Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


NGỤY HOÀNG ĐÀN


TÊN ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC
CÓ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP BƠM
NGHIỆT CHO KHÁCH SẠN NHA TRANG PLACE



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt lạnh)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. LÊ NHƯ CHÍNH


NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2014

1

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn Lớp: 52NL

Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng
mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”.
Số trang: 106 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 11
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN







Kết luận:





ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ
Bằng số



Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


Th.S Lê Như Chính

2

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn Lớp: 52NL
Ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng
mặt trời kết hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”.
Số trang: 106 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 11

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN




Đánh giá chung:





ĐIỂM
Bằng chữ
Bằng số

ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ
Bằng số





Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014
Cán bộ phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2014
Chủ tịch hội đồng
(Ký và ghi rõ họ tên)

3

LỜI CẢM ƠN
Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong
việc hình thành tri thức một con người. Từ những ngày bước chân vào giảng đường
đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn
và giúp đỡ tận tình của các thầy cô.
Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ lòng biết ơn chân
thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí
cũng như các Thầy, Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt Lạnh đã tạo mọi điều kiện
cho em có kết quả học tập tốt và hoàn thành đề tài này.
Đặc biệt em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy ThS. Lê Như Chính đã trực
tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài, truyền đạt
những kinh nghiệm quý báu, cung cấp cho em những tài liệu cần thiết và hữu ích

cho quá trình nghiên cứu để em có thể thực hiện đề tài hoàn chỉnh về mặt nội dung
và hoàn thành trong thời gian quy định.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và những người bạn của em
những người đã luôn giúp đỡ, động viên em hoàn thành tốt đề tài này.
Tuy nhiên, quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận
được sự chỉ bảo của quý Thầy Cô và góp ý của các bạn.

N
Nha Trang, tháng 6 năm 2014.
S
Sinh viên thực hiện
Ngụy Hoàng Đàn
4

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12
1. Tổng quan về năng lượng mặt trời 12
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng năng lượng mặt trời 12
1.2. Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất 15
1.3. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ 19
1.4. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 21
1.5. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất 22
1.6. Bức xạ mặt trời truyền qua kính 25
1.7. Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam 26
1.8. Đo cường độ bức xạ Mặt trời 27
1.9. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bình nước nóng năng lượng mặt trời 28
1.9.1. Cấu tạo. 28

1.9.2. Nguyên lý hoạt động 29
2. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 31
2.1. Pin mặt trời 32
2.2. Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời 33
2.3. Thiết bị sấy khô dung năng lượng mặt trời 34
2.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 34
2.5. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 35
2.6. Động cơ stirling chạy bằng NLMT 36
2.7. Thiết bị đun nước nóng chạy bằng NLMT 36
2.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 37
3. Tổng quan về bơm nhiệt (Heat pump) 37
3.1. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 37
3.2. Đặc điểm cấu tạo của các thiết bị trong hệ thống bơm nhiệt 38
5

3.2.1. Máy nén 38
3.2.2. Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi 39
3.2.3. Van tiết lưu 39
3.3. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt 39
3.3.1. Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất 39
3.3.2. Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sa, nước giải khát có ga, cô đặc,
chưng cất, sấy… 40
4. Tổng quan về công trình Nha Trang Place Hotel 40
5. Khả năng ứng dụng bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời 41
5.1. Tính hiệu quả kinh tế 41
5.2. Tính ưu việt 43
5.3. Tính hạn chế 43
CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC 44
1. Tính toán lưu lượng nước cấp, tính thiết kế bể chứa, tính chọn két nước 44
1.1. Tính toán lưu lượng nước cấp sinh hoạt cho khách sạn 44

1.2. Tính toán thiết kế bể chứa 44
2. Chọn hệ thống cung cấp nước nóng 45
2.1. Chọn thiết bị nước nóng năng lượng mặt trời 45
2.1.1. Chọn tấm thu nhiệt 46
2.1.2. Chọn bồn bảo ôn 46
2.2. Chọn bơm nhiệt (Heat pumb) 47
2.2.1. Sơ đồ ứng dụng của bơm nhiệt 47
2.2.2. Sơ đồ kết hợp gia bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời 47
2.2.3. Chọn bơm nhiệt 48
2.2.4. Tính kiểm tra bơm nhiệt (heat pump) 49
2.3. Tính toán thiết kế đường ống dẫn nước nóng, tính chọn bơm tuần hoàn 50
2.3.1. Thiết kế và tính chọn ống dẫn nước nóng 50
6

