Thiết kế và chế tạo thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ


 

 






NGUYỄN ĐỨC THÀNH




THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG
CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ





ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

Nha Trang, Tháng 07 Năm 2013
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ


 

 






NGUYỄN ĐỨC THÀNH



THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG
CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ




ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH



GVHD: TRẦN ĐẠI TIẾN
NGUYỄN ĐÌNH KHƯƠNG




Nha Trang, Tháng 07 Năm 2013



MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2
1.1 Vị trí, cấu trúc, kích thước của mặt trời 2
1.2 Nguồn bức xạ mặt trời 3
1.2.1 Bản chất của bức xạ mặt mặt trời và bức xạ khí quyển 3
1.2.2 Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời 6
1.2.3 Bức xạ mặt trời khi trời quang 9
1.2.4 Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 11
1.2.5 Năng lượng tia bức xạ và trực xạ 12
1.2.6 Năng lượng tia bức xạ nhiễu xạ 14
1.2.7 Năng lượng tia bức xạ phản xạ 14
1.2.8 Năng lượng mặt trời tới mặt nghiêng 14
CHƯƠNG 2: NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 16

2.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 16
2.2 Một số ứng dụng của năng lượng mặt trời trên thế giới 18
2.2.1 Cao ốc văn phòng sử dụng năng lượng mặt trời 18
2.2.2 Cầu đi bộ sử dụng năng lượng mặt trời 19
2.2.3 Tàu 3 thân 19
2.2.4 Sân vận động World Games (Đài Loan) 20
2.2.5 Nhà máy điện mặt trời PS20 (Tây Ban Nha) 21
2.2.6 Hệ thống nấu ăn sử dụng năng lượng mặt trời 21
2.2.7 Nhà máy điện mặt trời sản xuất điện cả đêm 22
2.2.8 Máy bay năng lượng mặt trời 23
2.2.9 Nhà máy điện Greenough River 23
2.3 Ở Việt Nam 24
2.3.1 Tiềm năng và tình hình sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 24

2.3.1.1 Tiềm năng 24
2.3.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 29
2.3.2 Những ứng dụng ở Việt Nam 32
2.3.2.1 Bình nước nóng năng lượng mặt trời 32
2.3.2.2 Sử dụng năng lượng mặt trời cho phát điện (pin mặt trời) 38
2.3.2.3 Hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời 41
2.3.2.4 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời 43
2.3.2.5 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 44
2.2.3 Nhận xét 46
CHƯƠNG 3: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT
KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 47
3.1 Chọn phương án thiết kế 47
3.1.1 Thiết bị chưng cất nước 47
3.1.2 Thiết bị thu năng lượng mặt trời 48
3.1.2.1 Thí nghiệm sử dụng chảo thu hình parabol tròn xoay để làm sôi
nước 48

3.1.2.2 Kết luận 53
3.2 Tính toán, thiết kế thiết bị thu năng lượng mặt trời 54
3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bếp parabol 54
3.2.2 Tính toán thiết kế chảo parabol 55
3.3 Chế tạo thiết bị 56
3.3.1 Thiết bị thu năng lượng mặt trời 56
3.3.1.1 Vật liệu và dụng cụ 56
3.3.1.2 Tiến hành làm 57
3.3.2 Khung và giá đỡ 58
3.3.2.1 Vật liệu và dụng cụ 58
3.3.2.2 Tiến hành làm 58
3.3.3 Thiết bị chưng cất nước 60

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT, CHẠY THỬ VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG
SỐ KỸ THUẬT 61
4.1 Lắp đặt và chạy thử lần một 61
4.2 Chạy thử lần hai 62
4.3 Lắp thêm điện trở và chạy thứ lần ba 62
4.3.1 Lắp thêm điện trở 62
4.3.2 Chạy thử nghiệm lần ba 63
CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 64
5.1 Kết quả so sánh 64
5.2 Nhận xét và đánh giá kết quả 64
5.3 Kết luận và đề xuất 64
5.3.1 Kết luận 64
5.3.2 Đề xuất 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

1

LỜI NÓI ĐẦU
Khi xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu về mặt năng lượng lại đòi hỏi
không ngừng trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt do khai
thác quá mức. Đứng trước tình thế đó bắt buộc chúng ta phải tìm ra các nguồn năng
lượng mới để đáp ứng. Và giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời (MLMT) được
cho là giải pháp tối ưu nhất. Bởi vì năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn.
Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng
lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23°23’ Bắc đến 8°27’ Bắc,
Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Sử dụng
năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng
năng lượng truyền thống sẽ có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế và môi trường. Trong
thực tế ở Việt Nam đã có nhiều ứng dụng của năng lượng mặt trời vào cuộc sống và
sản xuất. Nhận thức được tầm quan trọng của nguồn năng lượng dồi dào từ mặt trời
nên em quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị chưng cất nước sử
dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở’’ nhằm khai thác và sử dụng năng
lượng tái tạo, giảm chi phí cho quá trình sản xuất.
Mặc dù trong quá trình quá trình thực hiện đề tài bản thân em đã có nhiều cố
gắng, xong không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong nhận được những đóng
góp, ý kiến phê bình của các thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Khương, Trần Đại Tiến và
Phòng TN-Nhiệt Lạnh đã giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án này.

