Bài giảng - Cơ điện nông nghiệp-chương 6 pptx

130

Chương 6

NĂNG LƯỢNG MỚI

6.1. NĂNG LƯỢNG M ẶT TRỜI

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, không có khí thải, không
gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có những nhược điểm cơ
bản là phân tán (mật độ năng lượng rất thấp) và không liên tục (không thu được vào
ban đêm và lúc trời mưa).

Việt Nam là nước nhiệt đới có số giờ chiếu nắng cao. Vì vậy, sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời để bổ sung cho nhu cầu năng lượng chung của đất nước sẽ có tầm
quan trọng rất lớn. Từ Nghệ Tĩnh trở ra có từ 1700 đến 1800 giờ nắng/năm và tổng
lượng bức xạ có từ 100 đến 120 kcal/cm
2
. năm. Từ Đà Nẵng trở vào có từ 2000 đến
2500 giờ nắng/năm với tổng lượng bức xạ tương đối cao, từ 125 đến 175
kcal/cm
2
.năm.

Các biện pháp thu năng lượng mặt trời phục vụ sản xuất, đời sống là:
- Chuyển bức xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật nhờ thực hiện quá trình quang
hợp (trồng cây làm chất đốt, trồng cây lấy hạt có dầu, )
- Chuyển bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ các pin mặt trời (sử dụng hiệu
ứng quang điện biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành dòng điện).
- Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng (hiệu ứng quang nhiệt), đây là
phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời. Trong nhiều

thiết bị, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 60%. Nhiệt năng tạo thành có thể sử dụng
cho nhiều mục đích như nấu nướng, đun nóng nước hay các chất lỏng khác, sấy các sản
phẩm, làm lạnh và điều hòa không khí.

6.1.1. Điện năng từ năng lượng mặt trời

Việc tranh luận về những nguồn năng lượng mới để bổ sung vào những dạng
năng lượng đã biết càng trở nên sôi động trong những năm gần đây, khi nguồn nhiên
liệu dầu mỏ ngày càng khan hiếm. Người ta đang mong đợi vào những dạng năng
lượng sạch, có tiềm năng lớn nhưng ít được khai thác. Điện mặt trời có thể đáp ứng
những mong đợi đó, do có tính đơn giản của hệ thống, không cần chăm sóc bảo dưỡng,
không làm hại môi trường và khả năng ứng dụng rộng rãi.

Gần đây xuất hiện nhiều hệ thống pin mặt trời đã được thử nghiệm, làm việc
chắc chắn đối với các ứng dụng khác nhau trong một phổ công suất rộng sau đây:
- Các máy phát mini cho đồng hồ và máy tính bỏ túi ở vùng mili oát.
- Các hệ thống cung cấp điện nhỏ ở gia đình hoặc lều trại ở vùng Oát.
131

- Các hệ thống cung cấp điện cho làng xã hoặc các hệ thống bơm nước trong
vùng kiloOát.
- Các trạm phát điện mặt trời liên kết với lưới điện trong vùng mêgaOát.

Tất cả các hệ thống này phụ thuộc vào sự cung cấp năng lượng mang tính thay đổi
của mặt trời nên việc đánh giá tính kinh tế theo vùng sử dụng có ý nghĩa quyết định.

Nhiều nơi trên thế giới đang hình thành các khu nhà, thành phố sử dụng năng
lượng mặt trời. Ví dụ, ở Ota, thành phố nhỏ nằm phía Nam thủ đô Tokyo của Nhật
Bản, tất cả 550 căn nhà đều có mái là các panen pin mặt trời nối với hệ thống ắc quy,
đủ cung cấp điện cho cả ngày và đêm. Ở Anh, đã xây dựng các khu nhà sinh thái chỉ

dùng năng lượng tự nhiên, và đang có đề án xây dựng khu toà tháp chỉ dùng năng
lượng mặt trời cho hàng nghìn cư dân sinh sống.

6.1.1.1 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời

























Hình 6.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Mặt trời

lớp p

lớp n

tiếp xúc p-n

Bước 4

phôton

tải điện

điện trở tự do

điện tích dương

điện tích âm

Bước 1

Bước 2

Bước 3

dương tính

lớp n

lớp p

lớp n

tiếp xúc p-n

lớp p

âm tính

Prôton

Điện tử

Điện tử tự do

Lỗ trống

132


Nhờ hiệu ứng quang học đã biết, năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển đổi
trực tiếp thành năng lượng điện trong pin mặt trời. Cơ sở của nguyên lý là các cơ cấu
vật lý điện tử trong kỹ thuật transitor của vật liệu bán dẫn.

Pin silic tinh thể là một đĩa dày khoảng 250µm có pha thêm Bor, mặt trước của
đĩa chứa phosphor khuếch tán với độ sâu khoảng 0,3µm phosphor tác động trong lớp
mỏng silic tạo ra một lượng dư electron dẫn, nhờ đó lớp này trở thành lớp dẫn. Ở phần

còn lại của đĩa được tạo ra một lượng dư lỗ trống, do đó trở thành lớp dẫn p. Mặt trước
của đĩa silic có tiếp xúc dạng ngón với kim loại, nhờ đó có thể cho ánh sáng đi vào
nhiều nhất. Mặt sau tiếp xúc với kim loại trên toàn bề mặt. Bề mặt được phủ một lớp
chống phản xạ để giữ hao tổn phản xạ ở giá trị nhỏ.

