Hiệu ứng nhà kính

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

1.3.1.1. Hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính đƣợc ứng dụng rộng rãi để khai thác sử dụng NLMT một các có hiệu quả. Dƣới đây trình bày tổng quát nguyên lý hiệu ứng nhà kính trong ứng dụng khai thác sử dụng NLMT đó.

Kính (tấm thuỷ tinh) xây dựng có đặc tính nhƣ sau: cho truyền qua dễ dàng các tia BXMT có bƣớc sóng ngắn (ví dụ các tia bức xạ có bƣớc sóng λ<0,7μm) nhƣng lại ngăn khơng cho các tia bức xạ có các bƣớc sóng dài (nhƣ các sóng bức xạ đỏ và hồng ngoại, λ>0,7μm) qua kính. Nói cách khác là hệ số truyền qua của kính là rất lớn, cịn

Khoa Mơi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

hệ số phản xạ và hấp thụ của kính lại rất nhỏ đối với vùng BXMT có bƣớc sóng ngắn và ngƣợc lại, trong vùng bức xạ có các bƣớc sóng dài thì hệ số truyển qua của kính là rất nhỏ, cịn hệ số phản xạ của kính lại rất lớn.

Nhƣ đã biết, khoảng 80% năng lƣợng BXMT tập trung ở trong vùng bƣớc sóng ngắn. Vì vậy có thể nói kính đã cho phần lớn NLMT truyền qua nó một cách dễ dàng.

Chúng ta cũng đã biết, tác dụng quan trọng nhất của các tia BXMT có bƣớc sóng dài là tác dụng nhiệt. Vì vậy vùng tia bức xạ này còn gọi là vùng tia bức xạ nhiệt.

Một hộp thu NLMT ứng dụng ngun lý hiệu ứng nhà kính có cấu tạo nhƣ hình 1.2. 4 1 2 3 TÊm kÝnh Líp vá c¸ch nhiƯt TÊm hấp thụ Tia sáng mặt trời 1 2 3 4

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo hộp thu năng lượng mặt trời hiệu ứng nhà kính

Mặt trên của hộp đƣợc đậy bằng tấm kính. Thành xung quanh và đáy hộp làm bằng chất cách nhiệt. Ở đáy trong của hộp có một tấm kim loại mặt trên phủ lớp sơn đen có khả năng hấp thụ năng lƣợng BXMT (hệ số hấp thụ đối với BXMT rất lớn) và truyền nhiệt tốt, nó đƣợc gọi là tấm hấp thụ.

Khi đặt hộp ngoài trời, các tia mặt trời dễ dàng đi xuyên qua tấp kính đậy phía trên và tới đập vào tấm hấp thụ. Tại đây phần lớn NLMT bị tấm hấp thụ thu lại và biến thành nhiệt làm nóng tấm này lên. Khi đó tấm hấp thụ trở thành nguồn phát xạ thứ cấp,

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

nhiệt tốt. Vì vậy hộp thu nói trên cịn đƣợc gọi là bẫy nhiệt. Hiệu ứng thu NLMT làm

nóng tấm hấp thụ nhƣ trình bày đƣợc gọi là hiệu ứng nhà kính (greenhouse).

Từ lâu ngƣời ta đã ứng dụng hiện tƣợng trên để xây dựng các ngơi nhà trồng rau xanh có mái lợp bằng kính ở các khu vực có khí hậu giá lạnh. Vì vậy thuật ngữ “hiệu

ứng nhà kính hay hiệu ứng nhà xanh (greenhouse)” có lẽ bắt nguồn từ đó.

Ngồi kính cịn có một số vật liệu khác cũng có tính gây hiệu ứng nhà kính nhƣ các chất khí nhƣ CO2, CH4,..., các tấm chất dẻo trong suốt,.... Với sự phát triển của công nghiệp và sử dụng năng lƣợng hóa thạch trong những thập kỷ gần đây, lƣợng khí CO2, CH4, (sự gia tăng của các khí nhà kính) tích tụ trong khí quyển xung quanh Trái đất ngày càng tăng đã gây ra hiện tƣợng nóng lên của Trái đất (hiện tƣợng biến đổi khí hậu tồn cầu).

1.3.1.2. Một số ứng dụng hiệu ứng nhà kính trong công nghệ năng lượng mặt trời

Hiệu ứng nhà kính có nhiều ứng dụng để sử dụng NLMT nhƣ:

- Các nhà kính để sấy các sản phẩm nơng, lâm, ngƣ nghiệp;

- Các hệ thống sƣởi ấm NLMT;

- Các hệ thống chƣng cất, lọc nƣớc NLMT;

- Hệ thống điều hồ khơng khí NLMT;

- Các hệ thống thiết bị ĐNNMT.

Hiện nay, việc sử dụng bộ thu NLMT kiểu nhà kính khá phổ biến bởi cấu tạo khá đơn giản và tiện lợi.

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về một số thiết bị dùng NLMT áp dụng hiệu ứng nhà kính.

Khoa Mơi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Sấy là quá trình tách ẩm từ vật liệu, và thông thƣờng là cần phải cung cấp nhiệt để làm bay hơi nƣớc trong vật sấy, và dùng khơng khí thổi vào để mang hơi nƣớc đi.