Nha Trang ngày 06 tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Thành
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Vị trí, cấu trúc, kích thước của mặt trời











Hình 1.1 mặt trời
Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,86% khối
lượng của Hệ Mặt Trời. Trái Đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành
tinh, thiên thạch, sao chổi, và bụi quay quanh Mặt Trời. Ánh sáng Mặt Trời cần 8
phút 19 giây mới đến được Trái Đất. Năng lượng Mặt Trời ở dạng ánh sáng hỗ trợ
cho hầu hết sự sống trên Trái Đất thông qua quá trình quang hợp, và điều khiển khí
hậu cũng như thời tiết trên Trái Đất. Thành phần của Mặt Trời gồm hydro (khoảng
74% khối lượng, hay 92% thể tích), heli (khoảng 24% khối lượng, 7% thể tích), và
một lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê,
carbon, neon, canxi, và crom.
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng

lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở
phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên
3

mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất
trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm chừng
92,1% là Hydro và gần 7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn năng
lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân
Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydro có một hạt
mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau,
nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến
gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của
các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrino và
một lượng bức xạ γ.
4H => He + 2 Neutrino + γ
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào
các “biến cố” sau đó. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất
của mặt trời bị mất đi. Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10
6

tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi
trong thời gian hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng
qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.10
24
Kwh (tức là chưa đầy một phần triệu giây
mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng
sản xuất trong một năm trên Trái Đất).
1.2 Nguồn bức xạ mặt trời
1.2.1 Bản chất của bức xạ mặt mặt trời và bức xạ khí quyển

Bức xạ mặt trời là bức xạ điện từ do bề mặt nóng sáng của mặt trời chiếu lên
các tấm hấp thu bức xạ mặt trời đặt trên bề mặt của trái đất. Bức xạ mặt trời bao
gồm bức xa tử ngoại (tia cực tím), tia sáng thường và vùng hồng ngoại gần. Bên
cạnh bức xạ mặt trời mặt đất còn nhận bức xạ khí quyển, đó là bức xạ nhiệt do bầu
khí quyển phát ra trong vùng hồng ngoại xa của phổ điện từ.
4

Dựa vào quan hệ giữa bước sóng của bức xạ ánh sáng thường và bức xạ tia
cực tím người ta thường gọi bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn, còn bức xạ khí
quyển là bức xạ sóng dài. Bức xạ mặt trời thường có bước sóng nằm trong khoảng
0,3µm đến 3µm, bức xạ khí quyển có bước sóng nằm trong khoảng 5µm đến 50µm.
Do vậy, trong thực tế hai dãy bước sóng này sẽ không trùng nhau.

Hình 1.2. Dải bức xạ điện từ
Bên cạnh bức xạ mặt trời và bức xạ khí quyển đến từ bầu trời, một tấm hấp
thụ bức xạ còn có thể nhận bức xạ từ các vật thể khác trên mặt đất phát ra, khi ta đặt
các tấm hấp thụ gần các vật thể ấy. Bức xạ loại này gồm các sóng bước dài do bản
thân các vật thể này phát ra, và bức xạ sóng ngắn thì chúng phản chiếu lại ánh sáng
mặt trời chiếu đến chúng. Các bức xạ này rất khó tính toán theo lý thuyết, trong
thực tế chúng ta thường bỏ qua vi chúng không quan trọng lắm.
Bức xạ mặt chiếu đến bề mặt của trái đất có thế chia thành hai loại: trực xạ
(tia) đến trực tiếp từ mặt trời, và tán xạ đến từ phần còn lại của bầu trời. Trực xạ là
bức xạ có khả năng tạo bóng và có thể tập trung được bằng các hệ thống quang học.
Tán xạ không thể tạo ra bóng và cũng không thể tập trung được.
5


