Từ xa xƣa, ụng cha ta đó biết sử dụng NLMT để phơi sấy nụng sản, hải sản, dƣợc liệu,v.v... Sản phẩm sấy đƣợc bày ra dƣới ỏnh nắng mặt trời trờn nong nia, cỏc tấm phờn, tấm nilụng,… trờn sõn gạch, mỏi nhà, thậm chớ trờn cả cỏc mặt đƣờng làng, đƣờng quốc lộ,…. Dƣới tỏc dụng của nắng và giú, độ ẩm trong sản phẩm sấy bay hơi và do đú độ ẩm trong sản phẩm giảm dần cho đến khi đạt giỏ trị giới hạn dƣới, vớ dụ 13%, thì sản phẩm đƣợc xem là đó khụ. Kiểu sấy nhƣ thế ngƣời ta gọi là phơi sấy cổ truyền. Ƣu điểm của kiểu phơi sấy này là đơn giản, rẻ tiền, cú thể phơi sấy ở mọi nơi, mọi thời gian. Tuy nhiờn phơi sấy cổ truyền cú nhiều nhƣợc điểm. Đú là phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết. Cần phải cú ngƣời canh gỏc việc phơi đề phũng trời mƣa sản phẩm ƣớt lại. Thụng thƣờng do khụng khống chế đƣợc nhiệt độ, tốc độ bay hơi nƣớc,… nờn sản phẩm phơi thƣờng bị cong vờnh, đổi màu, đồi mựi vị, chất lƣợng sản phẩm bị giảm đỏng kể sau khi phơi sấy. Ngoài ra, khi phơi nụng sản, thuỷ sản,… theo phƣơng phỏp núi trờn cũn bị hao hụt do chuột, cụn trựng, gia súc, gia cầm phỏ hoại. Vì vậy ngƣời ta đó nghiờn cứu và thiết kế cỏc hệ sấy hiện đại hơn, khắc phục đƣợc cỏc nhƣợc điểm đó núi ở trờn.
Núi chung quỏ trình sấy là quỏ trình làm giảm độ ẩm trong sản phẩm đến một giới hạn độ ẩm an toàn nào đú phụ thuộc vào loại sản phẩm. Quỏ trình sấy là một quỏ trình lý, hoỏ rất phức tạp, nú phụ thuộc khụng những nhiệt độ mà cũn ỏp suất hơi nƣớc trong khụng gian sấy, vào tốc độ giú, v.v... Ở đõy chúng ta sẽ khụng nghiờn cứu chi tiết về động học của cỏc quỏ trình sấy.
Cỏc thiết bị sấy hiện đại cho phộp kiểm soỏt, điều khiển đƣợc quỏ trình sấy. Do đú quỏ trình sấy cú năng suất và hiệu suất cao, sản phẩm sau khi sấy ớt bị hao hụt, đảm bảo đƣợc chất lƣợng và vệ sinh cho sản phẩm.
Phần lớn cỏc thiết bị sấy hiện đại đều sử dụng hiệu ứng nhà kớnh. Khớ núng đƣợc tạo ra trong bộ thu hoặc buồng thu nhiệt mặt trời và đƣợc cho thổi qua sản phẩm sấy theo chu trình đối lƣu tự nhiờn hay đối lƣu cƣỡng bức.
1.5.2.1 Hệ thống sấy đối lƣu tự nhiờn
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Buồng thu nhiệt mặt trời đồng thời cũng là buồng sấy cú thể xõy bằng gạch xốp, cỏch nhiệt, mặt trong đƣợc quột một lớp sơn hay nhựa đƣờng đen hấp thụ nhiệt. Tấm đậy hứng ỏnh sỏng mặt trời và tạo ra hiệu ứng nhà kớnh là một tấm trong suốt nhƣ kớnh xõy dựng hoặc tấm polietilen,v.v.… Phớa dƣới buồng sấy cú cỏc khe hở để khụng khớ thổi vào, phớa trờn cú cỏc khe để hơi ẩm và khớ thải thoỏt ra ngoài. Cỏc sản phẩm sấy đƣợc để trờn cỏc dàn hoặc khay bằng lƣới sắt hay phờn đan bằng tre, nứa.
Theo nguyờn lý hiệu ứng nhà kớnh, phần lớn năng lƣợng ỏnh sỏng mặt trời lọt qua tấm đậy trong suốt và bị giữ lại trong buồng, sẽ nung núng dần sản phẩm và buồng sấy. Nhiệt độ trong buồng sấy cú thể lờn đến 45 55oC hoặc cao hơn tuỳ thuộc kớch thƣớc, cấu tạo buồng sấy và sản phẩm sấy. Hơi ẩm và khớ thải thoỏt ra bằng cỏc lỗ thụng hơi ở phớa trờn. Phớa dƣới khụng khớ sẽ lựa vào qua cỏc khe ở đỏy buồng sấy tạo ra chu trình đối lƣu tự nhiờn.
Thời gian sấy trong buồng cú thể từ 24 ngày. Để điều khiển quỏ trình sấy ngƣời ta cú thể đúng bớt hay mở rộng thờm cỏc khe hút khớ phớa dƣới hay khe thoỏt khớ thải ở phớa trờn buồng. Sản phẩm sấy thớch hợp thƣờng là chuối, ớt, vải, nhón, nho,v.v... tức là cỏc sản phẩm yờu cầu độ sạch và chất lƣợng cao.
Tia sá ng m
ặt trờ i
Tấm kính/ nhựa trong suốt
Khe cho khí ẩm đi ra
Sản phẩm sấy
Dàn sấy
Tƣờng cỏch nhiệt
Lớp hấp thụ nhiệt
Khe cho không khí vào
Không khí vào
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng bức
Để cú thể sấy lƣợng sản phẩm lớn và rút ngắn thời gian sấy ngƣời ta thƣờng dựng loại hệ sấy cƣỡng bức. Hình 1.9 là sơ đồ một hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng bức.
Trong hệ sấy này ngƣời ta lắp thờm cỏc quạt giú. Cỏc quạt này sẽ hút khớ thải và thổi ra ngoài tạo ra chu trình đối lƣu cƣỡng bức trong buồn sấy. Quạt cũn tạo ra cỏc luồng giú khớ núng thổi qua cỏc dàn để sản phẩm, nờn quỏ trình sấy sẽ nhanh và hiệu quả hơn. Tất nhiờn chi phớ hệ sấy này sẽ cao hơn do cú thờm bộ phận quạt và cần năng lƣợng, vớ dụ dũng điện, cho quạt làm việc. Muốn điều chỉnh tốc độ sấy ngƣời ta cú thể thay đổi tốc độ quạt giú.
Trong trƣờng hợp sản phẩm sấy yờu cầu khụng đƣợc phơi trực tiếp dƣới ỏnh sỏng mặt trời (vớ dụ một số dƣợc liệu hoặc cỏc sản phẩm bị giảm chất lƣợng khi phơi trực tiếp dƣới ỏnh nắng) thì ngƣời ta sử dụng hệ sấy giỏn tiếp nhƣ hình 1.10.
Sản phẩm đƣợc đặt trong một buồng kớn riờng. Khụng khớ núng do cỏc bộ thu NLMT đặt cỏch xa buồng sấy tạo ra, đƣợc thổi qua buồng sấy nhờ một hệ thống quạt. Hơi nƣớc do sản phẩm bốc ra cú thể thoỏt ra ngoài qua cửa cho sản phẩm vào.
Tấm đậy trong suốt
Sản phẩm sấy Dàn sấy bằng lƣới Tƣờng cỏch nhiệt Quạt Khí thải Tia sán g mặt tr ời Nền
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Tia sán g m ặt t rời Quạt hút Cửa cho sản phẩm ƣớt vào Cửa lấy sản phẩm khô ống dẫn khí Buồng sấy Sản phẩm sấy Bộ thu
Hỡnh 1.10- Hệ sấy đối lưu cưỡng bức giỏn tiếp
1.5.3. Chƣng lọc nƣớc bằng NLMT
Nhƣ đó biết, ở nhiều khu vực rất thiếu hoặc khụng cú nƣớc ngọt (vớ dụ ở cỏc đảo, vựng duyờn hải,...). Để cú nƣớc sinh hoạt ngƣời ta phải chở nƣớc từ nơi khỏc, cú khi rất xa đến, nờn giỏ rất cao. Ngƣời ta cũng cú thể dựng nƣớc mƣa, nhƣng khụng phải thời gian nào cũng cú. Ở cỏc khu vực này, để giải quyết một phần khú khăn về nƣớc, ngƣời ta cú thể xõy dựng và sử dụng cỏc hệ thống chƣng lọc nƣớc bằng NLMT đơn giản nhƣng khỏ hiệu quả.
