Thử nghiệm chế tạo máy nước nóng năng lượng mặt trời từ các vật liệu rẻ tiền

THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI TỪ CÁC VẬT LIỆU RẺ TIỀN
LÊ PHƯỚC TRÍ - ĐỒN THỊ XUÂN LOAN
NGUYỄN PHƯỚC HẬU - NGUYỄN NỮ HOÀNG ANH
Khoa Vật lý

Tóm tắt: Bài báo này trình bày việc chế tạo thử nghiệm một mơ hình
máy nước nóng năng lượng mặt trời đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả và dễ
dàng sử dụng trong các hộ gia đình. Chúng tơi đã chế tạo thành cơng
một máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời từ những vật liệu
quen thuộc và dễ kiếm trên thị trường. Chúng tôi cũng đã tiến hành
làm thực nghiệm đo đạc kiểm tra các thông số vào các ngày có độ nắng
khác nhau với nguồn nước cấp có nhiệt độ nằm trong khoảng 25 ± 30 C.
Kết quả cho thấy máy có thể làm nhiệt độ của nước tăng thêm 440 C
lên tới 720 C vào những ngày nắng to, tăng thêm 350 C lên tới 610 C vào
các ngày nhiều nắng, tăng thêm 160 C lên tới 420 C vào các ngày hửng
nắng. Các kết quả cho thấy máy có hiệu năng hoạt động khá tốt vào
các ngày có nắng trong năm.
Từ khóa: máy nước nóng, năng lượng mặt trời, ứng dụng, hộ gia đình

1

GIỚI THIỆU

Các nguồn năng lượng đang được sử dụng trên thế giới rất phong phú và đa dạng, trong
đó có hai nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và năng
lượng tái tạo. Năng lượng hóa thạch là năng lượng được sinh ra trong quá trình đốt cháy
các loại nhiên liệu hóa thạch như là than đá và dầu mỏ. Các nguồn nhiên liệu này có thể dễ
dàng được khai thác sử dụng với chi phí đầu tư không lớn. Tuy nhiên, nguồn năng lượng
này là hữu hạn và khơng có khả năng tự tái tạo, hơn nữa lại tác động xấu đến môi trường
như gây ra hiệu ứng nhà kính hay tạo ra mưa axit. Năng lượng tái tạo là năng lượng từ

các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, như năng lượng mặt
trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương và sinh học. Chúng là một nguồn năng lượng
sạch, khơng gây ơ nhiễm khơng khí, và khơng đóng góp vào sự nóng lên của khí hậu tồn
cầu. Tuy nhiên, hạn chế chung của các nguồn năng lượng tái tạo là rất khó khăn để tạo
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế, tháng 12/2016: tr. 438-448


THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...

439

ra một sản lượng điện lớn, đồng thời chi phí đầu tư ban đầu cũng rất lớn [1-2]. Trong các
loại năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có tiềm năng vơ cùng
to lớn, miễn phí và hiệu suất cao. Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong
phú, xanh, sạch, thân thiện với mơi trường, nó có thể áp dụng ở bất cứ nơi nào miễn nơi
đó có ánh sáng mặt trời. Chi phí thực hiện nguồn năng lượng này đang được giảm nhanh
chóng và dự kiến sẽ tiếp tục giảm trong những năm tiếp theo do đó nó thực sự là một năng
lượng tương lai đầy hứa hẹn cho cả phát triển kinh tế và đảm bảo môi trường bền vững.
Hạn chế của nó là phụ thuộc vào thời tiết và chỉ hoạt động vào ban ngày. Nếu có thể khắc
phục được nhược điểm này thì năng lượng mặt trời có thể được sử dụng một cách phổ biến
rộng rãi [2]. Nhiều thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu và chế tạo ở
trong và ngoài nước [3-7]. Trên thế giới, người ta chủ yếu sử dụng các tấm pin mặt trời để
chuyển hóa quang năng thành các dạng năng lượng khác. Các ứng dụng của năng lượng
mặt trời rất đa dạng, ví dụ như máy bay hay ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời, trạm xe
buýt chiếu sáng tự động, nhà kính trồng nơng sản bằng năng lượng mặt trời, thiết bị biến
khơng khí thành nước sạch bằng năng lượng mặt trời [3]. Việt Nam tuy có lợi thế về lượng
bức xạ mặt trời hàng ngày thuộc loại cao nhưng lại chưa khai thác hiệu quả. Những ứng
dụng năng lượng mặt trời ở nước ta chủ yếu là do nông dân hoặc các bạn trẻ tự mày mị
chế tạo nên. Các ứng dụng nổi bật có thể kể đến là xuồng chạy bằng năng lượng mặt trời,