2.3.1.1. Tính chọn ống dẫn nước trong phòng 50
2.3.1.2. Tính chọn đường ống dẫn nước xuyên tầng 51
2.3.1.3. Tính chọn ống nước hồi 52
2.3.1.4. Tính chọn bơm tuần hoàn 52
2.3.1.5. Chọn bồn chứa nước hồi 56
2.4. Tính thiết kế đường ống dẫn nước lạnh, chọn két nước, tính chọn bơm . 56
2.4.1. Tính thiết kế ống dẫn nước lạnh trong phòng 57
2.4.2. Tính chọn đường ống xuyên tầng. 58
2.4.3. Tính chọn két nước 59
2.4.4. Tính chọn bơm nước cấp 59
CHƯƠNG III: QUY TRÌNH XÂY DỰNG, LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO
QUẢN VÀ SỬA CHỮA 64
1. Xây dựng, lắp đặt hệ thống cấp nước sinh hoạt 64
1.1. Xây dựng bể chứa 64
1.2. Lắp đặt thiết bị thu năng lượng mặt trời 64
1.3. Lắp đặt bơm nhiệt 65

1.4. Lắp đặt bồn chứa nước 65
1.5. Lắp đặt đường ống dẫn nước, các thiết bị phụ trợ 65
1.5.1. Lắp đặt đường ống dẫn nước 66
1.5.2. Lắp đặt bơm nước 67
1.5.3. Lắp đặt bồn cầu 68
1.5.4. Lắp đặt bồn tắm 69
2. Bảo dưỡng và sửa cha 69
2.1. Bảo dưỡng máy nước nóng năng lượng mặt trời 69
2.2. Bảo dưỡng bơm nhiệt 70
CHƯƠNG IV: TÍNH GIÁ THÀNH HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI 73
7

1. Tính giá thành sản phẩm 73
2. So sánh tính tiết kiệm của sản phẩm so với sản phẩm khác 74
3. Kết luận và nhận xét 74
PHỤ LỤC 76
Danh mục tài liệu tham khảo 106


8

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Máy nước nóng năng lượng Mặt trời 12
Hình 1.2: Hệ thống Solarhart bên cạnh các tấm PV 14
Hình 1.3: Góc nhìn mặt trời 16
Hình 1.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
trái đất 17
Hình 1.5: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
nghiêng. 20

Hình 1.6: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán 23
Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng 24
Hình 1.8: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng 24
Hình 1.9: Hiệu ứng lồng kính 25
Hình 1.10: Nhật xạ kế - Pyranometer 28
Hình 1.11: Trực xạ kế 28
Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời 30
Hình 1.13: Pin Mặt trời 32
Hình 1.14: Hệ thống pin Mặt trời 33
Hình 1.15: Nhà máy điện mặt trời 33
Hình 1.16: Tháp năng lượng mặt trời 33
Hình 1.17: Thiết bị sấy NLMT 34
Hình 1.18: Triển khai bếp nấu cơm dùng năng lượng mặt trời 35
Hình 1.19: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 35
Hình 1.20: Bơm nươc chạy bằng NLMT 36
Hình 1.22: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT 37
Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt 38
Hình 1.24: ng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng 39
Hình 1.25: Khách sạn Nha Trang Place 41
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy nước nóng năng lượng mặt trời tập trung tuần
hoàn tự nhiên 45
Hình 2.2: Sơ đồ ứng dụng cơ bản của bơm nhiệt 47
9

Hình 2.3: Sơ đồ kết hợp gia bơm nhiệt và tấm thu năng lượng mặt trời 48
Hình 2.4: Đường ống cấp nước nóng 52
Hình 2.5: Đồ thị độ nhớt động học của nước 54
Hình 2.6: Hình ảnh bơm ly tâm 55
Hình 2.7: Đồ thị vùng làm việc bơm ly tâm 56
Hình 2.8: Đường ống nước lạnh 58

Hình 2.9: Đồ thị độ nhớt của nước 61
Hình 2.10: Đường đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp (cùng đặc tính)
62
Hình 3.1: Chi tiết ống qua tường 66
Hình 3.2: Chi tiết ống treo trần nhà 67
Hình 3.3: Chi tiết cùm đỡ ống 67
Hình 3.4: Chi tiết lắp đặt bồn cầu 69

