Vật liệu Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Kính
Ổn định Bền
Hệ số truyền qua cao
Nặng Dễ vỡ Đắt Tấm nhựa Nhẹ Dễ làm và sử dụng Tiện dụng
Hệ số truyền qua cao
Độ bền tuỳ theo cấu trúc và giá cả Kính tổng hợp Nhẹ Dễ làm và sử dụng Tính cách nhiệt tốt Hệ số truyền qua thấp Khơng sẵn có Có thể rất đắt
Bề mặt hấp thụ: đây là thành phần trung gian nhận nhiệt và truyền nhiệt giữa
năng lƣợng BXMT và nƣớc cần đun nóng.
Hiện nay phổ biến hai loại bề mặt hấp thụ là dạng tấm và dạng dãy ống (hình 1.9).
Để tăng khả năng hấp thụ, ngƣời ta thƣờng phủ lên bề mặt hấp thụ một lớp sơn đen, có tỉ lệ hấp thụ đạt đến 90% năng lƣợng BXMT. Thông thƣờng, ngƣời ta sử dụng một lớp mịng ơxit niken và đồng hoặc sunfit niken và kẽm màu đen.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo bề mặt hấp thụ
Khung đỡ collector: Khung đỡ dùng để bảo vệ collector khỏi tác động của môi
trƣờng. Khung đỡ thƣờng đƣợc làm bằng kim loại (thép), để đảm bảo đƣợc độ bền cho thiết bị (hình 1.10).
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo của bình nước nóng dạng ống chân khơng 1.3.2.3. Chu trình đối lưu tự nhiên và chu trình đối lưu cưỡng bức
Để chất lỏng dẫn nhiệt nói chung hay nƣớc trong các bộ thu NLMT nói riêng nhận đƣợc nhiều NLMT để có nhiệt độ cao cần cho nó chảy qua nhiều lần qua tấm thu. Vì vậy khi bộ thu làm việc, nƣớc đƣợc chảy theo chu trình kín qua tấm thu NLMT nhiều lần.
Dạng tấm Dạng dãy ống
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Hình 1.11 là sơ đồ tổng quát của bộ thu hoạt động theo chu trình đối lưu tự nhiên. Nƣớc lạnh đƣợc dẫn vào đầu thấp của tấm thu. Khi qua các ống nƣớc nhận
đƣợc nhiệt và nóng lên. Nƣớc nóng có khối lƣợng riêng nhỏ hơn nên tự động “nổi lên” chảy lên phía trên và vào bình chứa. Do nƣớc nóng chảy lên trên, nên áp suất trong ống giảm và nƣớc lạnh lại đƣợc đƣa vào. Chu trình tuần hoàn tự nhiên của nƣớc có chiều nhƣ chiều các mũi tên trong các hình 1.12. Do nƣớc chảy tuần hoàn trong hệ thống nên đi qua nhiều lần tấm thu, nhiều lần nhận nhiệt nên nhiệt độ của nƣớc có thể đạt 80 - 90o
C.
Khi nƣớc nóng trong bình chứa đƣợc rút đi để sử dụng, nƣớc lạnh lại tự động đƣợc bổ sung vào.
Tia sáng mặt trời Bộ thu 1 2 3 4 1 2 3 3 4 Nƣớc nóng sử dụng Nƣớc lạnh bổ sung van
Vịng tuần hồn đối lƣu tự nhiên của nƣớc
Đƣờng dẫn nƣớc Thùng chứa
Hình 1.11. Sơ đồ vịng đối lưu tự nhiên của nước trong bộ thu NLMT
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Ƣu điểm của bộ thu đối lƣu tự nhiên là đơn giản trong lắp đặt, không cần bơm và điện cho bơm làm việc nên rẻ hơn và ít phải chăm sóc bảo dƣỡng hơn. Tuy nhiên do tốc độ đối lƣu chậm nên hiệu suất khơng cao và vì vậy lƣợng nƣớc nóng đƣợc sản xuất ra khơng nhiều.