Hình 1.11 và 1.12 là sơ đồ của một vài kiểu hệ thống sản xuất nƣớc ngọt bằng NLMT. Các tia bức xạ mặt trời Thủy tinh, kính ống lấy nƣớc ngọt Nƣớc thải van Tƣờng cách nhiệt Lớp hấp thụ Nƣớc lợ hay nƣớc mặn van Nƣớc lợ hay nƣớc mặn máng thu nƣớc ngọt Nƣớc ngƣng tụ Hơi nƣớc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Tấm kính Nƣớc lợ Tƣờng cách nhiệt van Nền Nƣớc thải Tấm hấp thụ máng gom nƣớc ngọt Bình chứa nƣớc ngọt
Hỡnh 1.12- Một thiết kế thụng dụng của hệ lọc nước bằng NLMT
Nguyờn lý hoạt động của hệ chƣng cất nƣớc bằng NLMT cũng là hiệu ứng nhà kớnh. Bể chƣng cất là một buồng thu NLMT. Cỏc tia bức xạ mặt trời đi qua tấm đậy trong suốt ở trờn bể và nung núng dần nƣớc lợ hay nƣớc mặn trong bể. Dƣới tỏc dụng của nhiệt độ cao trong bể mà nƣớc bị bốc hơi và khi gặp mặt dƣới của tấm đậy cú nhiệt độ thấp hơn, hơi nƣớc ngƣng tụ lại thành cỏc giọt và chảy dần vào mỏng gom. Cụng suất thiết bị sản xuất nƣớc ngọt trung bình khoảng 2 3 lớt/m2.ngày.
Trong cỏc thiết kế mới loại thiết bị cú dạng hình cầu cú nhiều ƣu điểm hơn. Nú tận dụng đƣợc hầu hết NLMT của cỏc tia trực xạ, tỏn xạ ở cả 2 phớa trờn và dƣới thiết bị. Vì vậy, so với dạng phẳng, loại hình cầu cho năng suất chƣng cất nƣớc gấp 2 lần. Hiệu suất đạt 35 50%.
Nhƣợc điểm của loại thiết bị dạng cầu là khú chế tạo, yờu cầu vật liệu phải là thuỷ tinh hữu cơ. Nhƣng thuỷ tinh hữu cơ cú độ già hoỏ lớn, hiệu suất giảm nhanh theo thời gian.
1.5.4. Bếp mặt trời
Một ứng dụng khỏc khỏ hiệu quả sử dụng NLMT là bếp mặt trời. Nguyờn lý hoạt động của loại thiết bị này phổ biến cú 2 loại, sử dụng hiệu ứng nhà kớnh và hiệu ứng hội tụ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kớnh
Tấm đậy trong suốt
Gƣơng phản xạ Gá điều chỉnh gƣơng Hộp cách nhiệt Tay cầm Nồi nấu
Hỡnh 1.13- Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kớnh
Phần cơ bản của bếp là hộp thu nhiệt mặt trời hoạt động theo nguyờn lý hiệu ứng nhà kớnh. Để tăng thờm nhiệt độ 10 15oC ngƣời ta lắp thờm 1 hay 1 vài kớnh phản xạ. Trong thiết kế này, nhiệt độ buồng nấu cú thể lờn đến 100 120oC sau vài giờ trong cỏc ngày nắng tốt. Bếp rất thớch hợp cho nấu cỏc loại thức ăn thụng thƣờng nhƣ cơm, chỏo, chố, canh, v.v... Thời gian nấu phụ thuộc vào cƣờng độ bức xạ mặt trời và trong khoảng 1 đến 2,5 giờ. Tuy bếp phải đặt ngoài trời nắng nhƣng khi nấu ngƣời ta chỉ phải mất 5 10 phút đứng cạnh bếp (lúc đặt cỏc nồi vào và khi lấy cỏc nồi cú thức ăn chớn ra). Một bếp cú thể nấu cựng một lúc 2 3 nồi.