10

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm 26
Bảng 1.2: Số giờ nắng trung bình cả năm 27
Bảng 1.3: So sánh tính kinh tế 42
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật tấm thu chân không MEGASUN MGS-VC1850
46
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật bồn chứa SUS304 47
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật bơm nhiệt MGS-20HP-D 49
Bảng 2.4: Lưu lượng tính toán thiết bị vệ sinh và đường kính ống nối 50
Bảng 2.5: Thông số ống nước nóng PN20 51
Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật bơm ly tâm 100 x 64 – FSKA 56
Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật bồn nước MEGASUN 56
Bảng 2.8: Lưu lượng tính toán và đường kính ống nối thiết bị vệ sinh 57
Bảng 2.9: Ống nước nóng PN20 57
Bảng 2.10: Thông số kỹ thuật bồn chứa nước inox 59
Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật bơm ly tâm 100x64 – FSKA 63
Bảng 3.1: Một số sự cố thường găp và cách giải quyết máy nước nóng năng
lượng mặt trời 69
Bảng 4.1: Chi phí lắp đặt hệ thống 73
Bảng 4.2: Chi phí cho máy móc thiết bị 73

11

LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống con người. Xã hội càng
phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Trên thế giới các nước
đang phát triển có nhu cầu năng lượng lớn đến 75%, các nước phát triển cần 25%
tổng nhu cầu năng lượng của thế giới.
Với tốc độ phát triển chóng mặt của xã hội hiện nay. Do nhu cầu về sự tiện nghi
ngày càng cao, trong đó nước nóng là một nhu cầu thực tiễn. Tuy nhiên để đáp ứng
được lượng nước nóng để phục vụ con người đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng khá
lớn. Trong khi đó Việt Nam là một trong những nước có ánh nắng mặt trời chiếu
sáng nhiều trong ngày.
Để đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng cũng như đảm bảo tiết kiệm về năng
lượng ta ứng dụng năng lượng mặt trời vào sản xuất nước nóng.
Xuất phát từ thực tiễn trên tôi được khoa cơ khí trường Đại Học Nha Trang giao
cho đề tài tốt nghiệp:
“Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nước có sử dụng năng lượng mặt trời kết
hợp bơm nhiệt cho khách sạn Nha Trang Place”
Trong thời gian thực hiện đề tài tôi nhận được sự giúp đỡ hưỡng dẫn tận tình của
thầy Th.S Lê Như Chính, cùng với sự nghiên cứu tìm tòi học hỏi đến nay tôi đã hoàn
thành cơ bản các nội dung của đề tài.
Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do thời gian còn hạn chế và bước đầu làm quen
với nghiên cứu khoa học cùng với trang thiết bị phòng thí nghiệm còn thiếu nên kết
quả nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được sự góp ý của
quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn.

Nha Trang, tháng 06 năm 2014
Sinh viên: Ngụy Hoàng Đàn

12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1. Tổng quan về năng lượng mặt trời
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy nước nóng 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.
Hình 1.1: Máy nước nóng năng lượng mặt trời
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.
13

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.

Năm 1909, William J. Bailey của công ty thép Carnegie, Mỹ, đã nâng kỹ thuật
lên một bước nữa bằng cách tách máy nước nóng năng lượng mặt trời ra làm hai
phần: một phần hấp thụ nhiệt và một phần trữ nhiệt. Phần hấp thụ nhiệt là các ống
kim loại sơn đen và đặt trong một hộp kính, phần còn lại là một bồn chứa lớn để trữ
nước nóng.
Từ năm 1909, Bailey đã tung sản phẩm của mình ra thị trường và với những ưu
điểm nổi trội, khiến Climax bị loại ra khỏi cuộc chơi. Từ năm 1909 đến 1918, ông
đã bán ra thị trường hơn 4,000 máy hiệu Solar Day-Night.
Trong những năm 1920-1930, những khám phá lớn về khí đốt tại Los Angeles,
Mỹ, đã làm đình trệ sự phát triển ứng dụng của năng lượng mặt trời.
Sau năm 1930, Heater là người kế nghiệp Bailey, đã phát triển rộng rãi dòng máy
Solar Day - Night Heater. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, có những nước mà cả
nửa số dân đã dùng máy nước nóng năng lượng mặt trời, góp phần tiết kiệm điện
cho các ngành công nghiệp sản xuất khác.
Sự xuất hiện ở một số nước trên thế giới và Việt Nam
Tại Nhật Bản, loại máy nước nóng năng lượng mặt trời có bồn nước hình trụ được
đặt trong hộp kính rất được phổ biến. Năm 1960, người Nhật đã tiếp cận khu vực
Trung Đông bằng những ứng dụng của máy nước nóng năng lượng mặt trời. Đổi lại,
họ được mua dầu mỏ với giá ưu đãi. Nhưng không lâu sau đó, vào năm 1973, giá
dầu mỏ tăng vùn vụt, máy nước nóng năng lượng Mặt trời trở nên có giá.
Khi xuất hiện lệnh cấm vận một số nước Trung Đông, mỗi năm Nhật Bản xuất
sang Trung Đông hơn 100,000 máy nước nóng năng lượng Mặt trời.
14