Chu trình đối lưu cưỡng bức
Khi cần một sản lƣợng nƣớc nóng lớn ngƣời ta có thể sử dụng hệ thống nƣớc nóng NLMT đối lƣu cƣỡng bức. Hình 1.13 là sơ đồ tổng quát một hệ thống bộ thu có chu trình nƣớc tuần hồn cƣỡng bức.
Trong sơ đồ này nƣớc đƣợc chảy tuần hoàn trong hệ thống nhờ một bơm (3). Để điều khiển bơm làm việc ngƣời ta dùng Bộ điều khiển điện tử (4), nó lấy tín hiệu là độ chênh lệch nhiệt độ T1 và T2 của nƣớc ở đầu ra tấm thu và nƣớc trong bình chứa. Chiều chuyển động của nƣớc là chiều các mũi tên trong hình. Trong hệ này cịn có thêm bộ đun nƣớc dự phịng (6) bằng điện hay khí đốt sử dụng kèm theo khi khơng đủ nƣớc nóng do khng cú nng. 1 Tia sán g m t tr ời Nc núng Nc lnh 2 3 4 5 T1 T2 6 Bộ thu Bình chứa Máy bơm 1 2 3
Thiết bị điều khiĨn b¬m èng điều hịa áp suất
Bộ đun nƣớc dự phịng
4 5
Khoa Mơi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
a) Bộ thu bức xạ mặt trời vừa là bình tích nước nóng (Collector - cum - storage)
Hình 1.14 là ảnh một bộ thu trong đó tấm thu NLMT vừa làm nhiệm vụ thu nhiệt mặt trời để đun nƣớc vừa là bình chứa nƣớc và tích trữ năng lƣợng. Tấm thu gồm 3 thùng có dạng hình hộp, kích thƣớc khoảng 1000x300x150 mm, có dung tích mỗi hộp khoảng 30 lít, làm bằng kim loại dẫn nhiệt tốt (nhƣ tôn, inôx,...) đƣợc nối song song lại với nhau. Các mặt trên của các bình hộp đƣợc sơn đen làm mặt hấp thụ NLMT. Phía trên các hộp đƣợc đậy bằng một tấm kính để tạo hiệu ứng nhà kính. Mặt dƣới và thành xung quanh có các tấm cách nhiệt. Thùng hình trụ đặt ở đầu cao của bộ thu cấp nƣớc cho các hộp và điều hoà áp suất.
Hình 1.14. Bộ thu hộp kim loại vừa hấp thụ NLMT vừa là bình chứa (thiết kế của Trung tâm Năng lượng mới, ĐHBKHN)
Bộ thu làm việc nhƣ sau: Ánh sáng mặt trời tới bộ thu, xuyên qua lớp kính đậy phía trên, tới đập vào mặt trên có phủ chất hấp thụ BXMT của các hộp. Mặt trên các hộp hấp thụ NLMT, nóng dần lên. Nhiệt này làm nóng lớp nƣớc ngay sát dƣới mặt trên hộp và “chảy” lên phía trên (đầu cao của bộ thu), lớp nƣớc lạnh hơn ở phía dƣới lại “chảy” bổ sung vào. Kết quả là trong mỗi hộp có quá trình đối lƣu tự nhiên làm nƣớc nóng lên dần và nhiệt độ đều dần trong hộp nƣớc. Đầu trên của bộ thu có đƣờng ống lấy nƣớc nóng. Đầu dƣới (đầu thấp) có đƣờng dẫn nƣớc lạnh. Khi lấy nƣớc nóng để dùng, nƣớc lạnh sẽ tự cháy vào bộ thu.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường
Bộ thu có thiết kế nhƣ trên rất hiệu quả vì khơng bị mất mát nhiệt, đơn giản và có chi phí thấp. Tuy nhiên hộp phải đƣợc chế tạo đủ cứng. Nếu không, do áp lực của nƣớc, nó sẽ bị phồng ra, biến dạng làm hƣ hỏng lớp hấp thụ NLMT phía mặt trên.