Mặt trời
Bầu trời Mây
Trực xạ

Tán xạ Tán xạ


Hình 1.3: tán xạ và trực xạ
Dòng bức xạ tổng là năng lượng bức xạ tới trên một đơn vị bề mặt trong một
đơn vị thời gian. Thước đo chuẩn của bức xạ tia (trực xạ) là dòng bức xạ mặt trời
chiếu trực tiếp đến bề mặt vuông góc với tia và được gọi là cường độ tia. Đối với
hôm trời tốt, giá trị của nó vào khoảng 0,9 kW/m
2
. Thước đo chuẩn của tia tán xạ
sóng ngắn chiếu khuyếch tán lên một đơn vị bề mặt nằm ngang hướng lên và được
gọi là cường độ tán xạ. Giá trị của nó phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Trong điều
kiện trời quang giá trị của nó khoảng 0.1 kW/m
2
, còn điều kiện trời có mây thì giá
trị của nó nằm trong khoảng 0.3 kW/m
2
đến 0.6kW/m
2
.
Tổng cường độ của trực xạ chiếu lên một bề mặt nằm ngang hướng lên được
gọi là cường độ bức xạ của mặt trời. Nếu ta gọi I
b
là cường độ tia, θ là góc chiếu của
tia sáng mặt trời chiếu lên một bề mặt ngang( góc giữa tia và phương thẳng đứng ),
I
d
là cường độ tán xạ , thì cường độ bức xạ của mặt trời được tính bằng công thức
I
g

= I
b
cosθ + I
d

Bức xạ của khí quyển chỉ là khuyếch tán, đo bằng bức xạ sóng dài chiếu lên
một bề mặt nằm ngang hướng lên. Nó được gọi là cường độ bức xạ khí quyển. Giá
trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp không khí ở gần vùng bề mặt trái đất,
đồng thời phụ thuộc vào số lượng và độ cao của các đám mây trên bầu trởi.Thông
thường cường độ bức xạ khí quyển bằng với cường độ của môt vật thể đen ở nhiệt


6

độ thấp hơn nhiệt độ của lớp không khí ở gần bề măt trái đất vài
o
C . Trong khoảng
nhiệt độ từ 10
o
C đến 30
o
C thì cường độ bức xạ khí quyển có giá trị nằm trong
khoảng từ 300W/m
2
đến 450W/m
2
.
Tổng dòng năng lượng bức xạ sóng ngắn và sóng dài chiếu xuống một bề mặt
nằm ngang hướng lên được gọi là tổng cường độ bức xạ.Nếu gọi I
a

là cường độ bức
xạ của khí quyển, thì tổng cường độ bức xạ được tính là I
g
+I
a.
1.2.2 Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời
Các quá trình ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời gồm có sự tán xạ, hấp thụ, và
phản xạ . Sự tán xạ tia mặt trời được tạo ra chủ yếu là do các phân tử khí và hơi
nước, các giọt nước nhỏ, và các hạt bụi. Quá trình này làm khoảng 6% bức xạ chiếu
tới bị mất vào không gian, và khoảng 20% bức xạ chiếu tới được mặt trái đất dưới
dạng tán xạ.
Các phân tử khí tán xạ ánh sáng mặt trời với một mức độ tỷ lệ với λ
-4
, với λ là
bước sóng của bức xạ. Chúng được gọi là tán xạ Reyleigh; sự phân tán này rất quan
trọng đối với các phần tử có đường kính nhỏ hơn
஛
ଵ଴
. Ảnh hưởng này của bước sóng
thể hiện qua màu xanh của bầu trời khi trời quang và màu đỏ khi mặt trời lặn. Bầu
trời trở nên xanh vì khi đó ánh sáng xanh có bước sóng ngắn được phân tán mạnh
hơn là ánh sáng đỏ có bước sóng dài. Màu đỏ xuất hiện trên bầu trời khi mặt trời lặn
bởi vì hầu hết ánh sáng màu xanh đã bị phân tán khỏi tia nắng. Sự phân tán ánh
sáng mặt trời từ những phần tử lớn hơn có kích thước đường kính khoảng 25λ trở
lên thì không phụ thuộc vào bước sóng. Kết quả là ánh sáng mặt trời được phân tán
bởi các giọt nước trong những đám mây, sương mù và những hạt bụi đều có màu
trắng.
Sự hấp thụ bức xạ mặt trời chủ yếu là do các phần tử khí ozon và hơi nước (hình
1.3). Sự hấp thụ ở ozon xảy ra ở tầng khí quyển, ở độ cao trên 40km. Sóng bị hấp thụ
7

mạnh chủ yếu ở vùng tia cực tím của quang phổ, vì vậy các bước sóng nhỏ hơn 0.3µm ít
khi đến mặt đất. Có khoảng 3% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bằng cách này.
Ở tầng thấp hơn của khí quyển, có khoảng 14% bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi
hơi nước,chủ yếu xảy ra ở vùng tia hồng ngoại của quang phổ. Các đám mây hấp
thụ một lượng rất nhỏ bức xạ mặt trời, điều đó giải thích tại sao chúng không bay
hơi dưới ánh nắng. Ảnh hưởng của đám mây đến bức xạ mặt trời chủ yếu là tán xạ
và phản xạ.
Có một lượng nhỏ bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi oxy. CO
2
cũng hấp thụ một ít
bức xạ mặt trời, mặt dù việc hấp thụ và phát xạ bức xạ sóng dài của khí quyển bởi
CO
2
là quan trọng trong hiệu ứng nhà kính.