Ánh sáng mặt trời chiếu vào tạo ra các mặt electron-lỗ trống. Mật độ các cặp
electron-lỗ trống phụ thuộc vào cường độ và sự hợp phổ của ánh sáng chiếu vào. Các
điện tử và lỗ trống khuếch tán qua tinh thể và được tách ra nhờ tương tác của vùng
phân cách. Các electron được dẫn về mặt trước còn các lỗ trống được dẫn về sau.












Hình 6.2. Cấu tạo của một tấm pin mặt trời

Dòng quang điện phụ thuộc vào:
- Số cặp electron-lỗ trống được tạo ra
+ Sự hấp thụ ánh sáng
+ Sự hụt năng lượng giữa lớp hóa trị và lớp dẫn (Eg)
- Sự tách các cặp electron- lỗ trống nhờ điện trường nội tại.
+ Độ dài khuếch tán
+ Hiệu suất góp phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu.

Sự biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện không đạt được 100% do còn có
những hao tổn sau: Hao tổn phản xạ, năng lượng không đủ của các phôton chiếu tới,
hao tổn nhiệt bởi các phôton có năng lượng quá cao, sự liên kết lại của các cặp
electron-lỗ trống và hao tổn điện trong pin. Hiện nay đối với các pin mặt trời silic tinh
L
ớp các pin mặt trời đ
ã hàn ghép
đi
ện

T
ấm keo EVA

T
ấm kính phía tr
ên

T
ấm keo EVA

Tấm đáy

133

thể đã đạt được trong phòng thí nghiệm hiệu suất trên 20%, trong chế tạo hàng loạt đạt
hiệu suất khoảng 14% với điện áp hoạt động 0,5 vôn và dòng điện 30mA/cm
2
. Để đạt
được điện áp cao cần phải nối tiếp nhiều mảng pin với nhau thành một panen pin mặt

trời với điện thế tiêu chuẩn.

6.1.1.2. Các dạng pin mặt trời

Có thể phân chia khái quát thành hai loại pin mặt trời, đó là loại lớp dày và loại
lớp mỏng.

* Pin mặt trời lớp dày:
Trên cơ sở nghiên cứu, các pin mặt trời lớp dày chế tạo từ silic tinh thể đang được
phổ biến rộng rãi. Người ta chia nó làm hai loại: Pin mặt trời silic đơn tinh thểvà pin
mặt trời silic đa tinh thể.

Các pin mặt trời silíc đơn tinh thể được chế tạo hàng loạt, có hiệu quả cao. Đối
với một pin mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25
0
C, công suất bức xạ G =
1000W/m
2
, phổ bức xạ/khối lượng không khí = 15) có hiệu suất khoảng 13-16%.

Kỹ thuật chế tạo pin mặt trời silic đa tinh thể được mô tả như sau: silic lỏng,
tinh thể được rót và làm lạnh thành khối có chiều dài cạnh đến 40cm. Nhờ đó tạo ra
một số lượng giới hạn các tinh thể được định hướng. Các khối sau đó được cắt tương
ứng với hướng tinh thể có chiều dài 10-15cm và tiếp tục thành đĩa (tấm) có chiều dày
0,4mm. Pin silic đa tinh thể có quá trình chế tạo đơn giản và có chi phí giảm thiểu nên
có hiệu suất quang điện thấp, chỉ đạt 10-12%.

Hình 6.3
Mặt cắt panen
pin mặt trời









Tấm kính phủ phía trên
Tấm keo EVA
Lớp pin mặt trời

Tấm keo EVA
Tấm đáy

134

* Pin mặt trời lớp mỏng

Quá trình chế tạo các pin mặt trời cực mỏng từ silic vô định hình có chiều dày
lớp khoảng 1µm, được gọi là pin mặt trời lớp mỏng.

Nhờ quá trình tách pha khi ở 150
0
C được các lớp silic vô định hình dày khoảng

1µm. Do có tính chất hấp thụ đặc biệt so với silic tinh thể mà các lớp vô định hình cực
mỏng có thể hấp thụ hoàn toàn các phôton.

Đối với pin mặt trời chế tạo từ chất bán dẫn liên kết, các lớp hoạt tính của nó là
hỗn hợp của các vật liệu bán dẫn khác nhau, thí dụ galli-arsen, cadmiunfid-đồng
sunfid, đồng-indi-selen hoặc silic-germani, trong đó pin mặt trời lớp mỏng chế tạo từ
bán dẫn liên kết đồng-indi-selen (CiS) có triển vọng phát triển nhất. Ưu thế cơ bản so
với silic tinh thể (lớp dày) của loại này là có kết cấu lớp rất mỏng (2 đến 3µm), điều
này cho khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn.

6.1.1.3 Cấu tạo chung một hệ thống điện mặt trời

Một hệ thống pin mặt trời cần có các bộ phận phù hợp sao cho năng lượng điện
tạo ra có thể được chuyển đổi, lưu trữ và sử dụng một cách tối ưu. Cấu tạo chung một
hệ thống pin mặt trời bao gồm:

- Nguồn điện mặt trời (từ một hay nhiều môđun)
- Acqui
- Bộ điều chỉnh nạp
- Phụ tải

Hình 6.4

Cấu tạo của một hệ thống
điện mặt trời (12V, một chiều)

Sử dụng hệ thống điện mặt trời rất có ý nghĩa trong những điều kiện nhất định:
- Phù hợp các vùng có thời gian nắng nhiều trong năm.
- Ở những nơi không có lưới điện.