Ở Ấn Độ cú nhiều Cụng ty sản xuất bếp mặt trời, kớch thƣớc phổ biến của buồng nấu là 500 x 500 x 120mm, giỏ mỗi bếp từ 14 đến 17 USD. Ngƣời ta đó tớnh toỏn và cho thấy rằng, số ngày trung bình sử dụng bếp hàng năm ở Ấn Độ là 250 ngày, và tiết kiệm đƣợc hàng trăm USD cho mỗi bếp nếu chỉ dựng bếp đun gas.
1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ
Một kiểu bếp mặt trời khỏc cũng khỏ phổ biến là bếp hội tụ. Phần chớnh của bếp là một gƣơng cầu lừm hay gƣơng parapol trũn xoay, đƣờng kớnh 1000 1200 mm.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 1 2 3 5 6
Các tia mặt trời tới
Các tia mặt trời phản xạ từ gƣơng Gƣơng phản xạ hình cầu hay parabol 1 2 3 Nồi nấu Khung giữ bếp có thể điều chỉnh cho gƣơng cầu hƣớng về mặt trời 4
5 6
Hỡnh 1.14- Bếp NLMT hội tụ
Cỏc tia mặt trời khi gặp gƣơng sẽ hội tụ tại tiờu điểm, nhiệt độ cú thể lờn đến 200 250oC. Tại tiờu điểm này ngƣời ta đặt nồi thức ăn cần nấu.
Ƣu điểm của loại thiết bị này là cho nhiệt độ rất cao nờn nấu nhanh và nấu đƣợc nhiều loại thức ăn.
Nhƣợc điểm là chỉ sử dụng cỏc tia mặt trời trực xạ, nờn phải thƣờng xuyờn điều chỉnh sao cho cỏc tia mặt trời vuụng gúc với tiết diện của gƣơng. Ngoài ra ngƣời nấu phải đứng dƣới nắng nhiều hơn.
1.5.5. Sƣởi ấm nhà cửa, chuồng trại
NLMT cũng thƣờng đƣợc sử dụng để sƣởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn nuụi trong mựa đụng.
Hình 1.15 là một hệ thống sƣởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ khụng khớ núng đƣợc sản xuất ra từ cỏc bộ thu NLMT.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 1 2 3 3 4 5
Bộ thu năng lƣợng mặt trời Bình tích nhiệt
Bơm hay quạt
1 2 3 Nguồn đốt dự phòng Hệ thống ốngếsƣởi 4 5
Hỡnh 1.15- Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT
Cỏc bộ thu (1) đƣợc lắp đặt trờn mỏi nhà sẽ đốt núng khụng khớ qua nú nhờ quạt thổi (3). Chu trình thu nhiệt đối lƣu cƣỡng bức tớch nhiệt vào bình tớch trữ nhiệt (2), trong đú ngƣời ta đổ đầy đỏ cuội hay sỏi. Khụng khớ lạnh khi đi qua bình (2) hấp thụ nhiệt của trong bình, đi ra và đƣợc quạt thổi vào nhà hay chuồng trại. Để dự phũng cho những ngày thời tiết xấu, khụng cú nắng, ngƣời ta cú thể lắp thờm bộ phận đốt dự phũng bằng điện hay gas (4).
Một thiết bị khỏc đƣợc trình bày trong sơ đồ hình 1.16, trong đú để thu nhiệt và dự trữ nhiệt mặt trời ngƣời ta dựng nƣớc.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nƣớc nóng từ bộ thu đến
Nƣớc lạnh đƣợc bơm trở về bộ thu Bơm
1
2
3
Bình tích nhiệt
Buồng trao đổi nhiệt 4 5 1 2 3 3 4 5 Khí nóng Khí lạnh
Hỡnh 1.16- Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt
Nƣớc núng sẽ trao đổi nhiệt ở buồng trao đổi nhiệt (5) để cung cấp khụng khớ núng sƣởi ấm cho nhà ở hay chuồng trại.
1.5.6. Pin mặt trời
Hiện nay cú hai cụng nghệ để sản xuất điện bằng NLMT. Đú là cụng nghệ Pin mặt trời (hay Quang- Điện) và cụng nghệ Nhiệt điện mặt trời. Đối với cụng nghệ nhiệt điện mặt trời ngƣời ta thấy chỉ cú hiệu quả khi nhà mỏy cú qui mụ cụng nghiệp, tức là cú cụng suất từ hàng chục đến hàng trăm MW. Vì vậy dƣới đõy chúng ta chỉ nghiờn cứu cụng nghệ Pin mặt trời (PMT).
a. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động
Hình 1.17 là sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tình thể Silicon (Si). Phần chớnh của nú là một lớp tiếp xúc bỏn dẫn pn (4) giữa lớp vật liệu Si loại n (lớp (3) và lớp vật liệu Si loại p (lớp (5). Lớp bỏn dẫn loại n (3) khỏ mỏng, độ dày khoảng vài chục
m (m = 1 phần triệu một) để cho ỏnh sỏng cú thể xuyờn vào sõu trong cỏc lớp chất bỏn dẫn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3 5 6 1 2 ánh sáng mặt trời 7 Lớp chất chống phản xạ ánh sáng
Điện cực lƣới mặt trên Lớp bán dẫn n_Si 1 2 3 Lớp tiếp xúc bán dẫn p_n Lớp bán dẫn p_Si Điện cực dƣới Bóng đèn 4 5 6 7
Hỡnh 1.17- Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
Để đảm bảo độ bền cơ học cho PMT ngƣời ta phải chế tạo lớp bỏn dẫn p (5) khỏ dày, 300 500m. Điện cực mặt trờn (2) làm bằng kim loại và cú dạng lƣới để ỏnh sỏng cú thể lọt qua và vào đƣợc lớp (4). Điện cực mặt dƣới cũng bằng kim loại (6). Trờn cựng là một màng chống phản xạ ỏnh sỏng (1) để giảm sự phản xạ ỏnh sỏng trờn bề mặt trờn của Pin.
Hoạt động của pin mặt trời nhƣ sau:
Khi chiếu ỏnh sỏng mặt trời vào mặt trờn của pin, ỏnh sỏng sẽ tạo ra trong cỏc lớp bỏn dẫn lõn cận lớp tiếp xúc pn (4) cỏc cặp điện tử – lỗ trống. Cỏc cặp này là cỏc hạt dẫn điện mang điện tớch õm (điện tử) và điện tớch dƣơng (lỗ trống). Do tớnh chất đặc biệt của lớp tiếp xúc bỏn dẫn, nờn tại lớp tiếp xúc (4) đó cú sẵn một điện trƣờng tiếp xúc Etx. Điện trƣờng này lập tức tỏch điện tử và lỗ trống trong cỏc cặp điện tử, lỗ trống vừa đƣợc ỏnh sỏng tạo ra và bắt chúng chuyển động theo cỏc chiều ngƣợc nhau để tạo thành dũng điện. Vì vậy nếu nối cỏc điện cực trờn và dƣới bằng một dõy dẫn cú búng đốn (7) thì sẽ cú một dũng điện qua búng đốn và đốn sỏng.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hiện tƣợng chiếu ỏnh sỏng vào lớp tiếp xúc bỏn dẫn pn ta thu đƣợc dũng điện ở mạch ngoài đƣợc gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Nhƣ vậy PMT hoạt động dựa trờn hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện.
Hơn 90% PMT đƣợc sản xuất và ứng dụng hiện nay là PMT làm bằng chất bỏn dẫn tinh thể Si. Đối với PMT loại này, thì khi chiếu ỏnh sỏng mặt trời với cƣờng độ Eo=
2
1000
m W
và ở nhiệt độ To= 25oC thì hiệu điện thế giữa 2 cực của pin là