b) Bộ thu kiểu tấm - ống (Sheet tube collector)
Trong thiết kế này, các ống dẫn nƣớc bằng kim loại đƣợc hàn trực tiếp vào tấm hấp thụ (hình 1.15). Nhiệt từ tấm hấp thụ tuyền qua ống làm nƣớc nóng lên. Tấm hấp thụ chỉ có nhiệm vụ nhận NLMT và truyền cho nƣớc chảy qua các ống, nên có kết cấu gọn, nhẹ và khơng cần cách nhiệt tốt. Tồn bộ nƣớc nóng đƣợc chứa trong bình chứa. Vì vậy bình chứa phải lớn (khoảng 80 - 100 lít cho 1 m2 diện tích tấm thu), cách nhiệt phải tốt và chịu áp lực cao. Bình chứa thƣờng có dạng hình trụ, hai lớp. Lớp trong chứa nƣớc, giữa lớp ngoài và lớp trong là lớp cách nhiệt (thƣờng có độ dày khoảng 5cm).
Khoa Mơi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
c) Bộ thu kiểu cánh - ống (fin-tube collector)
Trong kiểu tấm thu này, thay vì chúng ta có cả một tấm thu gồm nhiều ống kim loại hàn vào cùng một tấm hấp thụ thì ngƣời ta chế tạo từng tấm thu nhỏ gồm chỉ một ống kim loại đƣợc hàn hai cánh cũng bằng lá kim loại có phủ chất hấp thụ BXMT nằm trên cùng mặt phẳng nhƣ hình 1.16. Độ dài của một bộ cánh-ống bằng độ dài của bộ thu, còn độ rộng của cánh khoảng 5 cm.
Ngƣời ta dùng một số bộ cánh-ống đã chế tạo sẵn, ví dụ 15 hay 20 bộ, ghép song song lại với nhau tạo thành bộ thu đƣợc gọi là bộ thu kiểu cánh-ống. Việc chế tạo từng bộ cánh - ống dễ dàng hơn nhiều so với việc chế tạo cả một tấm thu tấm-ống.
Hai bộ phía trái các cánh đã phủ chất hấp thụ, ba bộ bên phải chưa phủ chất hấp thụ (cả cánh và ống được làm bằng đồng)
Hình 1.16. Các bộ thu kiểu cánh - ống
d) Bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân không (Evacuated glass tube)
Các loại bộ thu trình bày trong các mục trên có kết cấu khá đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt và chi phí đầu tƣ thấp, nhƣng hiệu suất của nó cũng khơng cao vì mất mát nhiệt do đối lƣu của khơng khí giữa tấm kính và tấm hấp thụ. Do vậy ngƣời ta đã phát triển kiểu kết cấu ống thu thuỷ tinh chân khơng nhằm mục đích giảm tổn hao nhiệt do đối lƣu (hình 1.17).
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Hình 1.17. Nguyên lý hoạt động bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân không
Mỗi ống thu gồm hai ống thuỷ tinh hình trụ có đƣờng kính khác nhau (ví dụ ống ngồi có đƣờng kính D1 = 47 mm, ống trong có D2 = 27 mm) lồng đồng trục với nhau. Mặt ngoài của ống trong đƣợc phủ lớp chất hấp thụ NLMT. Đầu miệng các ống đƣợc hàn kín với nhau. Khe khơng gian giữa hai ống đƣợc tạo chân khơng có áp suất khoảng P < 10-4
tor.
Do cấu tạo nhƣ vậy nên ta có một ống thu nhiệt mặt trời theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, trong đó ống thuỷ tinh ngồi đóng vai trị nhƣ tấp thuỷ tinh đậy phía trên bộ thu tấm-ống phẳng, khoảng chân khơng giữa hai ống đóng vai trị “chất” cách nhiệt, nhƣng độ cách nhiệt cao hơn nhiều các chất cách nhiệt thông thƣờng khác nên mất mát nhiệt rất nhỏ. Ngoài ra ống nhiệt thuỷ tinh chân khơng có thể thu các tia mặt trời từ mọi phƣơng, trong khi kiểu tấm - ống chỉ thu đƣợc các tia mặt trời từ một phí (phía trên). Do các lý do đó nên hiệu suất thu nhiệt của kiểu ống chân không thuỷ tinh cao hơn.