Khi cuộc khủng hoảng giá dầu lần thứ hai xảy ra (năm 1979), doanh thu của nước
Nhật tăng khủng khiếp chỉ bằng việc xuất khẩu máy nước nóng năng lượng Mặt trời,
trung bình trên 250,000 máy/năm.
Hiện tại, Nhật Bản đang có trên 10 triệu gia đình dùng máy nước nóng năng lượng
Mặt trời.
Tại Australia, Solarhart là nhà sản xuất tiên phong khi cải tiến bộ hấp thụ nhiệt

và bồn nước (bình bảo ôn) được thiết kế gọn nhẹ, rất thuận lợi khi lắp đặt trên mái
nhà.
Hình 1.2: Hệ thống Solarhart bên cạnh các tấm PV
Nếu năm 1960, trên cả thế giới có khoảng 100.000 bộ máy nước nóng năng lượng
Mặt trời thì đến năm 1969 đã có khoảng 4 triệu máy.
Cuộc khủng hoảng về dầu mỏ năm 1973 và năm 1979 đã làm người dân Australia
gần gũi hơn với nguồn năng lượng từ Mặt trời.
Trong khoảng thời gian này, ở lãnh thổ phía Bắc của Australia đã có khoảng 45-
50% số gia đình sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời.
Trong những năm cuối của thập kỷ 80 của thế kỷ 20, Australia là nước xuất khẩu
máy nước nóng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới khi thị phần của thương hiệu
Solarhart chiếm 50% tổng thị phần.
Tại Israel, năm 1953, Levi Yissar là người đầu tiên đưa máy nước nóng năng
lượng mặt trời về và sự kiện này đã thu hút nhiều tờ báo hàng đầu ở nước này.
15

Đối với Chính phủ Israel thì việc ứng dụng năng lượng mặt trời là giải pháp có
tính chiến lược. Chính phủ đã thành lập một ủy ban đặc biệt chuyên trách về năng
lượng mặt trời mà người đứng đầu là Levi Yissar. Ông đã đặt mục tiêu đến năm
1967, cứ 20 gia đình tại Israel thì có một gia đình dùng máy nước nóng năng lượng
mặt trời.
Đến năm 1983, hơn 60% gia đình tại Israel sử dụng máy nước nóng năng lượng
Mặt trời và đến nay, con số này đã là 90%. Người Israel là những người đầu tiên
đưa ứng dụng năng lượng mặt trời để sưởi ấm hồ bơi.
Hiện nay, khi nói đến năng lượng xanh của Israel, người ta nghĩ ngay tới tập
đoàn năng lượng hàng đầu AORA với thương hiệu máy nước nóng năng lượng mặt
trời Heps.
Tại Việt Nam, sự xuất hiện của máy nước nóng năng lượng mặt trời tuy muộn
nhưng đúng thời điểm và được coi là một trong những giải pháp tiết kiệm hàng đầu
trong đầu tư.

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, máy nước nóng năng lượng mặt trời nói
riêng và các thiết bị dùng năng lượng mặt trời nói chung đã nhen nhóm xuất hiện tại
Việt Nam nhưng mới chỉ ở dạng nghiên cứu của các trường đại học hoặc viện nghiên
cứu.
Đến đầu năm 2000, máy nước nóng năng lượng mặt trời đã có hình thức thương
mại nhưng đa phần nhập ngoại như Solarhart và Edwards (Australia), Solar Meru
(Malaysia), Solar Heps (Israel)
1.2. Quá trình truyền bức xạ mặt trời xuống trái đất
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.10
5

km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức
xạ điện tứ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng
ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà
năng lượng cúa chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có sóng dài. Như
vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt
mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và
các cơ chế bắt đầu xảy ra.
16