6.1.2. Nhiệt năng từ năng lượng mặt trời (quang nhiệt)

Biến đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt năng là một phương pháp hiệu quả nhất
trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời. Sự chuyển đổi năng lượng mặt trời có thể
thực hiện với hiệu suất cao nhờ các bộ góp nhiệt (các colector) ở nhiệt độ thấp và cần
chi phí chế tạo không lớn. Trong nhiều thiết bị, hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên
135

60%. Nhiệt năng tạo thành có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như nấu
nướng, đun nóng nước hoặc các chất lỏng khác, sấy nông sản hoặc sản phẩm công
nghiệp, làm lạnh hoặc điều hòa không khí.

6.1.2.1. Nguyên lý chuyển hóa quang nhiệt

Các biện pháp nhằm chuyển bức xạ mặt trời sang nhiệt năng gọi là quá trình
chuyển hóa quang nhiệt. Quá trình này dựa vào một trong hai nguyên lý sau:

* Nguyên lý hội tụ bức xạ tiêu điểm, gồm hội tụ theo điểm và hội tụ theo đường
- Loại hội tụ theo điểm là các thiết bị dùng gương cầu lõm có dạng paraboloit
tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao, nhờ vậy tập trung ở tiêu điểm nhiệt độ từ vài
trăm đến trên 3000
0
C. Người ta đã ứng dụng và đưa vào sản xuất một loại bếp kiểu
này nhưng không thuận tiện vì phải đun nấu ngoài trời nắng. Tuy nhiên đối với những
người hoạt động trên sa mạc thì dùng bếp kiểu này rất thuận lợi và có hiệu quả cao.

- Loại hội tụ theo đường là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt cắt
ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ mặt trời theo đường
tiêu cự. Nếu tại đường tiêu cự đặt một ống dài cho nước đi qua thì nước sẽ được đun
nóng lên. Thiết bị chuyển hóa quang nhiệt làm việc theo nguyên lý hội tụ ít được phổ
biến do có một số nhược điểm sau:

+ Mặt phản xạ nhanh bị mờ sau thời gian làm việc do đó hiệu suất giảm nhanh.
+ Phải thường xuyên xoay mặt phản xạ theo hướng mặt trời, nếu dùng thiết bị tự
động thì giá thành cao, xoay thủ công không thuận tiện.
+ Thiết bị chỉ thu được phần trực xạ (các tia nắng trực tiếp) còn phần tán xạ thì
không thu được, nếu khi bị mây che khuất thì thiết bị không thu được năng lượng.

* Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính

Bộ phận thu nhiệt là một hộp có phần nắp đậy là vật liệu trong suốt như kính
hoặc vật liệu tổng hợp (màng mỏng polyetilen hoặc nhựa cứng), mặt đáy là kim loại
được bôi đen (có thể dùng sơn đen trộn với bồ hóng hoặc vật liệu tương tự để tạo mặt
đen không bóng). Khi bức xạ mặt trời chiếu qua mặt trong suốt thì hầu như toàn bộ phổ
bức xạ xuyên qua vào trong hộp làm nóng bề mặt bôi đen. Mặt đen hấp thụ nhiệt và
phát ra bức xạ nhiệt, nếu không có nắp trong suốt ngăn lại thì bức xạ nhiệt sẽ tản ra
môi trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở nhiệt độ không cao là 70
0
C. Nhờ
có nắp trong suốt ngăn bức xạ có bước sóng dài nên nhiệt độ trong hộp tăng cao dần.
Nếu tăng số nắp trong suốt lên hai hoặc ba lần thì nhiệt độ trong hộp càng cao. Hộp thu
nhiệt kiểu này thu được cả tán xạ khi trời có mây, không mưa.


136

Tùy thuộc vào loại vật liệu cần đốt nóng mà kết cấu dòng chuyển động của chất
mang nhiệt khác nhau. Đối với chất lỏng, dòng chuyển động có thể được thiết kế như
trên hình 6-5. Đối với chất mang nhiệt là không khí có thể bố trí dòng khí đi qua cả
phía trên và phía dưới. Nguyên lý bẫy nhiệt do đó có thể được ứng dụng để sấy khô sản
phẩm nông nghiệp hoặc để đun nước nóng.







Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý hộp thu nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính (2 lớp kính).
1- Lớp kính dưới; 2- Bề mặt đen thu nhiệt; 3- lớp kính trên; 4- Vật liệu cách
nhiệt
5- Các đường ống dẫn chất lỏng mang nhiệt; 6- Vỏ đáy hộp thu nhiệt.

Để sấy sản phẩm người ta cho không khí đi qua hộp thu nhiệt. Không khí tiếp
xúc với các phần tử hấp thụ được làm nóng lên và được đưa vào buồng sấy nhờ đối lưu
tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức. Để tăng nhiệt độ trong bộ góp nhiệt không khí có thể
áp dụng các biện pháp làm tăng diện tích hấp thụ nhiệt như dùng mặt có dạng uốn
sóng, có lá thu nhiệt,

Để đun nước, có thể cho nước chảy qua mặt dưới của bề mặt hấp thụ, có thể là
giàn ống có gắn các cánh hấp thụ nhiệt.

6.1.2.2. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc của một số thiết bị chuyển đổi quang nhiệt

* Các bộ góp nhiệt phẳng

Bộ góp nhiệt hay còn gọi là colector là bộ phận cơ bản của mọi thiết bị dùng
năng lượng mặt trời sang các dạng năng lượng hữu ích khác. Colector phẳng có mặt
hấp thụ ánh sáng là phẳng. Mặt phẳng này đồng thời là mặt hấp thụ ánh sáng và chuyển
đổi năng lượng bức xạ. Cấu trúc colector phẳng rất đơn giản, chỉ là một mặt phẳng bôi
đen đạt trên một lớp cách nhiệt. Do tính chất hấp thụ ánh sáng của vật đen, nó có thể
nóng lên đến 60 - 70
0
C. Sau đó nếu vẫn tiếp tục được chiếu sáng, mặt hấp thụ sẽ
không nóng lên nữa, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được gọi là nhiệt độ cân bằng.