Hoạt động của ống thu nhƣ sau: Ống thu đƣợc lắp (kín nƣớc) vào bình chứa
Bình chứa nƣớc Nƣớc nóng Nƣớc lạnh Bề mặt hấp thụ Tấm phản xạ Ống chân không
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường
lớp nƣớc phía trên ống, phần có các tia mặt trời đến, sẽ nóng hơn lớp nƣớc phía dƣới nên trong ống sẽ xảy ra quá trình đối lƣu tự nhiên, chiều chuyển động của nƣớc đƣợc chỉ ra bằng các mũi tên trong hình 1.17- trái. Kết quả là nƣớc trong bình chứa nóng dần lên.
Ngƣời ta ghép một số ống thu thuỷ tinh chân không tạo ra bộ thu nhƣ hình 1.17- phải.
Ngồi ƣu điểm có hiệu suất cao nhƣ đã nói ở trên, bộ thu kiểu ống thuỷ tinh chân khơng cịn lắp đặt đơn giản dễ dàng. Nƣớc trong bình chứa dễ dàng đạt trên 900
C. Nhƣợc điểm của kiểu bộ thu này là không chịu đƣợc áp suất nƣớc cao nên không thể dùng trong hệ thống tuần hồn cƣỡng bức. Ngồi ra việc chế tạo các ơng thu địi hỏi cơng nghệ cao nên khơng phải cơ sở nào cũng có thể sản xuất đƣợc. Một yếu điểm khác là khả năng chịu mƣa đá của các ống cũng kém hơn.
e) Bộ thu kiểu ống nhiệt (Evacuated heat pipes)
Trong bộ thu kiểu này các ống thu cũng đƣợc cấu tạo nhƣ ống thu kiểu thuỷ tinh chân không trên. Điểm khác nhau cơ bản là chất thu và vận chuyển nhiệt. Thay vì dùng nƣớc lấp đầy ống trong nhƣ kiểu ống thu thuỷ tinh chân không, thì trong ống nhiệt ngƣời ta đặt các bộ chan - ống vào trong ống trong, đầu trên bằng kim loại dẫn nhiệt tốt đƣợc cắm vào bình chứa nƣớc (hình 1.18).
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Bộ thu kiểu ống nhiệt loại này có cấu tạo ống chân khơng tƣơng tự nhƣ đã trình bày ở trên nhƣng thay vì nƣớc đƣợc đối lƣu trong ống thủy tinh có phủ chất hấp thụ ngƣời ta dùng chất tải nhiệt là các chất có nhiệt độ sơi thấp đƣợc chứa trong ống kim loại hàn kín. BXMT sau khi xuyên qua ống thuỷ tinh bên ngoài tới ống kim loại có phủ chất hấp thụ sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt. Ở nhiệt độ 400
C - 800C chất tải nhiệt sôi và nhiệt ở đầu trên của ống đƣợc truyền cho nƣớc trong bình chứa, sau đó do mất nhiệt nó lại luân chuyển xuống dƣới và tiếp tục chu trình tải nhiệt (hình 1.19).
Hình 1.19. Cấu tạo tiết diện ngang ống nhiệt (bên trái) và ống nhiệt (bên phải) g) Bộ thu kiểu ống hình chữ U
Hiện nay xu thế xây dựng nhà có mái ngói, mái lợp tơn… nguồn nƣớc cấp đặt dƣới mái nhà và thiết bị ĐNNMT đặt trên mái nhà, nên thƣờng phải dùng bơm tăng áp, thiết bị ĐNNMT yêu cầu phải chịu đƣợc áp lực cao và có độ bền cơ học tốt. Vì vậy ngƣời ta đƣa ra kiểu kết cấu ống nhiệt kiểu chữ U.
