Nguyên lý chung

1.3. CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI ĐỂ SẢN XUẤT NƢỚC NÓNG

1.3.2.1. Nguyên lý chung

Nguyên lý chung của các thiết bị ĐNNMT là sử dụng nhiệt năng thu đƣợc ở tấm hấp thụ trong hộp thu để làm nóng nƣớc lên. Nhiệt có thể đƣợc sử dụng trực tiếp bằng cách cho nƣớc chảy qua tấm hấp thụ nhiệt độ cao, cho chảy qua các ống kim loại hàn với tấm hấp thụ. Ngƣời ta cũng có thể sử dụng nhiệt một cách gián tiếp nhƣ cho nƣớc trao đổi nhiệt qua một chất lỏng tải nhiệt hay các thanh kim loại khác...

Nguyên lý hoạt động của thiết bị ĐNNMT khá đơn giản: BXMT chiếu tới bề mặt collector, đƣợc hấp thu chuyển thành nhiệt năng. Nhờ quá trình dẫn nhiệt giữa collector và nƣớc chứa trong collector, cùng với quá trình đối lƣu tự nhiên, mà nƣớc chứa trong collector và bình chứa nƣớc (nóng) sẽ nóng dần lên.

Về nguyên tắc, có thể có hai loại phƣơng án sử dụng năng lƣợng mặt trời để cung cấp nƣớc nóng:

- Phương án 1: kết hợp với điện, có bơm nƣớc để thực hiện quá trình trao đổi

nhiệt theo kiểu đối lƣu cƣỡng bức.

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

1.3.2.2. Cấu tạo của hệ thống thiết bị đun nước nóng năng lượng mặt trời

Bộ thu NLMT để đun nƣớc nóng đƣợc gọi là Bộ thu nước nóng NLMT (solar water heater hay solar hot water collector). Một bộ thu nói chung gồm có các thành phần chính sau:

1. Tấm thu NLMT (collector) là phần chính của bộ thu, nhận NLMT, biến thành nhiệt và tích tụ nhiệt, truyền nhiệt cho nƣớc làm nó nóng lên;

2. Bình chứa là thành phần chứa nƣớc nóng và tích trữ nhiệt. Bình chứa thƣờng có dạng hình trụ, hai lớp và có cách nhiệt tốt. Nhờ có bình chứa mà bộ thu có thể sản xuất đƣợc một lƣợng nƣớc nóng lớn ở nhiệt độ cao và trong một thời gian đủ dài (từ 100 đến 250 lít, 70 - 800C, có thể giữ đƣợc nƣớc nóng 10 - 14 giờ). Ngồi ra bình chứa cịn làm nhiệm vụ điều hồ áp suất nƣớc trong toàn hệ thống bộ thu. 3. Hệ thống ống dẫn nƣớc lạnh, nóng; các van, cút nối...

4. Chân giá để cố định hệ thống, định hƣớng tấm thu, đồng thời cũng để tạo ra hiệu ứng đối lƣu tự nhiên.

5. Trong hệ thống bộ thu tuần hồn nƣớc bằng cƣỡng bức thì cịn cần một bơm nƣớc và bộ điều khiển bơm;

6. Trong một số loại bộ thu ngƣời ta còn lắp thêm phần đun nƣớc hỗ trợ bằng điện, gas hoặc bằng than (sử dụng trong các trƣờng hợp khơng đủ nƣớc nóng). Cấu tạo của thiết bị gồm có bộ phận hấp thụ BXMT gọi là collector, ngồi ra cịn có các bộ phận khác nhƣ đƣờng nƣớc vào, ra và bình chứa… (hình 1.8).

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Hình 1.8. Cấu tạo của một collecctor

Collector làm nhiệm vụ hấp thụ BXMT, truyền nhiệt cho nƣớc chứa bên trong nó, nhờ quá trình đối lƣu tự nhiên, nƣớc nóng chứa trong collector lại trao đổi nhiệt với nƣớc lạnh trong bình chứa.

Việc chế Collector phải đảm bảo rằng nó có khả năng hấp thụ nhiệt tốt nhất, đồng thời cũng phải đƣợc bọc cách nhiệt tốt nhất.

Lớp cách nhiệt: Do lƣợng nhiệt toả ra từ collector là rất lớn, nên yêu cầu của lớp

cách nhiệt cần phải giảm tối đa thất thoát nhiệt, đồng thời cũng phải chịu đƣợc nhiệt độ lên tới 1000C. Thơng thƣờng, lớp cách nhiệt có chiều dày khoảng 5cm hoặc mỏng hơn tuỳ thuộc vào vật liệu (điều này đƣợc quyết định bởi giá thành và tính sẵn có trên thị trƣờng), và điều kiện khí hậu.

Tấm phủ trong suốt: Dùng để cách ly bề mặt hấp thụ với mơi trƣờng, tạo ra hiêụ

ứng nhà kính, đồng thời bảo vệ bề mặt hấp thụ khỏi bị bám bẩn. Tuy nhiên, vì dùng tấm phủ trong suốt nên sẽ làm giảm cƣờng độ bức xạ, và tăng giá thành sản phẩm, vì vậy cần dùng vật liệu có khả năng cho ánh sáng xuyên qua cao, mà vẫn đảm bảo về độ bền và giá thành phù hợp (bảng 1.10).

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Bảng 1.10. Tính chất của một số vật liệu dùng làm tấm phủ trong suốt

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 mơi 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 vòng 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 không 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 hoàn 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 khơng có nắng. 1 Tia s¸n g m Ỉt tr êi Nƣớc nóng Nƣớc lạnh 2 3 4 5 T1 T2 6 Bé thu B×nh 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 hồ 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 môi 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 Môi 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 mơi trường

Hình 1.17. Ngun 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 ngun 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 thơng thƣờng khác nên mất mát nhiệt rất nhỏ. Ngồi 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 môi 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 không 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