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là
một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10
-1
- 10 μm và
hầu như một nữa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 –
0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực
xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển. Tính
đối với 1 m

2
bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q = φ
D-T
.C
0
(T/100)
4

Ở đây φ
D-T
: Hệ số góc bức xạ mặt trời và trái đất
φ
D-T
= β
2
/4
β: Là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’
C
0
= 5,67 W/m
2
.k
4
– Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762
o
K – Nhiệt độ bề mặt mặt trời
Vậy q =
4

2
)
100
5762
.(67,5.
4
60.360
32.14,3.2






≈ 1353 W/m
2


Hình 1.3: Góc nhìn mặt trời
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn nên có thể
xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
17


Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp
thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng
lượng được truyền trực tiếp tới trái đất. Đầu tiên oxy phân tử bình thường O
2
phân

ly thành oxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có photon bước
sóng ngắn hơn 0,18 μm, do đó các photon có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn
toàn. Chỉ một phần các nguyên tử oxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các
nguyên tử tương tác với các phân tử oxy khác để tạo thành phân tử ozon O
3
, Ozon
cũng hấp thụ bức xạ từ ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với oxy, dưới tác dụng
của các photon với bước song ngắn hơn 0,32 μm, sự phân tách ozon thành O
2
và O
xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ từ ngoài được sử dụng để
duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O
2
, O
3
, đó là một quá trình ổn định. Do
quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ từ ngoài biến đổi thành bức xạ với năng
lượng nhỏ hơn.
Hình 1.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất

18

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của
phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ
liên kết của chúng khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số
photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ
có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phân tử các phần khác nhau của khí quyển bức xạ
đi đến chúng ta mang theo màu xanh của trời trong sáng và có thể quan sát được ở
những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức
xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ

của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ
này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng mặt trời bức xạ tới truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày
quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất trong khoảng 1000W/m
2
.
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một thời điểm nào đó
trên trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quảng đường đó
gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa
vị trí địa lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng
quỷ đạo của nó quang mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5
C
và thực tế
xem như chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những dao động quan trọng về
độ dài ngày và đêm trong năm.
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố: góc
nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường
đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của mặt
trời (góc giữa phương từ điểm quang sát đến mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi
qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào
đó trên trái đất là quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ
thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau:
E
ng
= E
o
(1+0,033cos
365

360n
) (W/m
2
)
19

Trong đó, E
ng
là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với
tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
1.3. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau:
Hệ số khối lượng không khí: m, là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương
tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi
mặt trời ở thiên đỉnh). Như vậy m = 1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên
đỉnh là θ
z
là 60. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0 -70
0
có thể xác định gần đúng m =
1/cos θ
z

.Còn đối với các góc θ
z
>70
0
thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa
vào tính toán. Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển
m = 0.

Trực xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Đây là dòng bức xạ có hướng và có cụ thể thu được ở các bộ phận thu được kiểu tập
trung (hội tụ).
Tán xạ: Là bức xạ mặt trời nhận được khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự
phát tán của bầu khí quyển.
Tổng xạ: Là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng
xạ trên bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
Cường độ bức xạ (W/m
2
): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề
mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ bao gồm cường
độ bức xạ E
trx
, cường độ bức xạ tận E
trx
và cường độ bức xạ quang phổ E
qp
.
Năng lượng bức xạ (j/m
2
) là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại
lượng bằng tích phân trong một khoảng thời gian, nhất định (thường là 1 giờ hay 1
ngày).
Giờ mặt trời: Là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu
trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc
mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
20

Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của
mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó cụ thể được xác
định theo các góc đặc trưng sau:
Góc vĩ độ Ф, là vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam
đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương.
90
0
≤

≤ 90
0

Góc nghiêng β, là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang
0≤

≤ 180
(β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới)
Hình 1.5: Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
nghiêng.
180
0
   180
0

Góc giờ , là góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía động hoặc phía tây
kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị
15
0
cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu âm (-), buổi chiều lấy dấu cộng (+).
Góc tới , là góc giữa bức xạ bề mặt truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt

đó.
21

Góc thiên đỉnh 
z
, là góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trường hợp nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới .
Góc cao mặt trời 
s
, là góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức
là góc phụ của thiên đỉnh.
Góc phương vị mặt trời

s
, là góc lệch so với phương nằm ngang của hình chiếu
bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu
hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
Góc lệch