2 O
3


O
3
O
2

1 H
2
O
CO
2

0
0 1 2 3 µm
Hình 1.4 Quang phổ mặt trời.Đường bên trên của đồ thị biểu diễn bức xạ bên ngoài
khí quyển; đường bên dưới là bức xạ nhận được trên bề mặt trái đất khi trời quang.
Dãy hấp thụ do các khí các khí biểu diễn bởi các công thức hóa học.
Sự phản xạ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào bản chất của bề mặt phản xạ. Phân
số của cường độ bức xạ của mặt trời phản xạ từ các bề mặt trên trái đất được gọi là
suất phản chiếu của bề mặt. Tổng suất phản chiếu, bao gồm tất cả các bước sóng
gần như trùng với suất phản chiếu nhìn thấy được của quang phổ. Bảng 1.1 dưới
đây là các suất phản chiếu tiêu biểu của một số bề mặt khi mặt trời ở vị trí đỉnh đầu.
8

Khi mặt trời ở vị trí thấp hơn trên bầu trời( khi góc chiếu đỉnh θ
z
lớn) suất phản
chiếu của mặt nước sẽ có giá trị lớn hơn trong bảng. Suất phản chiếu của các đám
mây phụ thuộc váo độ dày cùa chúng.
Bảng1.1: suất phản chiếu bề mặt.
Bề mặt Suất phản chiếu
Cây cối 0.2
Đất nhạt màu 0.3
Đất sậm màu 0.1
Nước 0.1
Mây 0.5 – 0.9

Ngoài ra các đám mây cũng có ảnh hưởng lớn đến bức xạ mặt trời. Những
ảnh hưởng của các đám mây đến bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt của trái đất
diễn ra rất phức tạp. Nếu như các đám mây giữa mặt trời và điểm quan sát, thì
cường độ bức xạ mặt trời sẽ yếu đi hoặc bị khử mất. Còn cường độ tán xạ thì có thể

mạnh hơn hoặc yếu đi nếu như có sự tồn tại của những đám mây giữa bầu trời, tùy
thuộc vào loại mây, vào số lượng các đám mây. Các đám mây mỏng, phân tán phản
xạ lại tia nắng mặt trời sẽ làm tăng cường độ tán xạ, còn các đám mây dày sẽ làm
giảm cường độ tán xạ.
Cường độ bức xạ mặt trời thông thường sẽ bị giảm khi trời có mây, nhưng nếu
mặt trời đang chiếu vào một vùng nào đó trong bầu trời mà lại có các đám mây sáng ở
gần bên, thì cường độ bức xạ mặt trời sẽ có giá trị lớn hơn so với khi trời quang.
Các biến đổi do địa lý, mùa, thiên văn của bức xạ mặt trời đối với bề mặt trái
đất được kiểm soát thông qua các tác động của đám mây theo sự di chuyển của mặt
trời. Kết quả là các nghiên cứu về những biến đổi có liên hệ mật thiết đến những
9

nghiên cứu về thời tiết, và có rất nhiều trạm quan sát khí tượng đã được xây dựng
nên để có thể có những dự báo đầy đủ về chúng.
1.2.3 Bức xạ mặt trời khi trời quang
Đây có thể xem là phần trình bày một cách đơn giản bức xa mặt trời xảy ra
trên bề mặt trái đất ở khu vực nhiệt đấy châu Á.
Các thông số chính ảnh hưởng đến cường độ bức xạ mặt trời là góc chiếu
đỉnh θ
z
của mặt trời, lượng hơi nước chứa trong khí quyển w, và hệ số vẫn đục của
không khí B.
Lượng hơi nước chứa trong khí quyển w chính là lượng nước kết tủa được
đo bằng cm. Để xác định chính xác lượng nước w cần phải có số liệu về lớp không
khí bên trên. Nếu những số liệu này không có sẵn, ta có thể dự đoán tương đương
qua công thức.
w = 0.18e
Trong đó, e là áp suất hơi nước trong khí quyển trên bề mặt trái đất và đo
bằng milibars. Ở vùng nhiệt đới ẩm và khô, w dao động từ 2cm vào mùa khô đến
5cm hoặc hơn vào mùa mưa.