bộ sạc pin điện thoại bằng năng lượng mặt trời, máy ấp trứng bằng năng lượng mặt trời,
máy rửa bát bằng năng lượng mặt trời [4-7]. Trong bài báo này chúng tơi trình bày việc
thử nghiệm chế tạo một máy nước nóng năng lượng mặt trời bằng các vật liệu rẻ tiền, dễ
chế tạo từ những vật liệt dễ kiếm nhưng vẫn cho hiệu suất cao như xốp, kính thủy tinh,
ơng nước. Mục đích của nghiên cứu là phổ biến máy nước nóng năng lượng mặt trời tới
cộng đồng những người sử dụng có mức sống vừa phải ở Việt Nam. Quá trình kiểm tra
cho thấy thiết bị hoạt động khá hiệu quả và dễ sử dụng. Bài báo gồm những phần sau đây.
Mục 2 là phần Cơ sở lý thuyết, mơ hình và vật liệu. Mục 3 là phần Kết quả và thảo luận.
Phần cuối trình bày các kết luận.

2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT, MƠ HÌNH VÀ VẬT LIỆU

Có thể phân loại hệ thống hoạt động của máy nước nóng năng lượng mặt trời theo phương
thức vận hành và theo hệ thống gia nhiệt. Theo phương thức vận hành bao gồm hai loại
là hệ thống tuần hoàn tự nhiên và hệ thống tuần hồn cưỡng bức. Cịn theo hệ thống gia
nhiệt bao gồm hệ thống gia nhiệt trực tiếp và hệ thống gia nhiệt gián tiếp. Máy nước nóng
năng lượng mặt trời trên thị trường có cấu tạo chung bao gồm ba bộ phận chính: Bộ thu
năng lượng mặt trời, bình bảo ơn chứa nước nóng, bộ giá đỡ [8-11]. Bộ thu năng lượng
mặt trời hiện nay bao gồm hai loại: Loại dùng tấm phẳng hấp thụ nhiệt và loại dùng ống


440

LÊ PHƯỚC TRÍ và cs.

chân khơng hấp thụ. Loại ống chân không hấp thụ được sử dụng nhiều hơn mặc dù có giá
thành cao, nhưng là cơng nghệ mới nên có các đặc điểm nổi bật: hiệu suất thu nhiệt cao
hơn, diện tích lắp đặt nhỏ hơn, khơng bị ăn mịn và có thể phù hợp với mọi loại nước sinh

hoạt như nước giếng khoan, nước máy, tránh được hiện tượng đối lưu ngược dẫn đến mât
nhiệt của nước trong bình về ban đêm. Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động
theo nguyên lý đối lưu nhiệt và bẫy nhiệt lượng: Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bộ thu
năng lượng mặt trời với tính năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cao và tỉ lệ phát xạ thấp sẽ
hấp thụ bức xạ mặt trời rồi chuyển thành nhiệt năng. Nước trong các bộ thu sẽ được đun
nóng và tạo thành vịng tuần hồn đối lưu tự nhiên và sự tuần hồn này làm cho nước
trong bình chứa nóng dần lên. Nguyên lý hoạt động của máy nước nóng năng lượng mặt
trời mà chúng tôi tự chế cũng khá đơn giản và giống với các máy nước nóng năng lượng
mặt trời bán trên thị trường. Ánh sánh mặt trời xuyên qua hai mặt kính trắng che phủ
hộp, lớp kính sơn đen bên trong sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển thành nhiệt năng,
làm cho nước trong bể nóng lên. Hai tấm kính trong phía trên cho phép tia sáng mặt trời
dễ dàng xuyên qua, bên cạnh đó lớp khơng khí ở giữa hai lớp kính này sẽ ngăn truyền
nhiệt ra bên ngồi. Khi nước nóng đến một mức nhất định, lớp nước ử bề mặt trên cùng
sẽ bốc hơi, sau đó sẽ ngưng tụ lại ở mặt kính phía trên, do đó nước trong thùng sẽ khơng
bị thất thoát.