Các thiết bị sấy dùng NLMT ở qui mô nhỏ thì thƣờng là dạng sấy trực tiếp. Thiết bị sấy sẽ có dạng nhƣ một chiếc tủ, một

mặt của tủ làm bằng kính, các mặt cịn lại thì đƣợc bọc cách nhiệt, bên trong tủ sẽ phủ lớp sơn đen (hình 1.3).

NLMT đƣợc hấp thu theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính, sẽ làm tăng nhiệt độ buồng sấy và các sản phẩm sấy. Thông thƣờng, ánh sáng sẽ chiếu trực tiếp đến sản vật sấy, hơi ẩm thoát ra đƣợc khơng khí lƣu thơng cuốn đi.

Đối với các thiết bị sấy gián tiếp, BXMT không trực tiếp chiếu vào sản phẩm sấy mà thông qua tác nhân sấy, mà ở đây chính là khơng khí đƣợc làm nóng bởi các bộ thu NLMT. Quá trình lƣu thông và tuần hồn của khơng khí nóng có thể là đối lƣu tự nhiên hoặc dùng quạt đối lƣu cƣỡng bức. Đối với thiết bị sấy này, nhiệt độ sấy có thể cao hơn nên thời gian sấy ngắn hơn và chất lƣợng sản phẩm tốt hơn.

Các thiết bị sấy dùng NLMT có ƣu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, giá thành thấp. Tuy nhiên cần phải thƣờng xuyên vệ sinh thiết bị sấy để tránh ẩm mốc.

Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Thiết bị ĐNNMT hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt đời sống hàng ngày.

Hình 1.3. Thiết bị sấy nơng sản năng lượng mặt trời

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường

Tuy nhiên, thiết bị ĐNNMT cũng có những nhƣợc điểm:

- Yêu cầu nguồn nƣớc phải sạch để tránh đóng cặn bẩn, gây ơxi hoá làm hỏng thiết bị;

- Độ nóng của nƣớc thì phụ thuộc thời tiết, dung lƣợng nƣớc nóng cố định với mỗi ngày;

- Với giá thành hiện nay thì đắt hơn so với các sản phẩm dùng điện hoặc ga;

- Do thiết bị thƣờng đặt trên mái nhà, nên cần một đƣờng bảo ôn để dẫn nƣớc, gây tốn kém, và khó khăn trong việc lắp đặt.

Dạng dãy ống Dạng tấm

Hình 1.4. Thiết bị đun nước nóng dạng dãy ống và dạng tấm phổ biến trên thị trường

Giá thành của một thiết bị nƣớc nóng rất khác nhau, phụ thuộc vào kiểu tấm hấp thụ, dung lƣợng bình chứa, và kết cấu vật liệu. Đối với sản phẩm có ống hấp thụ chân khơng có giá mỗi bộ thiết bị khoảng từ 6,5 triệu trở lên. Còn đối với sản phẩm mà bề mặt hấp thụ dạng tấm phẳng, do nhập ở nƣớc ngồi lên đắt hơn, có giá mỗi bộ thiết bị từ 11 triệu đồng trở lên (nội dung chi tiết về thiết bị ĐNNMT sẽ đƣợc trình bày ở phần sau).

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

Nƣớc ngọt là nhu cầu cơ bản cho sự sống con ngƣời, tuy nhiên, hiện nay nguồn nƣớc ngọt ngày càng khan hiếm, nhất là những nơi nắng nóng. Bởi vậy, NLMT đã đƣợc sử dụng một cách triệt để để dùng chƣng cất nƣớc.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị khá đơn giản: Nƣớc cần chƣng cất đƣợc đƣa vào khay ở dƣới và đƣợc đun nóng, do phần đáy của khay đƣợc sơn đen để tăng khả năng hấp thụ BXMT, nƣớc có thể xem nhƣ trong suốt trong việc truyền ánh sáng từ mặt trời. Bề mặt hấp thụ nhận nhiệt BXMT và truyền nhiệt cho nƣớc. Khi nhiệt độ phù hợp, nƣớc bốc hơi lên chạm vào mặt dƣới của tấm kính phủ, đƣợc làm mát nên ngƣng tụ , rồi chảy xuống máng chứa ở góc dƣới (hình 1.5).

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chưng cất nước

Lƣợng nƣớc chƣng cất đƣợc trong ngày trên một đơn vị diện tích phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ: cấu tạo của thiết bị, cƣờng độ bức xạ tổng trong ngày cũng nhƣ hƣớng của tia nắng chiếu tới mặt đáy, tốc độ gió, nhiệt độ nƣớc cấp vào, nhiệt độ mơi trƣờng.

Theo Robert Foster, đại học New Mexico State University thì thiết bị chƣng cất nƣớc bằng NLMT có thể loại bỏ đƣợc hầu hết các loại:

- Muối/khoáng (nhƣ Na, Ca, As, Fl, Fe, Mn)

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường

Chính quá trình bay hơi đã bỏ lại thành phần chất rắn, cịn tia cực tím có trong phổ BXMT là tác nhân tiêu diệt vi sinh vật có trong nƣớc nhiểm bẩn.

Cũng theo báo cáo của Robert Foster thì nƣớc sau khi chƣng cất sẽ loại bỏ đƣợc Ecoli, thƣờng gặp trong nƣớc bẩn (bảng 1.8).

Bảng 1.8. Kết quả kiểm tra thành phần nước trước và sau khi chưng cất

Mẫu 13% lƣợng nƣớc vào Nƣớc chƣng cất (13%) 16% nƣớc vào Nƣớc chƣng cất (16%) Can xi 340 1,5 371 <0,10 Sắt 0,27 <0,05 0,48 <0,06 Magiê 2,1 2,1 <0,005 <0,005 Măngan 0,04 <0,02 0,07 <0,02 Amoni <0,1 0,1 <0,1 <0,1 Clo 19.000 <1,0 25.000 2.6 Hỗn hợp cặn 32.000 <1,0 41.000 31

Muối Nitơrat NO3 34 0.1 26 <0.1

Muối Nitrit NO2 0,013 <0.01 0,02 <0.01

TDS 36.000 <1.0 48.000 <1.0 Thành phần hữu cơ

và chất dễ bay hơi

4.200 <1.0 6.000 13

Nguồn: Robert Foster, 2008

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường

Tuy nhiên có nhƣợc điểm: Hiệu suất thấp, và không thể lọc nƣớc khi trời hết nắng.

Hiện nay việc dùng các biện pháp: lắp thêm gƣơng phản xạ để tập trung năng lƣợng vào hộp thu hay đƣa vật liệu biến đổi pha ở nhiệt độ thấp nhƣ parafin (nến) vào đáy để tích nhiệt, sau khi mặt trời lặn nhiệt ẩn hóa lỏng đƣợc giải phóng và truyền cho nƣớc có thể tăng thời gian chƣng cất (hình 1.6).

Hình 1.6. Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển lắp tại Bình Đại, Bến Tre (gồm 3 modul, mỗi modul có diện tích đón nắng 4m2)

Bếp mặt trời ứng dụng hiệu ứng nhà kính

Cấu tạo của bếp khá đơn giản, gồm một hộp có một tấm gƣơng phản xạ, một tấm kính phủ và một hộp kim loại đƣợc bọc cách nhiệt, bên trong hộp đƣợc sơn đen (hình 1.7).

Nhiệt mặt trời đƣợc hấp thụ bởi nồi nấu và bề mặt trong của bếp. Tấm gƣơng phản xạ đƣợc dùng để làm tăng cƣờng độ ánh sáng tới

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học mơi trường

nay có đến hơn 1.500 hộ gia đình đã đƣợc cung cấp bếp và hầu hết có khoảng 79% số bếp đó đƣợc sử dụng thƣờng xuyên.

Giá thành của một chiếc bếp từ 850.000 - 1.000.000 đồng đối với loại bếp có thể nấu đƣợc hai nồi, và tuổi thọ bếp lên tới 15 năm.

Việc sử dụng bếp mặt trời có khá nhiều ƣu điểm nhƣ: có thể làm bằng vật liệu rẻ tiền, tiết kiệm, an tồn, dễ sử dụng, khơng thể cháy khét và không gây ô nhiễm môi trƣờng (bảng 1.9).

Bảng 1.9. Một số thông số về nhiệt độ của bếp trong q trình sử dụng

Ngày Thơng số kỹ thuật Kết quả

đo Ghi chú

5/6/2008

Nhiệt độ khơng khí trong bếp 670C

Nhiệt độ của sản phẩm nấu 1020C Kho cá

Nhiệt độ của sản phẩm nấu 970C Nấu cơm

Nhiệt độ của sản phẩm nấu 950C Nƣớc sôi

Nhiệt độ của sản phẩm nấu 1010C Hầm gà

Nguồn [3]

Tuy nhiên bếp mặt trời, vẫn còn những hạn chế [2]: - Nồi phải bằng kim loại và cần sơn đen

- Nhiệt độ 150°C (300°F) thấp hơn nhiệt độ của các loại bếp khác, nên thƣờng phải đun lâu hơn.

- Vì độ sôi của nƣớc là 100°C (212°F), nên cần lƣu ý với các thức ăn có hơi ẩm, không nên để lâu quá.

Khoa Môi trường Luận văn Thạc sĩ Khoa học môi trường

- Không đƣợc mở trong khi đun nấu, vì hơi nóng sẽ thoát ra ngồi. Do đó khơng thể xào, trở, xâm khi dùng bếp này.

- Thƣờng xuyên phải chỉnh vị trí của bếp để bề mặt hấp thụ có thể tiếp xúc tối đa với ánh sáng mặt trời.

- Tại châu Âu, không thể dùng đƣợc từ cuối tháng 10 đến giữa tháng 2 dƣơng lịch.

- Nặng khoảng 15 kg, và khơng chịu đƣợc mƣa. Nếu để ngồi trời khi có mƣa phải bƣng gấp vào nhà gây bất tiện trong quá trình sử dụng.

1.3.2. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời

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, ngoài 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 mơi 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 môi 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).