Hệ số vẫn đục không khí B bẳng 0 khi bầu khí quyển không có bụi, và giá
trị của nó sẽ tăng lên khi không khí bị vẫn đục. Giá trị của B được xác định trực
triếp thông qua việc đo cường độ tia trực xạ trong các dãy khác nhau của quang phổ
nhờ các lọc sắc. Ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm và khô B dao động từ gần 0 vào mùa
mưa đến 0,2 vào mùa khô. Nếu có khói trong không khí thì giá trị của B có thể lớn
hơn. Thường B được tính theo công thức.
B = 0.25 – 0.17V
Trong đó V là tầm nhìn xa đo bằng km. Giá trị dự đoán của B chính xác
đến ± 0.02.
10

Các giá trị của cường độ tia trực xạ I
b
theo mức mức nước biển được đưa ra
trong bảng 1.2 dựa theo các giá trị của lượng hơi nước chứa trong khí quyển w, góc
chiếu đỉnh θ của mặt trời, và hệ số vẫn đục B. Các hiệu chỉnh nhỏ do sự biến đổi
lượng ozon trong khí quyển và sự biến đổi áp suất không khí ở bề mặt được bỏ qua.
Các giá trị của cường độ tia trực xạ cho trong khi được tính ở các ngọn núi.
Bảng 1.2: Cường độ tia cực xạ ở mức nước biển
I
b
(kW/m
2
)
W(cm) Góc chiếu đỉnhn θ
(độ)
B = 0 B = 0.1 B = 0.2
2 0 1.047 0.879 0.768
2 60 0.879 0.684 0.524
2 70 0.810 0.530 0.384

2 80 0.628 0.314 0.181
5 0 0.977 0.838 0.698
5 60 0.838 0.628 0.475
5 70 0.740 0.489 0.349
5 80 0.572 0.286 0.161

Cường độ bức xạ tán xạ được xác định chủ yếu dựa vào góc chiếu đỉnh θ, hệ
số vẫn đục B, và suất phản chiếu của mặt đất tại từng vị trí. Bảng 1.3 cho biết giá trị
của cường độ tán xạ I
d
dựa vào các giá trị của θ và B khi suất phản chiếu ở mặt đất
là 0.25. Đối với các giá trị suất phản chiếu 0.1, 0.2, và 0.3, ta nhân giá trị I
d
cho
trong bảng tương ứng với các thông số hiệu chỉnh 0.90, 0.96 và 1.04


11

Bảng1.3: cường độ tán xạ
I
d
(kW/m
2
)
θ(độ) B = 0 B = 0.1 B = 0.2
0 0.063 28.1 26.3
60 0.045 28.2 30.2
70 0.034 28.2 27.3
80 0.018 23.3 18.9

Bảng 1.4 cho ta số liệu về tổng năng lượng mặt trời trong điều kiện trời
quang ở vùng nhiệt đới vào ngày 15 của các tháng 3,6,9 và 12. Giá trị trong bảng
được áp dụng với lượng hơi nước cho trước là w = 0.2cm và hệ số vẫn đục B = 0.
Khi lượng hơi nước w = 5 cm, ta lấy giá trị trong bảng nhân với hệ số hiệu chỉnh
0.93 ; còn khi hệ số vẫn đục B = 0.1 và 0.2, ta lấy giá trị bảng nhân với hệ số tương
ứng 0.90 và 0.84
Bảng1.4: năng lượng bức xạ mặt trời hằng ngày khi trời quang
Năng lượng bức xạ mặt trời hằng ngày (MJ/m
2
)
Vĩ độ φ 0
0

10
0

20
0

Tháng 3 28.8 28.1 26.3
Tháng 6 25.4 28.2 30.2
Tháng 9 28.3 28.2 27.3
Tháng 12 26.9 23.3 18.9
1.2.4 Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
Bức xạ mặt trời luôn phụ thuộc vào góc tới của nó đối với mặt phẳng hứng
bức xạ. Mà thực tế thì độ nghiêng của mặt phẳng hứng bức xạ và vị trí của mặt trời
12

so với nó luôn thay đổi. Đa số các thiết bị thu năng lượng mặt trời được đặt nghiêng

một góc nào đó, còn các số liệu cho sổ tay bức xạ nhận trên mặt phẳng nằm ngang.
Vì vậy cần thiết phải tính toán dòng năng lượng tới trên mặt phẳng nghiêng từ các
số liệu thu được trên mặt phẳng nằm ngang.

N
’
;pháp tuyến mặt nghiêng N :pháp tuyến mặt cắt ngang
Tia trực xạ θ
h


Hướng của
mặt ngang α θ
i

Hướng của
mặt nghiêng A
z
A
sz
P
Hướng nam β

Hình 1.5 Các góc xác định tia mặt trời tới trên mặt ngang và mặt nghiêng
1.2.5 Năng lượng tia bức xạ và trực xạ
Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới mặt nghiêng và dòng năng lượng trực
xạ tới mặt phẳng ngang được gọi là “ hệ số nghiêng “ đối với tia bức xạ, được ký
hiệu bằng r
b
.

Đối với trường hợp mặt nghiêng hướng nam ( γ = 0 ), ta có:
cosθ = sinδ .sin(φ – β) + cosδ.cosω.cos(φ – β) (1.1)
Đối với mặt phẳng ngang (β = 0) ,hướng nam, θ = θ
z
nên:
cosθ
z
= sinδ sinφ + cosδ cosɷ cosφ (1.2)
13

⟹ݎ
௕
ൌ
ܿ݋ݏߠ
ܿ݋ݏθ
௭
ൌ
ݏ݅݊ߜsinሺ߮െߚሻ
ݏ݅݊߮ݏ݅݊ߜ൅ܿ݋ݏ߮ܿ݋ݏߜܿ݋ݏ
ሺ1.3ሻ
Trong đó :
θ vĩ độ hay vĩ tuyến của địa điểm quan sát ở bắc hoặc nam bán cầu
δ góc lệch là góc giữa tia mặt trời và mặt phẳng xích đạo, xác định ngày quan sát:
δ (đo bằng độ) = 23.45sin
ቂ
ଷ଺଴
ଷ଺ହ
ሺ284൅݊ሻ
ቃ
(1.4)

Trong đó n là số ngày của năm.
Góc azimuth γ (A
z
) là góc lệch khỏi hướng nam của tia mặt trời trên mặt phẳng
ngang
θ
z
góc Zenith , góc của tia mặt trời và pháp tuyến của mặt phẳng ngang (mặt đất)
tại vị trí quan sát, xác định thời gian quan sát
α góc độ cao mặt trời
β góc nghiêng
θ
h
là góc tới của mặt nằm ngang
θ
i
là góc tới của tia trực xạ trên mặt phẳng nghiêng
A
ZS
là góc lệch Azimuth của mặt phẳng nghiêng đang xét, đó là góc giữa hướng
nam và hình chiếu pháp tuyến của mặt phẳng nghiêng trên mặt phẳng ngang. Quy
ước góc A
ZS
>0
Khi mặt nghiêng lệch về hướng đông, và A
ZS
< 0 khi mặt phẳng nghiêng lệch về
hướng tây (hình 1.4)

14

1.2.6 Năng lượng tia bức xạ nhiễu xạ
Hệ số nghiêng r
d
đối với bức xạ nhiễu xạ là tỷ số của dòng năng lượng
nhiễu xạ tới trên mặt nghiêng và tới trên mặt ngang. Giá trị r
d
này phụ thuộc vào sự
phân bố bức xạ nhiễu xạ trên bầu trời và trên phần bầu trời mà mặt nghiêng thu bức
xạ. Nếu giả thuyết bức xạ nhiễu xạ là đẳng hướng, ta có thừa số nghiêng r
d
xác định
bằng công thức :
ݎ
ௗ
ൌ
1
2
ሺ
1൅ܿ݋ݏߚ
ሻ
ሺ1.5ሻ
Ở đây là góc nghiêng của mặt nghiêng đối với mặt ngang.
1.2.7 Năng lượng tia bức xạ phản xạ
Bức xạ phản xạ là thành phần bức xạ tới mặt quan sát do phản xạ từ mặt nền
xung quang mặt quang sát và hệ số phản xạ bằng ρ, thì hệ số nghiêng đối với bức xạ
phản xạ sẽ là
ݎ
௥

ൌߩ
൬
1െܿ݋ݏߚ
2
൰
ሺ1.6ሻ
1.2.8 Năng lượng mặt trời tới mặt nghiêng
Gọi I
T
là tổng các thành phần bức xạ tới trên mặt nghiêng, thì:
I
T
= I
b
r
b
+ I
d
r
d
+ (I
b
+ I
d
)r
r
(1.7)
Trong đó : I
b
,I

d
là các mật độ dòng năng lượng mặt trời ứng với các thành
phần trực xạ và nhiễu xạ đo được trên mặt nằm ngang.
Cần chú ý rằng phương trình (1.3) chỉ đúng với mặt hướng nam (γ =0), còn các
phương trình (1.5), (1.6) là đúng với mặt nghiêng bất kỳ có góc nghiêng. Gọi I
g
là
tổng xạ trên mặt ngang, I
g
=I
b
+I
d
, thì (1.7) ta có :

15

ܫ
்
ܫ
௚
ൌ
ቆ
1െ
ܫ
ௗ
ܫ
௚
ቇ
ݎ

௕
൅
ܫ
ௗ
ܫ
௚
ݎ
ௗ
൅ݎ
௥
ሺ1.8ሻ
Khi ứng dụng phương trình (1.7) ta cần biết hệ số phản xạ ρ, mà trong nhiều
trường hợp là không đo được. Vì vậy người ta thường thừa nhận giá trị ρ = 0.2 để
tính toán. May mắn là thành phần phản xạ chiếm tỷ lệ khá nhỏ trong tổng I
T
, nên sai
số không đáng kể.

16

CHƯƠNG 2: NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN
THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
2.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
* Lịch sử sử dụng năng lượng mặt trời
Ở thế kỷ XIX, các nước phương Tây vẫn chưa có khái niệm về giữ nhiệt cho
nước. Người ta chứa nước trong một thùng giống thùng phuy. Nhiệt độ của nước
được tăng lên bằng phương pháp thủ công, đó là dùng gỗ hoặc than đá để đốt nóng.
Phương pháp này rất tốn kém và bất tiện. Ở những vùng nông thôn có nhiều nắng
hơn thì nông dân đã nghĩ ra phương pháp khác. Họ chứa nước trong một thùng phuy
sơn đen bên ngoài và đậy nắp. Sau đó đem phơi dưới ánh nắng Mặt Trời suốt cả
ngày. Phương pháp đó có vẻ khá hơn nhưng những thùng phuy này nhanh chóng bị
mất nhiệt về ban đêm, khi nhiệt độ hạ xuống. Năm 1891, Clarence Kemp, bang
Maryland, Mỹ, đã chế ra một loại bồn kim loại giữ được nhiệt của nước từ năng
lượng Mặt Trời. Ông đã đặt tên cho sản phẩm của mình là Climax và đây là máy
nước nóng từ năng lượng Mặt Trời đầu tiên trên thế giới được thương mại. Đầu năm
1900, Kemp đã đưa Climax đến với người dân các tiểu bang khác có nắng và nhiệt
độ thường cao hơn. Tại miền Nam California, Mỹ, hàng trăm máy được lắp đặt vào
năm 1900.
Sau đó, hệ thống thu nhiệt của Climax đã có nhiều cải tiến và hoàn thiện dần,
trong đó có việc sử dụng hộp thủy tinh bao xung quanh các ống kim loại giống như
phương pháp hiệu ứng nhà kính. Do đó, nước được nóng nhanh hơn. Khối lượng
riêng của nước nóng thường nhẹ hơn nước lạnh, khi thông qua ống dẫn thì nước
nóng sẽ được dồn vào bình chứa (bình bảo ôn) và đảm bảo cho nhu cầu cả ngày và
đêm.
* Sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
NLMT chiếu trên mặt đất ở những nơi khác nhau là không giống nhau,
trung bình khoảng 100 W/m
2

, cao nhất khoảng 1000 W/m
2
. Trong thực tế trữ lượng
NLMT có thể sử dụng là khoảng 170 TOE/năm, ở quy mô toàn cầu thì năng lượng
17

này không lớn lắm, nhưng nó lại có ý nghĩa đối với các quốc gia mạng lưới phân
phối điện năng vẫn còn thưa thớt như: Ấn Độ, Trung Quốc hoặc Châu Phi.
Khả năng ứng dụng NLMT thay đổi theo từng vùng miền, điều kiện thời
tiết. Nếu tính trung bình cho toàn bộ diện tích trái đất, trong vòng 24 giờ, một ngày,
trung bình 1m
2
nhận được 4,2 kWh. Ở sa mạc, không khí rất khô và có ít mây che
phủ, nguồn NLMT là nhiều nhất, hơn 6,0 kWh/ngày/m
2
. Ánh sáng mặt trời cũng
thay đổi theo mùa, có những vùng nhận được rất ít nguồn NLMT vào mùa đông chỉ
khoảng 0,7 kWh/ ngày.
Bảng 2.1 Năng lượng mặt trời tỏa đến trái đất và con người sử dụng hàng năm
Năng lượng mặt trời 3,850,000 EJ
Năng lượng gió 2,250 EJ
Năng lượng sinh học 3,000 EJ
Năng lượng chính sử dụng (2005) 487 EJ
Năng lượng điện (2005) 56.7 EJ

Số năng lượng mặt trời hấp thụ mỗi năm bởi bầu khí quyển, đại dương và
các vùng đất là khoảng 3.850.000 exajoules (EJ = 1018J), số liệu trong năm 2002.
Mức năng lượng mặt trời tỏa xuống trái đất trong 1 giờ nhiều hơn năng lượng thế
giới sử dụng trong một năm. Năng lượng mặt trời đến bề mặt của trái đất lớn gấp
đôi so với tổng tất cả nguồn năng lượng hóa thạch của trái đất như: than, dầu, khí