Sở dĩ nhiệt độ dừng lại ở nhiệt độ cân bằng là do khi nóng lên chính mặt hấp thụ
lại trở thành vật bức xạ hồng ngoại đồng thời lại còn truyền nhiệt ra môi trường (nếu có
nhiệt độ thấp hơn) theo cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu. Như vậy ở nhiệt độ cân bằng năng
lượng nhận vào đúng bằng năng lượng thải ra. Muốn tăng nhiệt độ cân bằng hoặc phải
1
2 3
4 5 6
137

tăng mật độ dòng năng lượng tới hoặc giảm hao tổn nhiệt năng bằng cách đặt lên mặt
bôi đen một vài lớp che trong suốt thích hợp.

Các lớp che trong suốt cho bức xạ mặt trời đi qua dễ dàng song lại cản bức xạ
hồng ngoại phát ra từ vật do đó có tác dụng như là một bẫy nhiệt. Nhờ bố trí các nắp
che trong suốt mà nhiệt độ cân bằng có thể lên tới 90 - 100
0
C. Ngoài ra để tăng hiệu
quả của mặt hấp thụ có thể uốn thành dạng gợn sóng hoặc sử dụng chất bôi đen đặc
biệt gọi là chất hấp thụ chọn lọc. Các loại mặt hấp thụ này sẽ hấp thụ rất mạnh bức xạ

có bước sóng thuộc giải phổ ánh sáng mặt trời song lại bức xạ hồng ngoại ít hơn nhiều
so với mặt hấp thụ bôi đen bằng vật liệu thông thường ở cùng nhiệt độ. Do đó cân bằng
năng lượng nằm ở nhiệt độ khoảng 170 - 180
0
C.

Nhìn chung colector phẳng có nhiệt độ làm việc không cao nhưng rất dễ chế tạo
và có giá thành rẻ, sử dụng dễ dàng, làm việc được cả trong điều kiện bức xạ trực tiếp
hay khuếch tán.

*. Bộ góp nhiệt zic-zắc

Để khắc phục nhược điểm của colector phẳng người ta đã thiết kế loại colector
zic zắc gồm các lá kim loại bôi đen ghép lại với nhau. Nhờ vậy colector zic zắc có thể
bẫy hầu hết các tia nắng kể cả lúc sáng sớm và khi chiều muộn, do đó nó có thể cấp
nhiệt lâu hơn theo thời gian trong ngày. Cấu trúc của colector zic zắc làm giảm mạnh
dòng nhiệt đối lưu làm giảm hao tổn nhiệt và tạo điều kiện truyền nhiệt lớn nhất cho
chất mang nhiệt.

*. Các bộ góp nhiệt hội tụ

Khi mặt nhận là mặt phản xạ (không phải là mặt hấp thụ) tập trung bức xạ về
một điểm (vùng hẹp) hoặc một dải thì đó là một colector hội tụ. Muốn sử dụng năng
lượng bức xạ cần đặt một vật hấp thụ tại vùng tập trung ánh sáng. Người ta thường gọi
mặt nhận là bộ phản xạ hay bộ hội tụ, còn vật hấp thụ là bộ nhận, lúc đó colector hội tụ
được hiểu là tổ hợp của bộ nhận và bộ hội tụ. Bộ hội tụ đảm nhận việc tập trung dòng
năng lượng còn bộ nhận chuyển đổi dòng năng lượng thành dạng năng lượng thích
hợp. Colector với bộ hội tụ dạng mặt tròn xoay có độ hội tụ cao, có nghĩa là có tỉ số
giữa diện tích qui phẳng của mặt hội tụ với diện tích hấp thụ của mặt nhận cao. Do đó
cho phép nhiệt độ có thể tăng tới hàng ngàn độ, song như đã phân tích loại này khó chế

tạo và sử dụng.

Colector trụ có mặt phản xạ là mặt trụ có độ hội tụ trung bình, tập trung bức xạ
thành một dải sáng với nhiệt độ khoảng 350 - 500
0
C. Colector trụ có rất nhiều ưu
điểm: dễ chế tạo và qui mô lớn. Nếu colector đủ dài có thể đặt theo một hướng xác
định, không đòi hỏi điều chỉnh thường xuyên, phần mất mát năng lượng không đáng
kể. Hiện nay có nhiều phương án sử dụng năng lượng mặt trời trên qui mô lớn đã đề
138

cập đến colector hội tụ. Đặc biệt để đun nước, colector hội tụ dùng rất thích hợp và cho
hiệu suất cao (60 - 70%), vì có thể sử dụng dễ dàng hiệu ứng lồng kính với bộ nhận.
Theo số liệu thực nghiệm cho thấy với một colector trụ có diện tích hứng nắng qui
phẳng 1m
2
vào ngày nắng trung bình có thể đun sôi 3 lít nước trong thời gian 20 - 30
phút. Thiết bị có thể hoạt động từ 8 giờ sáng đến 16 giờ chiều và đạt năng suất 50 - 60
lít/ngày.