, là vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức
là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất,
với hướng phía bắc là hướng.
-23,45
0
   23,45
0

Góc lệch  có thể tính toán theo phương trình của cooper:
 = 23,45.sin (360
365

284 n
)
Trong đó: n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ của các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình
giữa góc tới  và các góc khác như sau:
cos = sin.sin. cos - sin.cos. sin.cos + cos.cos.cos.cos +
+ cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin
và: cos = cos
z
.cos + sin
z
.sin.cos(
s
- )
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới  chính là góc thiên đỉnh của mặt trời 
z
, giá
trị của nó phải nằm trong khoảng 0
0
và 90
0
từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở
thiên đỉnh:
( = 0): cos
z
= cos.cos.cos + sin.sin
1.4. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển
được xác định theo phương trình:
zongo

n
EE

cos.
365
.360
cos.033.01
.








22

Thay giá trị cos
z
vào phương trình trên ta có
ngo
E
.
tại thời điểm bất kỳ từ lúc
mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn là:


 


sin.sincos.cos.cos
365
360
cos.033.01
.








n
EE
ongo

Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời
lăn (6h đến 18h mặt trời) ta sẽ được E
o.ngay
là năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt
phẳng nằm ngang trong một ngày:



















sin.sin
180
sin.cos.cos
365
360
cos.033.01
3600.24
.
s
s
o
ngayo
n
E
E

Với 
s
là góc giờ mặt trời lặn (tức là góc giờ  khi 
z

= 90
0
:




tgtg
s
.
cos.cos
sin.sin
cos 

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng E
oth
bằng cách
thay giá trị n và  trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của tháng
và độ lệch  tương ứng.
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể
xác định trong khoảng thời gian giữa các góc giờ 
1
và 
2
như sau:
 
 




















sin.sin
180
sinsincos.cos
365
360
033.01
3600112
12
21.
n
E
x
E
ogioo

1.5. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất
Tổng bức tán xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai thành phần
chính đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ được khảo sát ở trên, còn thành phần tán
xạ thì khá phức tạp. Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của
độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều. Có
thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần.
Thành phần tán xạ đẳng hướng: Là phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ
vòm trời.
Thành phần tán xạ quanh tia: Là phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung
quanh tia mặt trời.
Thành phần tán xạ chân trời: Là phần tán xạ tập trung gần đường chân trời.

23

Hình 1.6: Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc R
g
(còn gọi là albedo – suất phân
chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ: bề mặt tuyết xốp có R
g

= 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán trở
thành phần tán xạ chân trời.
Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nằm nghiêng là tổng của các
dòng bức xạ bao gồm: trực xạ E
b
, e thành phần tán xạ E
d1
, E

d2
, E
d3
và bức xạ từ các
bề mặt khác lân cận E
r
:
E

= E
b
+ E
d1
+ E
d2
+ E
d3
+ E
r
Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy người ta
giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ của mặt đất là đẳng hướng,
nghĩa là tổng hợp của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất
là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt. Như vậy tổng
xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ E
b
.B
b
và tán xạ trên mặt nằm ngang
E
d

.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc  so với phương nằm ngang sẽ có tổng
xạ bằng tổng của 3 thành phần:

















2
cos1
.
2
cos1


gdbb
REEBEE

Trong đó: E
z
là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang,


24

(1 + cos)/2 = F
cs
là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
(1 - cos)/2 = F
cg
là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
R
g
là hệ số phản xạ bức xạ của môi trường xung quanh.
Hình 1.7: Các bề mặt bức xạ lên bề mặt nằm nghiêng
Và ta có tỷ số bức xạ B
b
của bề mặt nghiêng góc  so với bề mặt nằm ngang:
zzn
n
bng
n
b
E
E
E
E
B





cos
cos
cos.
cos.


Trong đó: E
n
là cường độ bức xạ mặt trời theo phương bất kỳ.
E
bng
là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt nằm ngang.
E
bngh
là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nằm
nghiêng.
Cos và cos
z
được xác định bởi các phương trình trên và các góc được biểu
diễn trên hình 1.8.
Hình 1.8: Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng
Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời
gian τ, tính từ lúc Mặt trời mọc, τ = 0 đến khi Mặt trời lặn τ = τ
n
/2