Ở kiểu ống này, trong ống thủy tinh chân không ngƣời ta nối 1 ống kim loại có phủ chất hấp thụ hình chữ U (hình 1.20). Nƣớc đƣợc bơm vào đầu ống này và lấy ra ở đầu kia của ống. Một bộ thu sẽ gồm nhiều ống thuỷ tinh có ống kim loại chữ U mắc nối tiếp với nhau. Sau khi nƣớc luân chuyển trong ống kim loại và nhận nhiệt thì tại
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường
Hình 1.20. Cấu tạo ống nhiệt thuỷ tinh chân không với ống kim loại chữ U
Ƣu điểm của bộ thu này là khả năng chịu áp lực tốt nhƣng nhiệt độ đầu ra thấp (khoảng 320
C - 400C) nên thƣờng đƣợc sử dụng làm ấm nƣớc cho các bể bơi, hệ thống sƣởi ấm vào mùa đơng và kết hợp hệ thống cung cấp nƣớc nóng cho gia đình vào mùa hè.
h) Các bộ thu nhiệt độ cao
Các bộ thu dạng tấm phẳng (tấm - ống, cánh - ống) và ống thuỷ tinh chân khơng nói trên thƣờng chỉ đƣợc lắp đặt cố định, mặt bộ thu hƣớng về đƣờng xích đạo và nghiêng một góc khoảng bằng vĩ độ cộng thêm 50
- 100C, nên còn gọi là các bộ thu tĩnh (hình 1.21). Các bộ thu đƣợc thƣờng lắp cố định trên mái nhà. Bộ thu không thể
quay theo chuyển động của mặt trời trên bầu trời trong một ngày (từ Đông sang Tây). Vì vậy nên tổng xạ mặt trời hàng ngày đến bộ thu bị hạn chế, nhất là các giờ buổi sáng và buổi chiều. Đối với các yêu cầu nhiệt độ nƣớc thấp và trung bình (dƣới 1000C) cách lắp định hƣớng bộ thu cố định nhƣ trên có thể chấp nhận đƣợc. Nhƣng khi yêu cầu nhiệt độ lớn hơn 1500
C thì hệ thống bộ thu tĩnh không thể đáp ứng đƣợc. Vấn đề cần giải quyết ở đây là sự tập trung BXMT để tăng mật độ năng lƣợng. Khi nhiệt độ yêu cầu càng cao thì lƣợng bức xạ tới bộ thu phải càng lớn.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường
Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống bộ thu ĐNNMT cho nhiệt độ thấp lắp cố định trên mái nhà
Để giải quyết vấn đề trên ngƣời ta sử dụng loại bộ NLMT hội tụ. Phần chính của bộ thu là các gƣơng phản xạ có dạng máng Parabol hay gƣơng Parabol (hình 1.22). Khi các tia mặt trời song song tới máng hay gƣơng thì nó bị phản xạ và hội tụ lại trên
đường tiêu (đối với máng) hay tiêu điểm (đối với gƣơng parabol) nên mật độ NLMT trên đƣờng tiêu hay tiêu điểm tăng lên rất nhiều lần (thông thƣờng hơn 10 lần). Nếu đặt ống thủy tinh hay ống kim loại vào đƣờng tiêu hay tiêu điểm và cho nƣớc chảy qua thì nƣớc sẽ có nhiệt độ rất cao và có thể hoá hơi ở áp suất lớn.
Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường
Loại bộ thu hội tụ chủ yếu chỉ sử dụng các tia BXMT trực tiếp (các tia trực xạ). Để các tia phản xạ từ máng hay gƣơng parabol ln ln hội tụ vào đúng vị trí đặt ống nƣớc thì phải làm cho máng và gƣơng luôn quay theo mặt trời trên bầu trời. Vì vậy cần phải lắp thêm thiết bị “dõi theo mặt trời - sun tracker”. Tất nhiên để thiết bị này hoạt động hàng ngày cần một nguồn năng lƣợng nào đó.
1.4. TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CỦA VIỆT NAM
1.4.1. Tiềm năng năng lƣợng mă ̣t trời của Viê ̣t Nam
Lãnh thổ Việt Na m trải dài tƣ̀ Mũi Cà Ma u đến Lũng Cú , Hà Giang, hay tƣ̀ Vĩ tuyến khoảng 80 Bắc đến 230 Bắc. Nhƣ vậy Viê ̣t N am nằm trong vành đai nhiê ̣t đới