6.1.2.3. Ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy nông sản

*. Đặc tính của các collector không khí

Để sử dụng năng lượng mặt trời trong lĩnh vực sấy khô sản phẩm, năng lượng
mặt trời thường được chuyển đổi thành dòng nhiệt năng của chất mang nhiệt là không
khí. Không khí mang nhiệt được đưa đến các bộ phận sấy (trực tiếp hoặc gián tiếp) để
làm khô sản phẩm. Đảm nhận việc trao nhiệt là các collector không khí. Các collector
không khí được thiết kế khác nhau sẽ cho hiệu suất khác nhau. Hiệu suất của collector
không khí phụ thuộc vào vật liệu, khả năng hấp thụ, độ cách nhiệt và do đó sẽ phụ

thuộc giá trị hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt k, nếu k < 5 w/m
2
sẽ cho hiệu suất
cao với khoảng nhiệt độ rộng.

Với nhiệt độ thấp của dòng không khí, các collector đơn giản rất phù hợp với
việc sấy hạt nông sản. Các kiểu máy sấy loại này có hiệu suất cao ứng với độ chênh
lệch nhiệt độ và độ ẩm môi trường nhỏ.

Các collector có lớp kính kép, vỏ được che phủ, thậm chí có cách nhiệt chân
không cũng không thể hoạt động tốt hơn trong dãy nhiệt độ thấp do việc mất mát nhiệt.
Tuy nhiên, chúng lại làm việc có hiệu quả hơn trong khoảng nhiệt độ cao. Do đó các
loại collector phức tạp, đắt tiền rất phù hợp cho việc làm nóng ngoài công việc sấy hạt.

Đối với việc sấy hạt nông sản, theo các kết quả nghiên cứu có thể chấp nhận
được hao tổn áp suất dòng khí qua collector ở khoảng 30- 40mm cột nước.

*. Sấy bằng năng lượng mặt trời

Ứng dụng năng lượng mặt trời để sấy khô đã được sử dụng từ lâu đời. Sản phẩm
thường được rải thành lớp mỏng phơi dưới nắng mặt trời. Ban ngày sản phẩm được
đảo trộn định kỳ, ban đêm được che phủ nhằm đạt được độ khô đồng đều và rút ngắn
thời gian sấy. Phương pháp này thường kéo dài từ 2 đến 8 ngày. Sản phẩm sau khi sấy
thường bị nhiễm bẩn và bị vi khuẩn, nấm, mốc xâm nhập. Việc sấy bằng năng lượng
mặt trời trong hộp được che đậy sẽ cải thiện được hiệu suất sấy và chất lượng sản
phẩm cũng như tiết kiệm lao động. Bộ phận sấy bằng năng lượng mặt trời đơn giản là
một hộp được che bằng tấm nắp trong suốt, tuy nhiên trong nhiều trường hợp bộ phận
sấy kiểu này không tạo đủ cường độ sấy.
139

Nước

ngọt ra


Nước
biển
vào

Mực
nư
ớc

Khay
ch
ứa

Lớp cách
nhi
ệt


Kính


Sấy khô nhờ năng lượng mặt trời với dòng không khí đối lưu tự nhiên. Trong hệ
thống sấy kiểu hút, vật liệu sấy được sử dụng như một collector. Không khí nằm giữa
những lỗ hổng của sản phẩm của lớp trên cùng được làm nóng lên. Một phần năng
lượng của không khí đi qua sản phẩm làm bốc hơi nước. Do nhiệt độ ở cửa ra của
không khí mặc dù đã giảm song vẫn còn cao hơn nhiệt độ môi trường nên được hút qua

ống thải.

6.1.2.4. Sử dụng năng lượng mặt trời để chưng lọc nước mặn

Người ta ước lượng mức sử dụng nước ngọt cho sinh hoạt ở nông thôn các vùng
nhiệt đới là 20- 50 lít/ ngày/ người. Việc chưng lọc nước (ngọt và mặn) có thể góp phần
vào việc cung cấp nước sạch sinh hoạt cho các vùng khó khăn.
















Hình 6.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị lọc nước bằng năng lượng mặt trời kiểu 2 mái
Phương pháp phổ biến cho các thiết bị lọc nước là sự bay hơi, thẩm thấu ngược
chiều. Thiết bị lọc nước mặn đã được biết đến khoảng trên 100 năm nay với rất nhiều
kết quả lý thuyết và thực hành.

Việc lọc nước mặn bằng năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý bay hơi và
ngưng đọng chất lỏng, (hình 6.6).

Nhiệt lượng chuyển pha nước trong cả hai trường hợp là như nhau và bằng 2430
kJ/kg. Năng lượng bức xạ mặt trời đưa đến một phần được hấp thụ bởi thảm, phần hao
tổn do đối lưu, phần phản xạ và một phần hao tổn dẫn nhiệt. Thất thoát nhiệt chủ yếu là
bức xạ nhiệt từ mặt nước tới nắp bể lọc và bức xạ phản xạ từ đáy nước tới nắp hầm.
Mất nhiệt do dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt tới môi trường xung quanh. Hiệu suất của bể
lọc nước mặn bằng năng lượng mặt trời khoảng 30%.
140





















Hình 6.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị lọc nước kiểu bấc thấm

Kiểu bể lọc một hố phẳng là một kiểu thiết kế phổ biến. Nước được làm nóng
bằng các tia mặt trời chiếu vào, bốc hơi và ngưng tụ lại dưới mái che trong suốt. Nước
ngưng chảy theo mái, rơi xuống rảnh gom và được bơm lên bể chứa. Độ sâu của nước
ở trong hố là 3- 5cm. Với kiểu thiết bị này lượng nước được lọc tính cho 1m
2
hấp thụ
nhiệt là 3 lít/ngày

Thiết bị bốc hơi bằng năng lượng mặt trời kiểu bấc thấm hấp thụ năng lượng
mặt trời tốt hơn, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn và có tốc độ lọc nước cao hơn 5 lit/ngày.
m
2
.