đốt tự nhiên, và uranium được khai thác.
Từ bảng các nguồn tài nguyên có thể thấy rằng, năng lượng mặt trời, gió hay
sinh khối sẽ đủ để cung cấp tất cả các nhu cầu năng lượng của chúng ta. Tuy nhiên,
tăng sử dụng năng lượng sinh khối đã có một tác động tiêu cực về sự nóng lên toàn
cầu và tăng đáng kể giá lương thực vì phải chuyển rừng và cây trồng vào sản xuất
nhiên liệu sinh học. Nhưng tăng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và gió thì sẽ tốt
hơn. Năng lượng mặt trời có thể được khai thác ở mức độ khác nhau trên thế giới,
18

tùy thuộc vào vị trí địa lý, gần với đường xích đạo hơn "tiềm năng" năng lượng mặt
trời hiệu quả hơn.
Năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn, nhưng trong năm 2008 chỉ cung cấp
0,02% của tổng cung cấp năng lượng của thế giới. Tuy nhiên, việc sử dụng đã tăng
lên gấp đôi mỗi năm, trong đó có tiềm năng cung cấp hơn 1000 lần tổng tiêu thụ
năng lượng, sẽ trở thành nguồn năng lượng thống trị trong vòng một vài thập kỷ tới.
Trên thế giới, nhiều nước đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp
thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tại Đan Mạch, năm 2000 hơn 30%
hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời, có tác dụng làm nóng nước. Ở Brazil,
những vùng xa xôi hiểm trở điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu.
Vào năm 2009, tổng công suất lắp đặt hệ thống nước nóng năng lượng mặt
trời là khoảng 184GW. Ngày nay thế giới đang đẩy mạnh ứng dụng công nghệ mặt
trời nhằm giảm bớt sự phụ thuộc vào sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch như
than dầu…
2.2 Một số ứng dụng của năng lượng mặt trời trên thế giới
2.2.1 Cao ốc văn phòng sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.1 Tòa nhà Sun and the Moon Altar (Trung Quốc
Cao ốc được xây dựng ở thành phố Đức Châu, tỉnh Sơn Đông, tây bắc Trung
Quốc. Tòa nhà rộng 75.000m
2

được thiết kế dạng cấu trúc đồng hồ mặt trời và đáp
ứng yêu cầu sử dụng năng lượng tái sử dụng để thay thế các loại nhiên liệu hóa
19

thạch gây ô nhiễm môi trường. Tòa nhà cung cấp không gian cho các trung tâm
triển lãm, khu vực nghiên cứu, trung tâm hội họp và huấn luyện và một khách sạn.
2.2.2 Cầu đi bộ sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 2.2 Cầu đi bộ Kurilpa
Cầu sử dụng hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED được lập trình để tạo ra một
loạt các hiệu ứng ánh sáng khác nhau. Hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng sử
dụng 84 panel mặt trời phát điện với công suất khoảng 100KW/giờ mỗi ngày và
trung bình 38MW/giờ mỗi năm. Lượng điện thừa có được từ các panel mặt trời sẽ
được chuyển sang cho mạng lưới điện quốc gia (hệ thống đèn LED chỉ sử dụng
75% điện năng mặt trời).
2.2.3 Tàu 3 thân

Hình 2.3 Thuyền Planet Solar
20

Tàu dài 30m, rộng 15m và các tế bào năng lượng mặt trời được lắp trên phần
nóc rộng 508m
2
. Các panel mặt trời có khả năng sản xuất ra 1.000 watt điện mỗi
ngày. Lượng điện thừa ra sẽ được trữ trong những bình điện giúp chiếc tàu nặng 58
tấn này tiếp tục hành trình mà không cần ánh nắng mặt trời trong vòng 3 ngày. Tàu
chạy với tốc độ khoảng 18km/giờ.
Đây cũng chính là con thuyền đã xuất phát từ Monte Carlo (Monaco) vào
ngày 27/9/2010, để thực hiện cuộc hành trình vòng quanh thế giới với thông điệp về
chống biến đổi khí hậu. Trên hành trình du ngoạn, Planet Solar đã ghé qua thành

phố biển Nha Trang (Việt Nam) vào ngày 29/8/2011 và lưu lại đây đến ngày
1/9/2011.
2.2.4 Sân vận động World Games (Đài Loan)

Hình 2.4 Sân vận động World Games (Đài Loan)
Với sức chứa 55.000 khán giả, tọa lạc trên một khu đất với diện tích 19 hecta
ở thành phố Cao Hùng (Kaohsiung), Sân vận động siêu hiện đại trị giá 5 tỉ USD có
phần mái cực rộng 14.155m
2
lắp đặt 8.844 panel mặt trời và tạo ra điện năng 1,14
triệu KW/giờ mỗi năm giúp giảm bớt 660 tấn khí thải carbon dioxide vào bầu khí
quyển trong một năm, đủ để cung cấp điện cho 3.300 bóng đèn, 2 màn hình tivi
khổng lồ và hệ thống phát thanh trong sân.