2.1

Vật liệu và giá thành

Vật liệu của máy nước nóng năng lượng mặt trời mơ hình được cho trong bảng 1.

Bảng 1: Giá thành vật liệu dùng cho mô hình máy nước nóng năng lượng mặt trời.
STT
1
2
3
4
5
6

7
8
9

Vật liệu
Thùng xốp
Xốp
Bể kính (sơn đen)
Tấm kính nhỏ
Tấm kính lớn

Kích thước
29 × 39 × 29 cm3
50 × 100 cm2
21, 5 × 31 × 25 cm3
24 × 33 cm2
29 × 39 cm2

Ống nhựa
50 cm
Van
Co nối
Keo dán ống nước
Tổng cộng

Số lượng
1 thùng
2 tấm
1 bể
1 tấm

1 tấm

Giá tiền
30.000đ
20.000đ
150.000đ
40.000đ
60.000đ

2 ống
2 cái
2 cái
1 tuýp

30.000đ
15.000đ
10.000đ
5.000đ
360.000đ


THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...

441

Đối với máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thực tế dùng cho một hộ gia đình 4 người
sẽ có bảng vật liệu được cho trong bảng 2.

Bảng 2: Giá thành vật liệu cho máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thực tế.
STT

Vật liệu

Kích thước

1
2
3
4
5

Thùng nhơm
Xốp
Bể kính (sơn đen)
Tấm kính nhỏ
Tấm kính to

100 × 120 × 40 cm3
50 × 100 cm2
94 × 114 × 34 cm3
99, 5 × 119, 5 cm2
100 × 120 cm2

6
7
8
9

Ống nhựa
Van

Co nối
Keo dán ống nước

(tùy theo vị trí lắp đặt)

Tổng cộng

2.2

Số
lượng
1 thùng
6 tấm
1 bể
1 tấm
1 tấm

Giá tiền

2 ống
2 cái
2 cái
1 tuýp

∼ 200.000đ
15.000đ
10.000đ
5.000đ
∼ 1.330.000đ

750.000đ
60.000đ
150.000đ
60.000
80.000

Thử nghiệm chế tạo

Máy có cấu tạo hình chữ nhật kích thước 29 × 39 × 29 cm3 . Đây chỉ là kích cỡ thiết bị thực
nghiệm, trong thực tế, để phục vụ sinh hoạt bể phải có kích thước lớn hơn, vào khoảng
100 × 120 × 40 cm3 tùy vào nhu cầu sử dụng của từng hộ gia đình. Dùng thùng xốp để làm
lớp vỏ, ngồi ra có thể dùng gỗ. Tiếp theo là lớp cách nhiệt làm bằng xốp (hoặc vỏ trấu,
hoặc bông cách nhiệt. . . ). Lớp trong cùng là lớp kính sơn đen, để giúp tăng khả năng hấp
thụ ánh sáng. Phía trên là hai lớp kính trắng (cách nhau 3cm) để giữ nhiệt. Ngồi ra máy
cịn có đường ống nước vào, ống nước ra. Việc chế tạo mơ hình này cũng khá đơn giản, chỉ
cần một đến hai ngày là có thể hồn thành. Dưới đây là sơ đồ mơ hình máy nước nóng
năng lượng mặt trời.
(1) Vỏ bảo vệ
(2) Lớp cách nhiệt
(3) Bể kính sơn đen
(4) Tấm kính trên
(5) Tấm kính dưới
(6) Đường ống nước vào
(7) Đường ống nước ra


442

LÊ PHƯỚC TRÍ và cs.

(a) Sơ đồ mặt cắt mơ hình

(b) Mơ hình thực tế

Hình 1: Cấu tạo mơ hình máy nước nóng năng lượng mặt trời.

3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Với kích cỡ thực nghiệm, một ngày máy có thể cung cấp nước nóng đạt nhiệt độ khoảng
57 đến 61 độ nếu ngày có nắng thường xuyên. Vào những ngày nắng to nhiệt độ của nước
có thể lên đến 68 đến 72 độ. Và vào những ngày trời hửng nắng thì nhiệt độ khoảng từ
39 đến 42 độ. Máy có khả năng lưu trữ nước nóng từ 1 ngày đến 1,5 ngày và lượng nước
nóng đủ cho các hoạt động sinh hoạt của gia đình từ 4 đến 5 người. Nhiệt độ của nước vào
ngày nắng gắt (nắng to) (Ngày Chủ Nhật, 25/9/2016) được cho trong bảng 3.


THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 2: Mơ hình máy hồn chỉnh.

443


444

LÊ PHƯỚC TRÍ và cs.

Bảng 3: Nhiệt độ nước vào ngày nắng gắt.
Thời gian
9h
10h
11h
12h
13h
14h
15h
16h
17h

Nhiệt độ
môi trường
30
32
33
35
36
36
34
32
30

Nhiệt độ
nước cấp
25
26
27
27
28
28
28
26
26

Nhiệt độ nước
sau máy
67
68
68.5
69
72
72
71
70.5
70

Hình 3: Nhiệt độ của nước vào ngày nắng gắt.

Nhiệt độ của nước vào ngày nắng thường xuyên nhưng không gắt (Ngày Chủ Nhật,
2/10/2016) được cho trong bảng 4.

Bảng 4: Nhiệt độ của nước vào ngày nắng thường xuyên nhưng không gắt.
Thời gian
9h
10h
11h
12h
13h
14h
15h
16h
17h

Nhiệt độ
môi trường
27
28
28
30
32
30
30
28
26

Nhiệt độ
nước cấp
25
25
25
25.5

26
26
25.5
25
25

Nhiệt độ nước
sau máy
57
58.5
59
60
61
60.5
60.5
60
60


THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...

445

Hình 4: Nhiệt độ của nước vào ngày nắng thường xuyên nhưng không gắt.

Nhiệt độ của nước vào ngày hửng nắng (Ngày Thứ Bảy, 8/10/2016) được cho trong bảng
5.

Bảng 5: Nhiệt độ của nước vào ngày hửng nắng.
Thời gian

9h
10h
11h
12h
13h
14h
15h
16h
17h

Nhiệt độ
môi trường
27
26
28
29
30
28
29
27
24

Nhiệt độ
nước cấp
24
24
24.5
25
26
26

25
25
24.5

Nhiệt độ nước
sau máy
39
39
40
41
42
40.5
41
41
40.5


446

LÊ PHƯỚC TRÍ và cs.

Hình 5: Nhiệt độ của nước vào ngày hửng nắng.

Từ các kết quả trên cho thấy, ở những điều kiện thời tiết có nắng khác nhau máy nước
nóng năng lượng mặt trời đều cho hiệu quả cao. Với ngày nắng gay gắt, nhiệt độ trung
bình là 69, 670 C; với ngày nắng thường xuyên nhưng không gay gắt, nhiệt độ trung bình
là 59, 610 C; với ngày hửng nắng, nhiệt độ trung bình là 40, 440 C. Có thể thấy máy nước
nóng năng lượng mặt trời tự chế này có các tính năng hơn các sản phẩm bình nước nóng
sử dụng điện, ga. Máy an tồn khi sử dụng trong các hộ gia đình, nhất là các gia đình có
con nhỏ. Hơn nữa máy cịn đảm bảo sức khỏe lâu dài, thoải mái tiện lợi khi sử dụng. Máy

khơng chiếm khơng gian trong nhà vì lắp đặt ở ngồi trời cho nên thích hợp cho các hộ
gia đình có diện tích nhà nhỏ hẹp. Việc lắp đặt ngồi trời cịn có tác dụng chống nóng cho
các ngơi nhà vì lượng nhiệt sẽ đươc máy hấp thụ để làm nóng nước phục vụ cho các nhu
cầu khác của các hộ gia đình. Đặc biệt, khi so sánh với các loại máy nước nóng năng lượng
mặt trời trên thị trường, máy nước nóng tự chế này rẻ hơn rất nhiều vì sử dụng các vật
liệu rẻ tiền và rất dễ kiếm như xốp, kính thủy tinh.Máy có cấu tạo đơn giản nên bất cứ ai
cũng có thể tự lắp đặt. Tuy nhiên, hạn chế của máy nước nóng năng lượng mặt trời đó là
máy khơng chỉ hoặt động kém hiệu quả vào những ngày đông lạnh giá mà cịn vào những
ngày âm u và cả ngày khơng thấy mặt trời.


THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...

4

447

KẾT LUẬN

Chúng tôi đã chế tạo thành công một máy nước nóng năng lượng mặt trời bằng những vật
liệu rẻ tiền, quen thuộc và gần gũi với cuộc sống hằng ngày. Thiết bị có kết cấu hợp lý,
cách chế tạo đơn giản, tận dụng được các loại vật liệu tại chỗ và sẵn có của thị trường.
Trong tương lai có thể chế tạo thành sản phẩm thương mại với giá thành khoảng một triệu
bốn trăm ngàn đồng Việt Nam, phù hợp với mức thu nhập của đại đa số người dân Việt
Nam mà vẫn đạt hiệu quả cao tương đương với các loại máy có sẵn trên thị trường. Vào
ngày nắng to máy có thể gia nhiệt cao nhất lên đến 440 C, thấp nhất là 41.50 C; vào ngày
nắng thường xuyên máy có thể gia nhiệt cao nhất 350 C, thấp nhất là 320 C; vào ngày hửng
nắng, máy có thể gia nhiệt cao nhất 160 C, thấp nhất là 150 C. Máy nước nóng năng lượng
mặt trời được nghiên cứu ở đây chỉ là mơ hình có thiết kế đơn giản nhất. Trong tương lai
máy có có thể cải tiến để có nhiều chức năng hơn như lắp thêm bộ phận chưng cất hơi

nước và lọc nước sạch để sử dụng trong sinh hoạt. Hoặc là lắp thêm bộ phận thu nhiệt
thải từ dàn ngưng máy điều hòa khơng khí để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất gia
nhiệt. Hoặc là tận dụng lượng nhiệt dư thừa ở những ngày nắng nóng, biến đổi nhiệt năng
thành điện năng, dự trữ vào bình bình ắc quy để sử dụng như nguồn điện thông thường.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Thị Thiện, Nguyễn Thị Hồng Yến, Dương Thị Ái Như, Trần
Quỳnh Phương. Vấn đề về năng lượng [2/10/2014]. SLIDESHARE.NET.
[Truy cập ngày 3/11/2016].
[2] CPC. Năng lượng tái tạo - Những thuận lợi và khó khăn.
/>[Truy cập ngày 3/11/2016].
[3] NANGLUONGTIEUDIEM. Những ứng dụng độc đáo từ hệ thống điện năng
lượng mặt trời. />[4] Trương Minh Toàn (2010). Nghiên cứu hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng
lượng mặt trời có giữ nhiệt.) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa
học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng,152-158.
[5] Bùi Ngọc Hùng (2013). Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời giá rẻ sử dụng tấm
lấy sáng Polycacbonat.) Hội nghị khoa học công nghệ trường lần thứ 13 – Khoa cơ khí
Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.


448

LÊ PHƯỚC TRÍ và cs.

[6] Bùi Ngọc Hùng (2013). Hệ thống nước nóng hiệu suất cao sử dụng năng lượng mặt
trời kết hợp năng lượng gió. ) Hội nghị khoa học cơng nghệ trường lần thứ 13 – Khoa
cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
[7] Nguyễn Văn Anh (ấp Bể Bạc, xã Cẩm Mỹ, Đồng Nai) (2014). Nghiên cứu chế tạo hệ
thống nước nóng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình. [Truy cập ngày 3/11/2016].
[8] SONHA. Nguyên lý hoạt động của Máy nước nóng năng lượng mặt trời.

[Truy cập
ngày 15/09/2016].
[9] Chi tiết kỹ thuật và cấu tạo của bình nước nóng năng lượng mặt trời. BINHNUOCNONG.VN [Truy cập
ngày 15/09/2016].
[10] Kim Yến. Lịch sử của máy nước nóng năng lượng mặt trời. [2/5/2010].
ASHUI.COM. [Truy cập ngày 15/09/2016].
[11] Thanh Xuân. Hiểu và sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời đúng cách.
[23/09/2015]. VNEEP). />[Truy cập ngày 15/09/2016].
LÊ PHƯỚC TRÍ - NGUYỄN PHƯỚC HẬU
ĐOÀN THỊ XUÂN LOAN - NGUYỄN NỮ HOÀNG ANH
SV lớp VLTT4, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế ĐT: 0165 962 2762,
Email: