Chương 1 TỔNG QUAN
1.3. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
1.3.2. Các kết quả nghiên cứu
Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, nhu cầu về nguồn năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thuỷ điện cũng chỉ có hạn đã khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ bị thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với các nước phát triển mà cả với các nước đang phát triển trong đó có Việt nam.
Năng lượng mặt trời được đánh giá là nguồn năng lượng sạch về mặt môi trường, do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng
mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đềcó tính thời sự.
1.3.2.1. Kết quả nghiên cứu trên thế giới
- Tiwari và Ashokkumar (1988) đã nghiên cứu hiệu suất của một thiết bị
chưng cất hình ống sử dụng năng lượng mặt trời dựa trên hiệu ứng của dòng chảy nước muối, chiều dài của thiết bị chưng cất, nhiệt độ nước muối, điều kiện khí hậu. Dựa trên phân tích, họ kết luận rằng, (i) nhiệt độ trung bình của nước muối là độc lập với chiều dài TBCC, chiều cao dòng chảy định mức trong đó nhiệt độ đầu ra nước muối phụ thuộc vào độ dài TBCC và (ii) năng suất hàng ngày của chưng cất trong thiết bị chưng cất hình ống là cao hơn so với TBCC NLMT thông thường.
- Dillman (1988) trình bày một mô hình toán học để dự đoán hiệu suất nhiệt
của một TBCC NLMT hình cầu. Kết quả cho thấy hiệu quả của TBCC NLMT dạng cầu hơn 50% so với TBCC thông thường.
- Boukar và Harmin (2004) thử nghiệm trên TBCC NLMT thẳng đứng với
giá trị tham số ảnh hưởng tới hiệu suất của TBCC dưới điều kiện khí hậu sa mạc; ảnh hưởng của nhiệt độ nước muối vào và nhiệt độ đầu ra TBCC, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ kính, bức xạ NLMT, sự đặt hướng của TBCC và năng suất thiết bị. Có thể kết luận rằng năng suất của TBCC và năng suất của TBCC thẳng đứng phụ thuộc nhiều vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ của nước và hướng của mặt trời.
19
- Phadatare và Verma (2007) đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ảnh
hưởng của độ sâu của nước, nhiệt bên trong và chuyển đổi khối lượng của bể đơn giản đặt nghiêng TBCC NLMT bằng nhựa, TBCC bằng nhựa chế tạo từ Plexigas. Căn cứ kết quả thực nghiệm, các tác giả kết luận rằng (i) khối lượng nước chưng cất
lớn nhất 2,1l/m2/ngày với độ sâu nước là 2cm trong bể chứa và (ii) hiệu suất tối đa
của TBCC thí nghiệm từ 10% đến 34%. Nó có hiệu quả tối đa ở độ sâu nước là 12cm.
- Abdallah và Badran (2008) nghiên cứu thực nghiệm nâng cao hiệu suất
TBCC NLMT bằng cách sử dụng hệ thống theo dõi mặt trời. Một thiết bị máy tính hóa sử dụng xoay TBCC NLMT theo sự chuyển động của mặt trời. Một so sánh giữa TBCC cố định và TBCC theo hướng mặt trời cho thấy sử dụng hệ thống theo dõi mặt trời tăng hiệu suất khoảng 22% do sự gia tăng hiệu suất tổng thể 2%. Có thể kết luận rằng (i) bằng việc sử dụng hệ thống theo dõi mặt trời nhiệt độ tăng và nhiệt dung riêng giảm. Do đó tốc độ bay hơi tăng thì hiệu quả sản xuất tăng và (iii) hệ thống theo dõi mặt trời sẽ hiệu quả hơn hệ thống thông thường cố định.
- Nhà thiết kế Gabriele Diamantin (2012) đã sáng chế ra chiếc lò chưng cất
nước tên là Eliodomestico. Thiết kế của Eliodomestico khá đơn giản, bao gồm 2
chậu gốm xếp chồng lên nhau, nên các thợ gốm sứ địa phương cũng có thể làm được. Cơ chế hoạt động của chiếc lò này giống như một bình pha cà phê để ngược. Trong đó, chậu gốm nằm phía trên có màu đen (để tăng hấp thu nhiệt từ ánh nắng)
và là nơi chứa nước mặn. Khi ánh nắng Mặt trời nung nóng chiếc chậu này, nước
sẽ bốc hơi tự nhiên. Khi áp suất gia tăng, hơi nước bị dồn ép xuống một ống dẫn đến chiếc chậu thứ 2 bên dưới và ngưng tụ lại thành nước chảy vào một chậu khác đặt sẵn trong lòng chiếc chậu thứ 2. Đặc biệt, phần đáy của chậu hứng nước được thiết kế lõm nên người dùng có thể đội trên đầu khi vận chuyển, một kiểu vận chuyển khá phổ biến tại các nước Nam Á, chẳng hạn như Ấn Độ. Hiện tại, Eliodomestico có giá khoảng 50 USD (hơn 1 triệu đồng) và có thể sản xuất khoảng
20
1.3.2.2. Kết quả nghiên cứu tại Việt Nam
Tại Việt Nam cũng đã có những công trình sử dụng năng lượng mặt trời để chưng cất nước mặn thành nước ngọt, được ghi nhận.
- Năm 2005, những chiếc máy chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng
lượng mặt trời hoàn thiện đầu tiên sẽ được trưng bày tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và công nghệ này sẽ được chuyển giao để ứng dụng rộng rãi cho các vùng ven biển và hải đảo. Quy trình này đang được tiến hành thí nghiệm ở Hạ Long,
Quảng Ninh.Thiết bị sử dụng nguồn năng lượng mặt trời – nhưng không phải là pin
mặt trời - để làm sôi nước biển trực tiếp.Hơi nước sẽ được ngưng tụ để biến thành
nước ngọt, còn cặn muối được thải ra ngoài.
- Đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống thiết
bị chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời” là luận văn thạc sỹ của
Nguyễn Đức Nam. Luận văn đã đề cập đến quá trình truyền nhiệt của cơ chế sôi trên màng lỏng chảy rối trên bề mặt ống đặt đứng và tính toán, so sánh hiệu quả trao
đổi nhiệt đối với cơ chế sôi trênbề mặt các ống nằm ngang của thiết bị bay hơi kiểu
tưới và sôi trong thể tích lớn đối với dung dịch LiBr có nồng độ 0.45% và sôi ở nhiệt độ 90˚C.
- Đề tài “Thiết kế thiết bị chưng cất nước ngọt quy mô hộ gia đình cho người
dân miền biển”của hai sinh viên Nguyễn Ngọc Anh và Phạm Duy Linh của Đại
học Cần Thơ đã từng giành giải nhất cuộc thi Holcim Prize năm 2011. Tuy nhiên, thiết bị này mới chỉ có khả năng chưng cất từ 90 tới 150 lít nước một ngày, bức xạ
mặt trời nhờ hiệu ứng nhà kính - nhiệt bị giữ lại trong không gian trao đổi nhiệt (do
đó cần bọc cách nhiệt về phía dưới các khay chứa nước). Các khay chứa nước đặt theo hình bậc thang, theo đó nước biển sẽ chảy từ trên xuống dưới, trong quá trình
đó nó sẽ nhận nhiệt và sinh hơi, phần nước biển chưa bay hơi hết sẽ theo đường
nước thải xả đi, phần hơi sinh ra trong không gian kín sau một thời gian sẽ đạt đến trạng thái bão hòa, ngưng bám vào bề mặt của nắp kính ở phía trên và theo ống gom
nước chưng cất đi vào thùng tích nước chưng cất. Với hệ thống như thế này thì
21
đổi nhiệt là không lớn và thời gian tiếp xúc nhanh (nước chảy theo bậc từ trên xuống). Để khắc phục điều đó người ta dùng các tấm đay, dây đay, tấm chất dẻo để thấm nước biển. Về nguyên lý hoạt động thì không khác gì so với trường hợp trên, chỉ khác nhau khi trao đổi nhiệt với một lượng nước biển cấp vào như nhau, so với trường hợp trên thì sẽ bay hơi tối đa lượng nước ngọt trong đó. Và như vậy là năng
suất của hệ thốngnày sẽ cao hơn.
- Tháng 5/2008, Tạp chí Khoa học công nghệ số 29 đăng bài của PGS.TS
Nguyễn Tiến Tài chủ nhiệm công trình: “Dùng năng lượng mặt trời để biến nước biển thành nước ngọt”. Công nghệ này dựa trên nguyên lý tự nhiên, nước biển được
nắng làm bayhơi tạo thành mây rồi mây ngưng lại thành mưa, nước biển được đưa
vào bồn chứa che kín bằng mái kính trong suốt để đón ánh nắng mặt trời. Ánh nắng này sẽ làm nước bên trong các khoang chứa nóng lên và bay hơi, bỏ lại muối và các chất cặn bẩn khác. Hơi nước bay lên gặp bề mặt phía dưới của mái kính sẽ ngưng đọng thàng giọt, chảy vào thùng.
- Ngày 27/4/2012, tại Thành phố Hồ Chí Minh, trong khuôn khổ chương
trình đào tạo lãnh đạo thực tiễn lần thức 26, Học viện toàn cầu Vì ngày mai (GIFT) phối hợp cùng với Tổ chức Đông Tây Hội ngộ và Công ty F Cubed (Australia) đã giới thiệu công nghệ CarocellTM sử dụng năng lượng mặt trời trong việc khử muối và lọc nước. Theo ông Peter Johnstone, Giám đốc điều hành Công ty F Cubed, máy
lọc nước bằng năng lượng mặt trời đượchoạt động theo quy trình tự nhiên, có công
nghệ đơn giản sử dụng một mảng mỏng, được mặt trời làm nóng nước, nước bốc hơi và ngưng tụ. Sản phẩm lọc nước bằng năng lượng mặt trời có hai dạng gồm một loại uống được ngay, rất sạch và loại nước nóng dùng để nấu ăn, tắm rửa, sử dụng
sinh hoạt hàng ngày.Ngoài ra, loại máy có công nghệ khử mùi, lọc nước bằng năng
lượng mặt trời là sản phẩm có năng suất tốt và hiệu quả nhất trên thị trường, tạo ra nước uống tinh khiết và an toàn với bất kỳ khối lượng nào, từ bất cứ nguồn nước nào. Tổ chức Đông Tây Hội Ngộ đã có lắp đặt thử tại Việt Nam ở một số tỉnh thuộc Đồng bằng sông Cửu Long và miền Trung đã cho kết quả rất khả quan, chứng minh
22
khả năng khử muối trong nước nhiễm mặn và loại bỏ hàng loạt chất bẩn từ nguồn nước không tinh khiết từ công nghệ mới này.
- Tháng 9/2015, Tạp chí khoa học Công Nghệ đăng bài “Mô phỏng số học quá
trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị phun ẩm của hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm” của GS.TS Lê Chí Hiệp, ĐH Bách Khoa, ĐHQG tp.HCM . Bài báo trình bày kết quả phân tích quá trình truyền nhiệt và truyền chất
trong thiết bị phun ẩm bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4. Từ đó đánh giá được
ảnh hưởng của chiều cao lớp đệm đến quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong
thiết bị phun ẩm