6.2. NĂNG LƯỢNG TỪ VẬT LIỆU SINH HỌC - BIOMASS

6.2.1 Khái niệ m về Biomass

Việc sử dụng năng lượng từ Biomass như gỗ, củi khô, cây cỏ, rơm rạ, phân
khô đã biết đến từ lâu. Tuy nhiên Biomass đã bị quên lãng do sự lấn át của các loại
thiết bị chuyển đổi năng lượng cả về phương diện kỹ thuật, công nghệ lẫn tính kinh tế.
Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích được lấy ra từ khối lượng Biomass trên trái đất gấp
khoảng 6 lần nhu cầu năng lượng hiện nay trên thế giới. Tuy nhiên để có thể thay thế
nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng từ Biomass là một vấn đề lớn và lâu dài. Hiện
Năng lư
ợng

mặt trời

Tấm phủ
Máng
ch
ứa

Cách nhiệt

Bậc thấm
Tấm hấp thụ nhiệt
Ống phân

phối nước
Nước vào
Nước ngọt

Nước thải
141

nay sản xuất năng lượng từ những chất thải hữu cơ chỉ có ý nghĩa bổ sung vào nguồn
năng lượng chính (dầu mỏ, khí đốt và than đá) và có ý nghĩa lớn hơn về môi trường.

Nói chung Biomass có thể chế biến thành các dạng nhiên liệu rắn, nhiên liệu
lỏng và nhiên liệu khí, không kể đến việc sử dụng dạng trực tiếp làm củi đun, nhóm
lò Vật liệu phế thải từ công nghiệp chế biến gỗ, các xenlulô phế thải từ nông - lâm
nghiệp có thể dùng để chế biến thành nhiên liệu rắn hoặc khí. Các cây có dầu như cọ
dầu, lạc, đậu tương, cây chứa đường hoặc tinh bột có thể làm nguyên liệu để sản xuất
nhiên liệu lỏng và dầu bôi trơn. Các chất thải hữu cơ của cây công nghiệp, thực phẩm
hoặc cây xanh nhờ phân hủy yếm khí từng phần thành khí sinh vật - Biogas. Biogas có
thể dùng để đun nấu hoặc sử dụng cho động cơ nhiên liệu khí sau khi đã tách lưu
huỳnh.

Nhờ chuyển đổi nhiệt nghèo ôxy, từ nhiên liệu rắn có thể sản xuất ra một hỗn
hợp khí đốt có nhiệt trị tương đối thấp gọi là khí yếu. Nếu sử dụng ôxy trong không khí
dẫn vào lò hóa khí thì tạo ra được một loại hỗn hợp khí có thành phần theo thể tích như
sau:

10 - 15%H
2
; 20 - 30%CO; 2 - 15%CO
2
; 0 - 4%CH
4
; 40 - 60%N
2


Nếu sử dụng không khí giàu ôxy hoặc ôxy tinh khiết để hóa khí nhiên liệu rắn
thì có thể giảm hoặc loại bỏ thành phần Nitơ, thành phần "loãng" khí đốt sản xuất ra.


6.2.2. Sản xuất năng lượng từ Biogas

6.2.3.1 Khái niệm chung về Biogas

Biogas là sản phẩm của quá trình lên men phân động vật và các loại phế thải
hữu cơ khác. Thành phần chủ yếu của Biogas gồm khoảng 55-70% Metan, 45-30%
CO
2
và một phần nhỏ chất lưu huỳnh. Quá trình lên men vật liệu hữu cơ để tạo thành
Biogas bao gồm ba giai đoạn sau:

- Giai đoạn thứ nhất: Dưới tác dụng của các enzym thủy phân, các chất hữu cơ
phân tử lớn được phân giải thành các chất hữu cơ phân tử nhỏ (axit béo, axit amin).
- Giai đoạn thứ hai: Dưới tác dụng của các vi khuẩn tạo axit, các chất hữu cơ
phân tử nhỏ được phân giải thành các axit béo dễ bay hơi.
- Giai đoạn thứ ba: Các axit béo dễ bay hơi được chuyển hóa thành khí Metan
(CH
4
) và khí Cacboníc (CO
2
) nhờ các vi khuẩn sinh metan (Metanogen).

Trong đó giai đoạn thứ hai và giai đoạn thứ ba xảy ra dưới điều kiện yếm khí
chặt chẽ (kín hoàn toàn), người ta chia quá trình lên men sinh metan thành hai pha như
sau:
142

- Pha không kỵ khí (giai đoạn 1), các nguyên liệu để tạo Biogas được ủ ở bể hở.
- Pha kỵ khí (giai đoạn thứ hai và thứ ba), quá trình sinh metan xảy ra trong
không gian kín hoàn toàn.

Do vậy, để tạo thành Biogas người ta thiết kế hầm ủ cho cả hai pha của quá trình
lên men (hai pha hỗn hợp hoặc có vách ngăn hai pha) hoặc ủ nguyên liệu ở bể hở
khoảng một tuần cho pha không kỵ khí rồi mới chuyển sang hầm kín, như vậy sẽ giảm
được thể tích của bể ủ kín.

Sự tạo thành Biogas do hai nhóm vi khuẩn metanogen khác nhau đảm nhận,
hoặc xảy ra ở 30-35
0
C (mesophil) hoặc xảy ra ở 55-60

0
C (thermophil). Trong cả hai
trường hợp cần thiết phải làm nóng nguyên liệu. Bên cạnh yêu cầu bảo đảm thời gian
phân hủy đủ dài để khai thác hết Biogas (không ít hơn 20 ngày) và giữ đúng độ pH ở
khoảng trung tính còn yêu cầu nguyên liệu phải được giàn đều trong hầm phản ứng.
Việc giàn đều nguyên liệu nhằm giữ đúng sự đối xứng sinh học giữa các vi khuẩn
acetogen và metanogen cần thiết cho quá trình tạo thành Biogas.

6.2.3.2 Nguyên liệu để sản xuất Biogas

Nguyên liệu để sản xuất Biogas có thể là phân động vật, cây cỏ, rơm rác, rau,
củ, quả bỏ đi, phế thải hữu cơ ở các đơn vị sản xuất thực phẩm, các bếp ăn

Đối với sự phân hủy về mặt nguyên lý thì các vật liệu chứa nhiều nước sẽ phù
hợp nhất. Nhiệt trị của Biogas khi đốt cháy giảm đi khi hàm lượng nước tăng. Việc
thủy phân yếm khí xảy ra tốt nhất khi tỷ lệ C/N trong vật liệu nằm ở khoảng 30, vi
khuẩn trong quá trình lên men sử dụng C nhanh hơn N đến 30 lần.

Việc tận thu Biogas còn phụ thuộc mạnh vào loại vật liệu đưa vào phản ứng.
Một số chất có thể không thủy phân được như trấu , độ chứa N và C có thể thay đổi
theo tuổi và điều kiện phát triển của thực vật hoặc mức độ ăn uống, tuổi, chế độ nuôi
nhốt của súc vật. Khả năng khai thác Biogas còn chịu tác động của thời gian ủ. Nói
chung thời gian ủ tăng sẽ làm tăng khả năng khai thác Biogas.

6.2.3.3 Các bộ phận chính của hệ thống sản xuất Biogas

- Bể nạp liệu: là nơi thu nhận nguyên liệu và pha trộn thành dung dịch lỏng tỷ lệ
50% với nước. Mức dung dịch tại bể nạp liệu là cao nhất rồi đến mức dung dịch của bể
tạo áp và mức thấp nhất là trong hầm phân hủy.

- Hầm phân hủy (hầm phản ứng Biogas), ở đó xảy ra quá trình tạo khí. Hầm
phân hủy là một thiết bị lưu giữ nạp liệu hàng ngày hoặc là thiết bị lưu chuyển với nạp
liệu định kỳ đảm bảo sinh khí liên tục, cũng có thể hoạt động theo mẻ. Hầm phân hủy
cần hoàn toàn kín và có năng suất tạo khí biogas phụ thuộc dung tích của hầm. Phần
143


9
4

3
3
trên của hầm chứa khí, phần dưới chứa dung dịch phân hủy. Khi quá trình sản xuất khí
đã hoàn thành chất liệu đã phân hủy được lấy ra qua cửa thông với bể tạo áp.

- Bể tạo áp: có mức dung dịch cao hơn hầm phân hủy nhằm tạo ra áp suất khí
Biogas trong hầm phân hủy trong khoảng 1,2-1,4 kG/cm
2
, thông qua cửa nối phía dưới
dung dịch. Bể tạo áp cũng là nơi lấy chất thải ra sau phân hủy (chủ yếu là nước và các
chất vô cơ còn lại).

- Van và đường ống dẫn khí gas đến nơi tiêu thụ (bếp đun gas, chạy động cơ khí
gas, thắp sáng bằng đèn khí )

6.2.3.4 Một số mẫu hầm biogas phổ biến

Hầu hết các loại hệ thống Biogas có bể nạp liệu và bể tạo áp có cấu tạo, nguyên
lý làm việc cơ bản giống nhau, chỉ khác về kết cấu của bể phân hủy.

- Loại hầm nắp nổi: Loại này có phần chứa khí dạng vòm kín ở phía trên bể
phân hủy, khi làm việc phần nắp vòm có xu hướng nổi trên dung dịch. Nắp hầm thường
dùng vật liệu nhẹ như composít hoặc tôn, chất dẻo. Áp suất trong hầm phụ thuộc diện
tích mặt thoáng của dung dịch và khối lượng của nắp.

- Loại túi khí: Phần chứa khí dạng bao kín đặt rời với bể phân hủy gọi là túi khí.
Túi khí thường dùng là các loại bao chất dẻo hoặc thùng kim loại, composit. Loại này
thường dùng ở các vùng thấp lụt. Tuy nhiên túi khí mau hư hỏng do ngoại cảnh.

- Loại nắp cố định: Hầm và nắp hầm được xây dựng liền bằng bê tông, gạch,
vữa trát kín phần chứa khí. Trên vòm có ống nối kín dẫn khí gas ra ngoài.











Hình 6.8 Sơ đồ hệ thống biogas nắp cố định kiểu vòm cầu

Hầm phân hủy nắp cố định có nhiều loại, song phổ biến hơn cả là loại vòm cầu
và vòm trụ do có nhiều ưu điểm như: tự phá váng, bền vững và dễ xây dựng.

144

Lượng nạp liệu hàng ngày phụ thuộc dung lượng cũng như khả năng phân hủy

của hầm. Hầm cần xây chìm trong đất để ổn định nhiệt độ trong hầm và dễ nạp liệu
(chất thải từ nền chuồng trại chảy vào thuận lợi). Người sử dụng cần tuân thủ quy trình
công nghệ chặt chẽ để bảo đảm sự ổn định của hệ thống biogas. Với dung tích hầm
khoảng 6-8 m
3
là đủ lượng khí đốt cho một nông hộ trong đun nấu hàng ngày (sử dụng
chất thải của 3-6 người và 5-10 đầu gia súc).

ơ6.3. CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÁC
Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống từ khoáng vật được con người khai
thác và sử dụng với số lượng lớn (than đá, dầu mỏ ), gần đây do thiếu hụt năng lượng
nên nhiều quốc gia quan tâm nhiều đến các nguồn năng lượng mới có tiềm năng lớn
chưa được khai thác. Trong các nguồn năng lượng mới, ngoài năng lượng mặt trời,
năng lượng từ Biomass, còn có các nguồn năng lượng khác, đó là năng lượng dòng
chảy của các sông suối, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và thủy triều, năng
lượng địa nhiệt.
6.3.1 Năng lượng dòng chảy của các sông suối:
Động năng của dòng chảy các con sông đã trở thành nguồn năng lượng thủy
điện chiếm đến 40% công suất phát điện trên thế giới. Đây là nguồn năng lượng sạch
và có giá thành rẻ so với nhiệt điện. Những nhà máy thủy điện hiện nay đang đứng đầu
về công suất phát điện, từ vài trăm Oát đến vài triệu kW.
6.3.2 Năng lượng gió:
Do sự thay đổi khí hậu theo mùa của các vùng lục địa và biển tạo thành gió.
Nhiều quốc gia đã sử dụng sức gió để phát điện như Hà Lan, Mỹ, Úc. Người ta sử
dụng các tuốc bin cánh quạt để phát điện ở những vùng có gió mùa đi qua ổn định.
Hiện nay đã có những tuốc bin phát điện công suất lên đến hàng nghìn kW.
6.3.3 Năng lượng sóng biển và thủy triều:
Các quốc gia phát triển (Anh, Mỹ, Nhật, Pháp) đang triển khai nhiều mô hình
thiết bị sử dụng sóng biển để phát điện. Các nguyên lý đã được thử nghiệm như:
“tường chắn sóng”, “rồng biển”, “con lắc sóng”, “cá mập” đã làm tiền đề cho nhiều dự

án lớn về xây dựng các nhà máy phát điện bằng sóng biển. Gần đây, Mỹ và Anh là hai
quốc gia đi đầu trong nghiên cứu ứng dụng dòng chảy của các dòng hải lưu và thủy
triều để phát điện.
6.3.4 Năng lượng địa nhiệt
Sự chênh lệch nhiệt độ từ mặt đất với độ sâu vài km trong lòng đất lên đến hàng
trăm độ C. Vấn đề sử dụng nguồn nhiệt này cũng đang được nhiều phòng thí nghiệm
trên thế giới đặt ra và trong tương lai gần sẽ có những trạm thu nhiệt theo nguyên lý
tuần hoàn nước được sử dụng ở các vùng phù hợp.
Năng lượng mới là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và
có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo của nó. Hiện nay, một số công nghệ sử dụng
145

năng lượng mới đòi hỏi chi phí cao nhưng với sự phát triển của khoa học và công nghệ,
thì năng lượng mới sẽ nhanh chóng được hoàn thiện và giá thành sẽ giảm dần. Ngoài
ra, do sự cạn kiệt của năng lượng hoá thạch nên cơ hội cạnh tranh của năng lượng mới
là một hiện thực. Cùng với nhiều chính sách mới của Nhà nước, hy vọng trong thời
gian tới, Việt Nam sẽ là một trong những nước phát triển mạnh các nguồn năng lượng
mới. Đây cũng là sự lựa chọn đúng đắn cho tương lai.

Lời nói đầu

Bài giảng Cơ điện Nông nghiệp được biên soạn theo đề cương
chi tiết thuộc khung chương trình của Dự án NUFFIC tại khoa Nông
học, trường Đại học Nông Lâm Huế.
Bài giảng Cơ điện Nông nghiệp nhằm trang bị cho sinh viên
ngành Khoa học cây trồng, Khoa học nghề vườn và sinh vật cảnh, (bao
gồm hệ dài hạn tập trung, hệ vừa học vừa làm và một số hệ khác) của
Trường Đại học Nông Lâm Huế, những kiến thức về cơ điện nông
nghiệp, giúp cho họ nắm vững vai trò, tầm quan trọng của cơ điện trong
sản xuất nông nghiệp, thấy rõ tính ưu việt của việc cơ khí hóa, điện khí

hóa các qúa trình sản xuất. Trên cơ sở đó nâng cao trình độ tổ chức,
quản lý và hiệu quả sử dụng các loại máy móc, thiết bị dùng trong nông
nghiệp. Ngoài ra, nó còn là tài liệu tham khảo đối với các cán bộ khoa
học kỹ thuật quan tâm đến lĩnh vực này.

Trong bài giảng này, có sử dụng nguồn tư liệu chính từ Giáo
trình Cơ điện nông nghiệp(2006) do PGS -TS Phan Hòa (chủ biên) và
TS Đinh Vương Hùng biên soạn.
Chúng tôi trân trọng cám ơn các bạn đồng nghiệp đã đóng góp
những ý kiến quý báu trong quá trình biên soạn bài giảng này. Chắc
chắn tập "Bài giảng Cơ điện nông nghiệp" còn có những khiếm
khuyết nhất định. Chúng tôi hy vọng nhận được nhiều ý kiến đóng góp
của bạn đọc để cập nhật và điều chỉnh được hoàn thiện hơn.


TS Đinh Vương Hùng