất kém hơn.

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

gương phản xạ đạt hiệu suất cao tại Khoa Công Nghệ Nhiệt Điện Lạnh – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.

2.6.Động cơ stirling chạy bằng NLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt – động cơ stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại. Động cơ stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam như động cơ stirling, bơm nước dùng NLMT.

Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT

2.7.Thiết bị đun nước nóng chạy bằng NLMT

Hình 1.21: Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT

Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới vì chúng mang lại hiệu quả khá hơn.

Các hệ thống này đã tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng một số lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng

lượng và bảo vệ môi trường chung của nhân loại. Các thành phố lớn ở nước ta đã và đang sử dụng khá nhiều các hệ thống này.

Với nhiệt độ nước sử dụng 600C thì hiệu suất của bộ thu cố định kiểu tấm phẳng

hoặc khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất sẽ thấp hơn.

2.8.Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hòa không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất đặc biệt là ở những vùng xa, hẻo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu đắt so với thu nhập trung bình của người dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đọan hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao.

Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi dù giá thành cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế.

3.Tổng quan về bơm nhiệt (Heat pump) 3.1.Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 3.1.Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt

Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt giống như máy lạnh, các thiết bị trong hệ thống giống nhau. Nhưng chúng có mục đích sử dụng hoàn toàn khác nhau. Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt lấy nhiệt thải ra ở dàn ngưng để phục vụ cho một quá trình công nghệ nào đó.

Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt Phương trình cân bằng nhiệt:

N Q Qk  o Hệ số bơm nhiệt: ) 8 2 (    N Qk  .

Trong điều kiện ở Việt Nam hệ số này thường vào khoảng (45) như vậy khi

sử dụng bơm nhiệt thì năng lượng tiêu tốn cho máy nén với công suất N (kw), ta thu được từ 4 đến 5N (kw) lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ và lượng nhiệt này sẽ phục vụ cho các công nghệ CBTP, nên khả năng tiết kiệm năng lượng khi dùng bơm nhiệt là rất lớn.

Nguồn nhiệt thu Qo có thể lấy từ không khí bên ngoài môi trường, từ sông, hồ,

biển, lòng đất… hay nhiệt của các sản phẩm cháy.

Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt trong CNCBTP: Sản xuất nước nóng, sấy, gia nhiệt trong các quá trình như chưng cất, cô đặc…

3.2.Đặc điểm cấu tạo của các thiết bị trong hệ thống bơm nhiệt 3.2.1. Máy nén 3.2.1. Máy nén

Máy nén chạy cho hệ thống bơm nhiệt giống như máy nén lạnh, nhưng yêu cầu môi trường làm việc khắc nghiệt hơn máy nén lạnh vì nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ của bơm nhiệt thường cao hơn máy lạnh.

Thông thường: tk  40  55C

t = 0  10C

Do điều kiện làm việc trên nên có thể lấy máy nén sử dụng trong điều hòa không khí để chạy cho hệ thống bơm nhiệt.

Ngoài ra, dầu bôi trơn sủ dụng cho máy nén cũng đòi hỏi khắt khe hơn so với máy nén lạnh. Do nhiệt độ cuối tầm nén của bơm nhiệt cao hơn.

3.2.2. Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi

Giống như trong máy lạnh nhưng do điều kiện nhiệt độ làm việc cao hơn nên áp suất trong thiết bị lớn hơn. Do vậy thiết bị yêu cầu phải dày hơn. Ta có thể sử dụng các thiết bị trong điều hòa không khí.

3.2.3. Van tiết lưu

Van tiết lưu làm việc ở nhiệt độ cao hơn, hiện nay một số hãng sản xuất thiết bị